家居用疏水保溫展平竹制備工藝研究

鄒艷萍，王獻(xiàn)軻，張雨湉，陳 紅，費本華

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.國際竹藤中心，北京 100102)

中國竹資源豐富，但竹稈的結(jié)構(gòu)卻受到幾何和機(jī)械性能變化的限制[1]，竹材利用率一般在50%以下，嚴(yán)重制約了竹材加工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和壯大。目前竹集成材和竹重組材是2種主要用于家具和室內(nèi)裝飾的板材。竹集成材主要由經(jīng)刨削加工去除竹青竹黃的矩形截面的竹條為基本單元膠合而成[2]，由于需要去除竹青和竹黃，且竹稈具有一定的尖削度[3]，大大降低了竹材利用率，造成竹材資源浪費和環(huán)境污染[4]；竹重組材由竹材疏解成竹束，并通過浸膠壓制而成，疏解竹束單元不均勻進(jìn)一步導(dǎo)致其在干燥過程中含水率分布不均勻，在浸膠過程中樹脂在竹束中難以滲透形成均勻分布[5]，且其具有非常高的膠黏劑含量和密度，用于家具和室內(nèi)裝飾時存在價格高、密度大、不夠環(huán)保等問題[6]。為了克服這些缺點，研究人員探索出了竹材展平技術(shù)。竹材展平技術(shù)是指將竹材切割成30～80 cm長的竹竿并去除竹節(jié)[7]，用150～190 ℃的蒸汽加熱3～15 min使竹稈軟化[8]，通過2個滾筒將竹稈壓制展平[7]，能夠?qū)崿F(xiàn)竹材無裂紋展開，成品率高達(dá)90%以上，展平竹可將竹材資源利用率從原來的35%提高到55%[9]，對竹材新產(chǎn)品開發(fā)具有現(xiàn)實意義。竹材具有豐富的親水性基團(tuán)和多孔結(jié)構(gòu),吸水性強(qiáng)、幾乎不耐潮濕，竹材在潮濕環(huán)境下使用或儲存時,容易出現(xiàn)霉變、腐爛、吸濕變形等現(xiàn)象，這些問題在竹材展平處理后更加明顯。二氧化硅氣凝膠是一種以氣體為分散介質(zhì)的凝膠材料,是由膠體粒子相互聚結(jié)構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔固態(tài)材料[10],具有輕質(zhì)、高效的隔熱性能，越來越受到人們的關(guān)注[11]，且氣凝膠獨特的凹凸層級多孔粗糙微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使氣凝膠擁有優(yōu)異的超疏水性能[12]。因此，研究通過二氧化硅氣凝膠納米材料的浸漬提高展平竹的疏水性和保溫性能，以期拓展其在家居制品和室內(nèi)裝修的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料

展平竹由浙江公司提供，分析純無水乙醇(購自無錫市亞盛化工有限公司)，二氧化硅氣凝膠粉末(粒徑≤40 nm，購自陶戈納米有限公司)，聚乙烯醇(PVA，購自上海臣啟化學(xué)科技有限公司)。

1.2 實驗設(shè)備

冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，Regulus 8100,Hitachi日立公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,BGZ-146,上海博訊實業(yè)有限公司；接觸角測量儀，DSA100S，KRUSS Germany；電子天平，UTP-313，上海花潮電器有限公司；真空干燥器，上海越磁電子科技有限公司；真空泵，Airtech HP-40V。

1.3 方法

將乙醇和蒸餾水按照一定配比配置成乙醇水溶液，并加入二氧化硅氣凝膠粉末制備成0.1wt%的浸漬液，將浸漬液分別置于2個真空浸漬罐中，其中一個真空浸漬罐加入0.01wt%的聚乙烯醇(PVA)，將展平竹加工成20 mm×20 mm的試樣進(jìn)行真空浸漬，浸漬時間分別3 h、9 h、3 h重復(fù)3次。浸漬完后將試件60 ℃干燥至質(zhì)量恒定。樣品編碼及浸漬的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 樣品編碼和相應(yīng)的工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同浸漬工藝對展平竹表面二氧化硅沉積的影響

浸漬改性展平竹表面二氧化硅氣凝膠分布如圖1所示，添加PVA的展平竹表面二氧化硅氣凝膠附著更多，且有大塊堆積的現(xiàn)象，說明PVA在一定程度上提高了二氧化硅氣凝膠在展平竹表面的附著。而采用二氧化硅氣凝膠的無水乙醇浸漬液對楊木單板進(jìn)行改性后，能在木材表面形成均勻的納米顆粒層，但在研究中二氧化硅發(fā)生了團(tuán)聚，這可能與研究中在分散液中添加水分有關(guān)，竹材表面和木材表面形貌不同也可能是影響因素[13]。

圖1 浸漬改性展平竹表面二氧化硅氣凝膠分布Fig.1 Silica aerogel distribution on surface of dipping modified flattened bamboo

2.2 不同浸漬工藝對展平竹疏水性的影響

浸漬改性展平竹表面接觸角如圖2所示，二氧化硅氣凝膠浸漬展平竹的水接觸角與未處理展平竹相比顯著增加。浸漬1次(3 h)處理后，展平竹的水接觸角分別為109°和88°，不加PVA浸漬3次處理后，水滴在展平竹表面保持完整的圓球型，水接觸角提高到130°，與未處理的展平竹相比增加了1倍；浸漬9 h時，水接觸角為108°和112°，浸漬3次的展平竹的水接觸角明顯高于浸漬1次的，因為重復(fù)浸漬可使更多的二氧化硅氣凝膠積聚在展平竹表面，浸漬次數(shù)對于提升展平竹的疏水性有很大影響。由此可見，經(jīng)過二氧化硅氣凝膠的浸漬改性之后，二氧化硅納米材料表面的疏水基團(tuán)取代孔洞表面的親水基團(tuán)[14]，展平竹的水接觸角都有所提高，這與二氧化硅氣凝膠浸漬改性木材的結(jié)果是一樣的，當(dāng)浸漬循環(huán)增加到3次時，浸漬木材的水接觸角增加到了樣品的最大值[13]。此外，從圖2中可以看出，不加PVA浸漬的展平竹疏水性提升更大，添加PVA降低了改性展平竹表面的疏水性。

圖2 浸漬改性展平竹表面接觸角Fig.2 Surface contact angles of impregnation modified flattened bamboo

2.2 不同浸漬改性工藝對展平竹導(dǎo)熱性能影響

圖3是浸漬改性展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)，從圖中可以看出，在經(jīng)過浸漬處理之后導(dǎo)熱系數(shù)都有了一定的下降，S1、S3、S9的導(dǎo)熱系數(shù)分別下降38.7%、33.1%和9.2%，S1+、S3+、S9+的導(dǎo)熱系數(shù)分別下降31.7%、40.8%和15.5%。經(jīng)過二氧化硅氣凝膠納米材料浸漬后，展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)均明顯降低，相比之下，S1、S1+、S3與S3+處理的展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)顯著下降。在我們以往的研究中，二氧化硅氣凝膠納米顆粒浸漬的木材經(jīng)過浸漬處理后導(dǎo)熱系數(shù)也有明顯的降低，且浸漬循環(huán)次數(shù)越多，導(dǎo)熱系數(shù)下降越明顯。主要是由于氣凝膠孔徑尺寸小于常溫常壓下氣體分子的平均自由程，孔壁限制了氣體分子的自由運(yùn)動，因此氣體分子的熱傳導(dǎo)受到限制[15]，二氧化硅氣凝膠通過浸漬粘附在展平竹中，降低了展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)，且由于PVA的成膜性，在展平竹表面結(jié)膜，阻隔了熱量傳遞，從而進(jìn)一步提高了展平竹的隔熱性能。與二氧化硅氣凝膠納米材料浸漬改性木材不同，展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)并沒有隨著浸漬次數(shù)的增加而明顯降低。

圖3 浸漬改性展平竹導(dǎo)熱系數(shù)Fig.3 Thermal conductivity of impregnation modified flattened bamboo

3 結(jié)論

通過二氧化硅氣凝膠納米材料的浸漬改性展平竹，研究了浸漬時間和浸漬循環(huán)次數(shù)以及浸漬液中添加分散劑(PVA)對展平竹性能的影響，具體結(jié)論如下：添加PVA的展平竹上的二氧化硅氣凝膠的附著情況有了一些提升且有大塊堆積的現(xiàn)象，說明PVA可以在一定程度上提高二氧化硅氣凝膠在展平竹上的附著；經(jīng)過二氧化硅氣凝膠納米材料浸漬改性的展平竹，疏水性得到了一定程度的提高，經(jīng)過浸漬循環(huán)3次時水接觸角可提高到130°，與未處理的相比增加了一倍；改性后展平竹的導(dǎo)熱系數(shù)都有了一定的下降，浸漬循環(huán)次數(shù)對導(dǎo)熱系數(shù)影響不明顯，浸漬時間有明顯影響，二氧化硅氣凝膠浸漬后的展平竹能夠獲得了更良好的隔熱性能。