全 文 ：第 wv卷 第 tu期
u s s z年 tu 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤„∞
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⁄¨ ¦qou s s z
≥²¯2Š¨ ¯法制备木材功能性改良用 ≥¬’u 凝胶 3
李 坚t 邱 坚t ou 刘一星t
kt1 东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txssws ~ u1西南林学院木质科学与装饰工程学院 昆明 yxsuuwl
摘 要 } 以正硅酸乙酯k×∞’≥l原料 o‹≤¯Π‹ƒ混合酸为水解催化剂 o研究应用于木材功能性改良的 ≥¬’u 凝胶的制
备工艺条件 ∀所配制 v种反应溶液的 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’比例分别为 ƒ˜t € t1ssΒtx1vxΒz1wx oƒ˜u € t1ssΒx1wvΒts1ts o
ƒ˜v € t1ssΒx1wzΒx1zz o‹≤¯Π‹ƒ摩尔比分别为 s1suΠs1st !s1suΠs1sw和 s1suΠs1sy o可在 tus °¬±左右得到醇凝胶 ∀将醇
凝胶在 p ut ε 条件下陈化 t ∗ v §后 o在 tu «内自然升温至室温 ouw «内置于超临界流体中进行干燥单元操作 o可以
得到适合木材功能性改良用并具有纳米结构的 ≥¬’u 气凝胶 ∀
关键词 } ≥²¯2Š¨ ¯法 ~≥¬’u 凝胶 ~纳米结构 ~木材 p ≥¬’u 气凝胶复合材 ~木材功能性改良
中图分类号 }×±wuz1uy 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszltu p stsy p sy
收稿日期 }ussy p sw p sy ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kvsyvssxul ∀
3 邱坚为通讯作者 ∀
Σολ2Γελ Μετηοδ Φαβριχατε ΣιΟu Αερογελ Υσεδ ιν Φυνχτιον οφ Ωοοδ Μοδιφιχατιον
¬¬¤±t ±¬∏¬¤±tou ¬∏≠¬¬¬±ªt
kt ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txssws ~
u1 Φαχυλτψοφ Ωοοδ Σχιενχε ανδ ∆εχορατιον Ενγινεερινγ oΣουτηωεστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Κυνµινγ yxsuuwl
Αβστραχτ} Œ±²µª¤±¬¦¤¨µ²ª¨ ¶¯¦²°³²¶¬·¨¶º¬·« º²²§¦¤± ¬¨³µ¨¶¶√¬µ·∏¨ ¥²·«²© º²²§¤±§±¤±²¬±²µª¤±¬¦¤¨µ²ª¨ ¶¯q • ²²§2≥¬’u
¤¨µ²ª¨¯±¤±²¦²°³²¶¬·¨¶º¨ µ¨ ©¤¥µ¬¦¤·¨§¥¼ ≥²¯2Š¨ ¯ °¨ ·«²§¤±§¶∏³¨µ¦µ¬·¬¦¤¯ §µ¼q≥¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯∏¶¨§¬±©∏±¦·¬²±²©º²²§°²§¬©¬¦¤·¬²±
º¤¶µ¨¶¨¤µ¦«¨§¬±·«¬¶³¤³¨µq˜¶¬±ª¶¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯º¨ µ¨ ©¤¥µ¬¦¤·¨§º¬·«·¨·µ¤¨·«²¬¼¶¬¯¤±¨ k×∞’≥l o ·¨«¤±²¯ k∞·’‹l oº¤·¨µ¤±§‹≤¯Π
‹ƒ ¤¦¬§¥¼ ¦²±·µ²¯ ¬¯±ª≥²¯2Š¨ ¯¦²±§¬·¬²± ¤±§¦²°³²±¨ ±·q׫µ¨¨®¬±§¶²©¶²¯∏·¬²±·«¨ °²¯¤µµ¤·¬²²©×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’Π‹≤¯Π‹ƒ ¬¶
ƒ˜t € t1ssΒtx1vxΒz1wxΒs1suΒs1st oƒ˜u € t1ssΒx1wvΒts1tsΒs1suΒs1sw oƒ˜v € t1ssΒx1wzΒx1zzΒs1suΒs1sy oº«¬¦«·«¨
¶¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯¦¤± ¥¨ ©¤¥µ¬¦¤·¨§¬±tus °¬±q·«¨ ¶¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯º¨ µ¨ ¤ª¬±ªt ∗ v §¬±p ut ε ¤±§·«¨ ±µ¬¶¨§µ²²°·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¬±tu «q
º¬·«²©¶∏³¨µ¦µ¬·¬¦¤¯ §µ¼·«¨ ≥¬’u ¤¨µ²ª¨¯ ±¤±²¦²°³²¶¬·¨¶º¨ µ¨ ©¤¥µ¬¦¤·¨§º«¬¦«∏¶¨§¬±©∏±¦·¬²± ²©º²²§°²§¬©¬¦¤·¬²±q
Κεψ ωορδσ} ≥²¯2Š¨ ¯ °¨ ·«²§~¶¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯~±¤±²¶·µ∏¦·∏µ¨ ~º²²§2≥¬’u¤¨µ²ª¨¯¦²°³²¶¬·¨¶~©∏±¦·¬²± ²©º²²§°²§¬©¬¦¤·¬²±
纳米科学技术自诞生以来所取得的成就以及对各个领域的影响和渗透一直引人注目 o如何应用纳米材
料对木材进行功能性改良 o赋予木材纳米材料的特性 o是木材科学工作者面临的一个新课题 ∀纳米科技在木
材科学中的应用可以促进木材科学与相关学科的交叉 !外延与综合 o使研究深度从细胞水平上升到分子水
平 ∀近年来有关木材与纳米材料研究已经得到木材科学界的高度关注并且取得了可喜的进展k李坚等 o
ussv ~邱坚等 oussv¤~ussv¥l ∀
气凝胶是一种以纳米量级超细微粒所聚集成的固态材料 o由多孔的小颗粒为固体基体 o其中渗透了空气
等不凝气体所构成 o具有连续的三维纳米网络结构 !比表面积大 !热导率低及声阻抗高等特点 ∀在适当条件
下制备得到的 ≥¬’u 气凝胶具有良好的透光度 o能阻止环境温度的热辐射 o气凝胶的杨氏模量为 tsy ‘#°pu数
量级 o比相应非孔性玻璃态材料低 w个数量级 o其纵向声传播速率可低达 ts °#¶pt o其声阻抗可高达 tsv ∗
tsz ®ª#°pu¶p t o随着密度的变化而变化 ~同玻璃态材料相比 o气凝胶由于密度低限制了稀疏骨架中链的局部
激发的传播 o使得固态热导率 Κ¶仅为非多孔玻璃态材料热导率的 tΠxss左右 o因此有最低的热导率在 s1stu
∗ s1st{ • #°pt®p t范围内 o试验测得 Θ€ { ®ª#°pv的 ≥¬’u 气凝胶介电常数 Ε为 t1ss{ o是目前介电常数最低
的块状固体材k陈龙武等 ot||zl ∀因此 o≥¬’u 气凝胶在保温 !隔音 !环保 !催化 !吸附和高性能电容等方面具有
广阔的应用前景 ∀
在实际应用方面 o由于气凝胶存在高度松脆性 !易碎性以及吸湿性等问题 o抑制了其商业前途 o目前世界
各国都在积极探索和扩大气凝胶的应用范围 o主要采用的方法是将少量有机聚合物均匀地嵌入易碎的无机
网络结构中 o制备性能更为优越气凝胶 ∀源于气凝胶特殊的纳米结构 o将气凝胶均匀地嵌入木材的细胞壁空
隙中 o可以有效地解决气凝胶在实际应用方面存在的一些缺陷 o同时也赋予木材新的功能 o使木材功能性改
良体现木材和纳米材料的双重优点 o形成性能优异的木材纳米复合材料 o具有十分诱人的应用前景k李坚等 o
ussx ~邱坚等 oussxl ∀当前 o木材 p无机质复合材的相关研究取得了令人可喜的成果k≠¤°¤ª∏¦«¬ot||w¤~
t||w¥~ ¬¼¤©∏­¬ετ αλqot||y ~t||z ~t||{l o但木材 p无机气凝胶复合材的研究尚未见相关报道 ∀
气凝胶的制备通常由溶胶 p凝胶和超临界干燥 u个过程构成 o即气凝胶纳米多孔结构首先由溶胶 p凝
胶过程在溶液中形成 o然后通过超临界干燥工艺获得 ∀木材 p ≥¬’u 气凝胶纳米复合材料制备经过溶胶 p凝
胶过程 o溶胶通过压力Π真空浸入木材中 o然后进行超临界干燥形成木材Π气凝胶纳米复合材 ∀制备工艺过程
如图 t所示 ∀本文着重介绍木材注入用 ≥¬’u 凝胶的制备 ∀
图 t 木材 p ≥¬’u 气凝胶纳米复合材制备工艺过程
ƒ¬ªqt ׫¨ ©¤¥µ¬¦¤·¬²± ³µ²¦¨¶¶²© º²²§2≥¬’u ¤¨µ²ª¨¯ ±¤±²¦²°³²¶¬·¨¶
t 材料与方法
111 化学试剂
正硅酸乙酯k×∞’≥ o分析纯 o密度 s1|vu ª#¦°pvl !无水乙醇k∞·’‹ o分析纯 o密度 s1z{| ª#¦°pvl !去离子水
及 ‹ƒΠ‹≤¯ 混合酸催化剂k‹ƒ o分析纯 vx1w h ~ ‹≤¯ o分析纯 vy1w h o均为质量分数l ∀
112 醇凝胶的制备
将正硅酸乙酯k×∞’≥l !无水乙醇k∞·’‹l !去离子水及酸催化剂按一定的摩尔比混合均匀 o配制 v种不同
固体含量的溶胶 ∀用磁力搅拌器搅拌 u ∗ v °¬±后 o将混合液倒入容器中密闭后置于室温下 o室温条件下醇
溶胶在酸催化剂作用下控制在一定的时间内形成醇凝胶体 o此时在外露的醇凝胶表面浇上一层冷的无水乙
醇以防止凝胶干燥开裂和置换凝胶中的水分 ∀
113 凝胶化时间的测量
在烧杯中按一定比例配成反应溶液 o用磁力搅拌器搅拌 x °¬±后 o在室温下kus ε l体系中的正硅酸乙酯
k×∞’≥l不断水解 !缩聚 o溶液的黏度不断增大 o最后形成不可流动的凝胶 o记录从混合溶液配制到烧杯倾斜
wxβ时液面不能流动所需的时间 o即为凝胶化时间 ∀
114 醇凝胶的陈化与超临界干燥
在超临界干燥之前须将 ≥¬’u 醇凝胶在一定工艺条件下陈化一段时间 o以完善网络结构 o记录从醇凝胶
在容器中固定到滑动所需的时间 o即为陈化时间 ∀醇凝胶陈化脱模后置于超临界 ≤’u 干燥设备中进行干
燥 o得到 ≥¬’u 气凝胶 ∀
115 ΣιΟ2 气凝胶表观体密度
通过水银体积仪测量超临界 ≤’u 干燥所得到的 ≥¬’u 气凝胶的体积和质量 o计算出其表观体密度 ∀
u 结果与分析
211 低密度醇凝胶的制备与形成过程
本研究采用二氧化硅的前躯体正硅酸乙酯k×∞’≥l加入一定量的乙醇作为共溶剂及酸作为水解催化剂 o
制备均相溶液 o以确保 ×∞’≥的水解反应在分子水平上进行 o均相溶液随之发生水解首先生成溶胶 o溶胶经
zst 第 tu期 李 坚等 }≥²¯2Š¨ ¯法制备木材功能性改良用 ≥¬’u 凝胶
进一步缩聚反应成为醇凝胶 o经陈化 !超临界干燥或常温常压干燥等环节 o制得气凝胶或干凝胶 ∀如图 u ∀
图 u 溶胶 p凝胶法的基本工艺
ƒ¬ªqu ׫¨ ¥¤¶¬¦³µ²¦¨¶¶²©≥²¯2Š¨ ¯ °¨ ·«²§
一般而言 o酸性条件有利于水解反应 o碱性条件则有利于缩聚反应 o水解缩聚反应共同决定了所制得的
≥¬’u 气凝胶的结构特性 ∀本研究采用 ‹≤¯Π‹ƒ混合催化剂 o×∞’≥的烷氧基在 ‹≤¯ Π‹ƒ作用下被逐步水解成
) ’‹ o) ’‹形成后 o∞·’‹溶质与溶剂产生水解 o反应式ktl
≥¬k’∞·lw n w‹u ’ ≥¬k’‹lξk’∞·lwp ξ n ξ∞·’‹ ∀ ktl
在合适的条件下发生缩聚反应 o生成 ≥¬k’‹lw o反应式kul
≥¬’•
’•
’• n w‹u ’
’•
≥¬w‹’
’‹
’‹ n w• ’‹ ∀
’‹
kul
缩聚反应在充分水解前即开始 o一般可将缩聚反应分为失水缩聚式kvl和失醇缩聚式kwl
失水缩聚 } ≥¬) ’∞·n ‹’ ) ≥¬ ≥¬ ’ ) ≥¬ n ∞·’‹ o kvl
失醇缩聚 } ≥¬) ’‹ n ‹’ ) ≥¬ ≥¬ ’ ) ≥¬ n ‹u ’ ∀ kwl
硅酸缩聚反应逐渐形成聚合物颗粒 o颗粒进一步交联组成三维网状结构 o聚集成几个钠米左右的粒子并
组成溶胶 o最终生成以硅氧键 ≥¬ ’ ) ≥¬ 为主体并具有空间网络结构的醇凝胶 ∀
这些聚合体还可能发生 ≥¬) ’‹键的重新分配 o活二聚体转变为多聚体kxl
k≥¬) ’lξ‹’
≤‹v
≤‹v
≥¬
≤‹v
≤‹v
’‹ n ν≥¬k’‹lw ’ ≥¬
’
’
’ k≥¬) ’lψ
≤‹v
≤ ‹v
≥¬
≤‹v
≤‹v
’‹ ∀ kxl
ψ  ξ
由于上述反应几乎是同时发生 o使得在最邻近尺度上的中心 ≥¬原子可以有 tx种不同的化学环境 o可见
硅醇盐缩聚后的状态是相当复杂的k郑昌琼等 oussvl ∀气凝胶的结构在溶胶形成过程中已初步形成 o溶胶 p
凝胶过程是获得具有一定空间网络结构醇凝胶的重要步骤之一 o后续工艺均与溶胶的性质直接相关 ∀因此 o
控制醇盐水解和缩聚的条件是制备高质量溶胶和凝胶的前提 ∀
针对用于木材功能性改良的 ≥¬’u 气凝胶 o在制备中应使 ≥¬’u 气凝胶具有低密度和高透明度 o有利于保
持木材强重比和木材的颜色 ∀反应体系中 ×∞’≥Π‹u ’的摩尔比决定了 ≥¬’u 气凝胶的密度 !透明度等性质 ∀
从反应方程式可知理论上 ×∞’≥Π‹u ’的摩尔比为 w o×∞’≥可以完全水解 ∀一般而言 o×∞’≥Π‹u ’的摩尔比值
低时k [ wl以醇的缩聚反应为主 o易形成线状或平面状的聚合物 o而 ×∞’≥Π‹u ’的摩尔比高可以促进水解 o阻
止醇缩聚 o易形成球状聚合物 ∀
根据以上分析和针对用于木材功能性改良的 ≥¬’u 气凝胶要求 o本试验通过大量试样对 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’
反应体系调配和后续条件控制 o可以获得密度不同 !孔径分布不同的 ≥¬’u 气凝胶 o表 t给出了不同 ×∞’≥Β
{st 林 业 科 学 wv卷
∞·’‹Β‹u ’摩尔比所配制的 v种不同固体含量的溶胶 ∀表中溶胶的理论固含量为正硅酸乙酯k×∞’≥l全部转
变成 ≥¬’u 与溶胶的质量比 ∀ ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’反应体系为放热反应 o表中为反应在室温下kus ε l进行时 o反
应物总摩尔分数为 t时的反应最高温度 ∀
表 1 3 种不同固体含量溶胶的主要参数
Ταβ .1 Τηε µαιν παραµετερσ οφ τηρεε σιλιχα σολσιν
διφφερεντ σολιδ χοντεντ χονδιτιονσ
ƒ˜t ƒ˜u ƒ˜v
×∞’≥Β∞·’‹Β‹u ’ t1ssΒtx1vxΒz1wx t1ssΒx1wvΒts1ts t1ssΒx1wzΒx1zz
理论固含量 ׫¨ ²µ¼ ¶²¯¬§¦²±·¨±·Πh x1y| |1wt ts1xz
反应最高温度 ׬³·²³·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε vx wt w|
醇凝胶颜色 ≤²¯²µ 蓝色 …¯ ∏¨ 蓝色 …¯ ∏¨ 蓝色 …¯ ∏¨
醇凝胶透明度 ×µ¤±¶³¤µ¨±¦¨ 块状透明 …¯¤¦®¶«¤³¨ o·µ¤±¶³¤µ¨±¦¨
块状透明 …¯¤¦®¶«¤³¨ o
·µ¤±¶³¤µ¨±¦¨
块状最透明 …¯¤¦®
¶«¤³¨ o©∏µ·«¨¶··µ¤±¶³¤µ¨±¦¨
≥¬’u 气凝胶密度 ⁄¨ ±¶¬·¼Πkª#¦°pvl s1s| s1tw s1tz
212 ΤΕΟΣΠΕτΟΗΠΗ2 ΟΠ
ΗΧλΠΗΦ反应体系用量对
凝胶化时间的影响
由于本研究的目的是
制备木材 p ≥¬’u 气凝胶复
合材 o溶胶必须通过真空Π
加压的工艺注入木材中 o
因此 o其中关键之一是对
溶胶 p 凝胶工艺进行改
进 o使其适合木材复合工
艺 o必须考虑一个合理的凝胶时间 o以便溶胶对木材浸注工艺的完成 ∀∞·’‹在反应体系为共溶剂 o不参与化
学反应 o起到使互不相溶的 ×∞’≥和 ‹u ’ 能在同中反应的作用 o但同时 ∞·’‹ 又是 ×∞’≥的水解产物 o大量
∞·’‹的存在会降低反应速率 o同时也起到稀释作用并影响到反应体系的固含量和最终 ≥¬’u 气凝胶的密度 !
结构及强度 ∀有研究表明k邓忠生等 ot|||l当以 ‹ƒ为催化剂时 o由于 ‹ƒ的特殊效应 o使得 ×∞’≥的水解 p
缩聚反应大大加快 o使得加入量对凝胶化时间的影响降低至可以忽略不计 ∀因此 o本研究中不同的 ×∞’≥Π
∞·’‹Π‹u ’比例对最终 ≥¬’u 气凝胶的交联度和网络结构产生影响 o对凝胶时间的影响可以忽略不计 ∀
本研究采用的 v种 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’体系中 o影响水解 p缩聚过程中水解反应和缩聚反应相对速率的主
要因素为反应物溶液中催化剂的种类和量 o从而决定 ≥¬’u 气凝胶的交联度和网络结构 ∀本文按表 t所确定
的 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’比例分别配制 t °²¯ 的 v种反应溶液 o参见表 u ov种溶胶中 ‹≤¯ 的用量均为 s1x °o‹ƒ的
用量对凝胶化时间的影响巨大 o凝胶时间甚至可缩短至几分钟 ∀
表 2 3 种不同固体含量溶胶的主要参数换算表
Ταβ .2 Τηε µαιν παραµετερ χονϖερσιον ταβλε οφ τηρεε
σιλιχα σολσιν διφφερεντ σολιδ χοντεντ χονδιτιονσ
ƒ˜t ƒ˜u ƒ˜v
×∞’≥Β∞·’‹Β‹u ’ t1ssΒtx1vxΒz1wx t1ssΒx1wvΒts1ts t1ssΒx1wzΒx1zz
×∞’≥体积份额 ×∞’≥ √²¯∏°¨ ∏´²·¬¨±·Π° tws1| zt1w |x1y
∞·’‹ 体积份额 ∞·’‹ √²¯∏°¨ ∏´²·¬¨±·Π° us1| ws1x vu1w
‹u ’体积份额 ‹u ’ √²¯∏°¨ ∏´²·¬¨±·Π° vw1{ xs1w yy1|
总理想总体积 ײ·¤¯ √²¯∏°¨ k¬§¨ ¤¯¬·¼lΠ° t|y1y tyv1v t|w1|
总实际总体积 ײ·¤¯ √²¯∏° k¨©¤¦·lΠ° t|u1t tx|1{ t|t1w
总摩尔份数 ײ·¤¯ ©µ¤¦·¬²±Π°²¯ Υt Υt Υt
从溶胶变成凝胶这个
过程在常温下可从从几分
钟至数月 o甚至可长达 t
年 o主要受酸催化剂的控
制 ∀考虑到木材浸注工
艺 o凝胶时间应大于 tus
°¬±∀具体研究了木材 p
≥¬’u 气凝胶复合材中 ≥¬’u
气凝胶的形成与酸催化剂
用量的关系如图 v所示 ∀
因此 ov 种溶胶 ƒ˜t !ƒ˜u
和 ƒ˜v的 ‹ƒ用量最终选择为 s1t !s1w !s1y °∀经换算 v种溶胶 ‹≤¯ 的摩尔比为 s1su o‹ƒ 在 ƒ˜t !ƒ˜u和
ƒ˜v的摩尔比分别为 s1st !s1sw和 s1sy ∀
213 凝胶的陈化处理
凝胶形成后并不等于溶胶 p凝胶过程己经完全结束 o已形成的凝胶体还将发生老化过程 o即所有导致凝
胶形成的缩聚反应还将继续进行 ∀最初的凝胶网络由胶体颗粒说组成 o如图 w¤所示 ~胶体颗粒之间相互融
合联为一体 o如图 w¥所示 ~进一步老化使网络变粗表面更趋光滑 o如图 w¦所示 ∀这些反应构成了所谓的老
化过程k沈军等 ot||wl ∀
在凝胶老化过程中 o凝胶体表面凹陷处和纤细网络之间 o凝胶网络表面的部分溶解与重新凝聚这个可逆
反应因网络表面不同曲率处溶解度不同而不可避免地发生 ∀凝聚优先发生于表面的凹陷处 o如图 x¤所示 ~
溶解优则先发生于网络表面的凸起处 o如图 x¥所示 ∀最终效果是使凝胶网络变粗变光滑 o总体比表面积下
|st 第 tu期 李 坚等 }≥²¯2Š¨ ¯法制备木材功能性改良用 ≥¬’u 凝胶
图 v ‹ƒ的用量对凝胶化时间的影响
ƒ¬ªqv ∞©©¨¦·²© ‹ƒ ²± ¶²¯¬§¬©¬¦¤·¬²±·¬°¨
降 o网络的孔径分布 !组成网络的胶体颗粒
半径的分布变窄 ∀
根据上述理论 o控制 ≥¬’u 醇凝胶陈化工
艺条件也是调节裁减最终 ≥¬’u 气凝胶的密
度 !结构及强度的重要手段 ∀因此 o陈化温
度和陈化时间是控制凝胶网络表面的部分
溶解与重新凝聚这个可逆反应的重要因子 o
成为控制网络的孔径分布和组成网络的胶
体颗粒半径分布的手段之一 ∀低温度陈化
有利于抑制溶解过程 o达到增强凝聚的作
用 o有利于控制凝胶的收缩率 ∀本研究采取
的醇凝胶陈化工艺温度是将醇凝胶放入低
温冰箱中冷却到 p ut ε o达到控制反应方程
式kxl的反应过程 ∀研究中发现凝胶在老化
过程中会产生收缩现象 op ut ε 条件可控制
图 w 硅凝胶的老化过程
ƒ¬ªqw ׫¨ ¤ª¬±ª³µ²¦¨¶¶²©¶¬¯¬¦¤ª¨ ¶¯
凝胶老化过程在一定收缩率范围内 o综合考
虑醇凝胶收缩至在容器中可以滑动利于脱
模 o陈化时间控制为 t ∗ v §o均可 o然后将其
取出自然升温至室温k约需 tu «l o在 uw «内
将此醇凝胶置于超临界干燥器中干燥 ∀
木材中的 ≥¬’u 水凝胶经陈化成为醇凝
胶 o在此过程中凝胶略有收缩 o强化和完善
了网络结构 o反应生成物是具有纳米多孔结
构的凝胶粒子 o所得到的醇凝胶在自然光下
为带有蓝色的透明块状固体 ∀干燥后按照
本文方法所制备的 ≥¬’u 气凝胶在自然光下为带有蓝色的透明块状固体 o如图 y所示 ∀这是由于其纳米结构
导致了强烈的瑞利散射 o有一定的强度 o但受压易碎 o而普通干燥条件下获得的干凝胶呈玻璃样碎块 o密度和
强度较大 ∀
图 x 溶胶 p凝胶中的凝聚 p溶解过程
ƒ¬ªqx „ªª¯²° µ¨¤·¨2§¬¶¶²¯√¨ ³µ²¦¨¶¶¬± ≥²¯2Š¨ ¯ 图 y ≥¬’u 气凝胶样品
ƒ¬ªqy ׫¨ ¶¤°³¯¨²©≥¬’u¤¨µ²ª¨ ¶¯
v 结论
通过对 ≥¬’u 气凝胶的溶胶 p凝胶过程的原理分析和试验研究 o确定应用于木材功能性改良的 ≥¬’u 凝胶
stt 林 业 科 学 wv卷
的制备工艺条件如下 }
tl 通过适当调节反应物 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’配比可以获得密度不同 o孔分布不同的 ≥¬’u 气凝胶 o所配制的
v种反应溶液的 ×∞’≥Π∞·’‹Π‹u ’比例分别为 ƒ˜t € t1ssΒtx1vxΒz1wx oƒ˜u € t1ssΒx1wvΒts1ts o ƒ˜v € t1ssΒ
x1wzΒx1zz ∀
ul 采用 ‹≤¯Π‹ƒ混合酸为水解催化剂 o控制 v种溶胶 ƒ˜t !ƒ˜u和 ƒ˜v的 ‹≤¯Π‹ƒ 摩尔比分别为 s1suΠ
s1st os1suΠs1sw和 s1suΠs1sy o可在 tus °¬±左右得到醇凝胶 ∀
vl 根据老化过程原理 o凝胶陈化工艺条件是将醇凝胶放入冰箱中冷却到 p ut ε o并在 p ut ε 条件下陈
化 t ∗ v §o然后将其取出自然升温至室温k约需 tu «l o在 uw «内必须置于超临界干燥器中进行干燥单元操
作 ∀
wl 通过超临界干燥工艺所制备的 ƒ˜t !ƒ˜u和 ƒ˜v三种 ≥¬’u 气凝胶在自然光下呈现出纳米结构导致的
强烈的瑞利散射 o为带有蓝色的透明块状固体 o密度分别为 s1s| !s1tw和 s1tz ª#¦°pv ∀
参 考 文 献
陈龙武 o甘礼华 qt||z1 气凝胶 q化学通报 ok{l }ut p uz
邓忠生 o王 珏 o沈 军 qt||| q‹ƒ催化快速制备 ≥¬’u 气凝胶 q无机材料学报 otwkwl }x{z p x|u
李 坚 o邱 坚 qussv1 纳米科技及其在木材科学中的应用前景k µl q东北林业大学学报 ovtkul }t p w
李 坚 o邱 坚 qussx1 硅气凝胶在木材 p纳米无机质复合材料中的应用 q东北林业大学学报 ovvkvl }t p u
邱 坚 o李 坚 qussv¤q纳米科技走进木材科学 q国际木业 oktl }ts p tt
邱 坚 o李 坚 qussv¥q纳米科技及其在木材科学中的应用前景k ´l q东北林业大学学报 ovtktl }t p x
邱 坚 o李 坚 qussx1 超临界制备木材 p ≥¬’u 气凝胶复合材料及其纳米结构 q东北林业大学学报 ovvkvl }v p w
沈 军 o王 玉 o吴 翔 qt||w1 气凝胶 ) ) ) 一种结构可控的新型功能材料 q材料科学与工程 otukvl }t p x
郑昌琼 o冉均国 qussv q新型无机材料 q北京 }科学出版社 otw p uu
¬¼¤©∏­¬‹ o≥¤®¤ ≥ qt||y q • ²²§2¬±²µª¤±¬¦¦²°³²¶¬·¨¶³µ¨³¤µ¨§ ¥¼ ·«¨ ≥²¯2Š¨ ¯ ³µ²¦¨¶¶ ∂ q ƒ¬µ¨2µ¨¶¬¶·¬±ª ³µ²³¨µ·¬¨¶²©·«¨ ≥¬’u2°u ’x2…u ’v º²²§2¬±²µª¤±¬¦
¦²°³²¶¬·¨¶q ²®∏½¤¬Š¤®®¤¬¶«¬owuktl }zw p {s
¬¼¤©∏­¬‹ o≥¤®¤≥ qt||z qƒ¬µ¨2µ¨¶¬¶·¬±ª³µ²³¨µ·¬¨¶¬± ¶¨√¨ µ¤¯ ׬’u º²²§2¬±²µª¤±¬¦¦²°³²¶¬·¨¶¤±§·«¨¬µ·²³²¦«¨ °¬¶·µ¼q • ²²§≥¦¬¨±¦¨ ¤±§× ¦¨«±²¯²ª¼okvtl }ww|
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k责任编辑 石红青l
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