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苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响

马苏 甄晋 汪珈羽 张德荣 于志明 唐睿琳 张扬

马苏, 甄晋, 汪珈羽, 张德荣, 于志明, 唐睿琳, 张扬. 苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
引用本文: 马苏, 甄晋, 汪珈羽, 张德荣, 于志明, 唐睿琳, 张扬. 苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
Ma Su, Zhen Jin, Wang Jiayu, Zhang Derong, Yu Zhiming, Tang Ruilin, Zhang Yang. Effects of styrene-acrylic emulsion doping on the properties of geopolymer wood adhesives[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
Citation: Ma Su, Zhen Jin, Wang Jiayu, Zhang Derong, Yu Zhiming, Tang Ruilin, Zhang Yang. Effects of styrene-acrylic emulsion doping on the properties of geopolymer wood adhesives[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019

苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
基金项目: 国家级大学生创新创业项目(20180022052),国家自然科学基金(31800485),北京市优秀人才培养项目(2017000020124G092)
详细信息
    作者简介:

    马苏。主要研究方向:木质复合材料。Email:707595057@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    张扬,博士,教授。主要研究方向:木质复合材料。Email:bjfuzhangyang@bjfu.edu.cn  地址:同上

Effects of styrene-acrylic emulsion doping on the properties of geopolymer wood adhesives

  • 摘要:   目的  地质聚合物因兼顾合成有机胶黏剂的高强度与无机胶黏剂的耐候性等特点,在人造板木材胶黏剂中具有巨大的应用潜力,但无机网络的高脆性与低界面相容性限制了其与木材的胶接强度。本研究以提高地质聚合物的基体韧性及其与木材的剪切性能为目的,采用地质聚合物为原料制备木材胶黏剂,探索地质聚合物在木材胶黏剂领域应用的可能性,旨在从原料角度解决人造板产品甲醛释放的危害。  方法  采用苯丙乳液(苯乙烯−丙烯酸酯)作为有机掺杂物,以偏高岭土(MK)为地质聚合物原料,以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)为偶联剂,经碱激发、有机掺杂和养护成型制备有机掺杂地质聚合物木材胶黏剂,通过调节苯丙乳液含量和养护工艺,研究其对地质聚合物基体性能及其与木材剪切性能的影响。  结果  相比于纯地质聚合物,苯丙乳液会降低地质聚合物基体的抗压与抗折强度,使压折比降低至6.09,剪切强度升高至2.6 MPa,接触角降低了4.1%,增加基体表面微孔尺寸与裂缝数量;添加KH-550后,基体抗压与抗折强度仍有所降低,但其明显改善了胶黏剂性能,压折比降低为5.96,剪切强度升高至3.6 MPa,接触角降低了25.7%,基体表面微孔尺寸变小,裂缝减少,结构更紧密。硅烷在基体中起偶联作用,使苯丙乳液与地质聚合物产生化学连接。  结论  苯丙乳液有机掺杂与硅烷偶联协同作用,在偏高岭土基地质聚合物中形成韧性膜,虽然降低了偏高岭土基地质聚合物基体强度,但能较好地改善其脆性,达到增韧效果,并且能够提高地质聚合物与木材的界面相容性,从而增强地质聚合物木材胶黏剂的剪切强度。
  • 图  1  苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响

    Figure  1.  Effects of styrene-acrylic emulsion addition on the compressive strength and flexural strength of geopolymers

    图  2  1% KH-550与苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响

    Figure  2.  Effects of 1% KH-550 and styrene-acrylic emulsion doping addition on the compressive strength and flexural strength of geopolymers

    图  3  苯丙乳液与1% KH-550掺杂对地质聚合物压折比的影响

    Figure  3.  Effects of styrene-acrylic emulsion content and 1% KH-550 doping addition on the compressive-flexure ratio of geopolymers

    图  4  不同有机掺杂量胶黏剂对胶合木剪切强度的影响

    Figure  4.  Effects of different organic doping adhesives onshear strength of glued wood

    图  5  涂抹不同有机掺杂胶黏剂的剪切后试件

    Figure  5.  Sheared specimens using adhesives with different organic dopants

    图  6  苯丙乳液掺杂量对偏高岭土微观结构的影响(放大倍数为500)

    Figure  6.  Effects of styrene-acrylic emulsion addition on the microstructure of metakaolin (magnification of 500)

    图  7  苯丙乳液(6%或4%)和1% KH-550掺杂量地质聚合物微观结构及其苯丙乳液分布

    Figure  7.  Microstructure and styrene-acrylic emulsion distribution of geopolymer with 6% or 4%styrene-acrylic emulsion and 1% KH-550 addition

    图  8  地质聚合物微孔中的韧性薄膜

    Figure  8.  Ductile film in geopolymer micropores

    图  9  偏高岭土基地质聚合物基体改性前后的红外光谱图

    Figure  9.  Infrared spectra before and after modification of metakaolin geopolymer matrix

    图  10  改性前后地质聚合物在木材表面的初始接触角变化

    Figure  10.  Initial contact angle changes of geopolymer on wood surface before and after modification

    表  1  偏高岭土的化学组分表

    Table  1.   Chemical composite of metakaolin

    化合物 CompoundSiO2Al2O3CTiO2P2O5Fe2O3NCaOK2O
    质量分数 Mass fraction 48.27% 45.73% 2.56% 1.36% 0.50% 0.48% 0.38% 0.16% 0.14%
    注:本数据由X射线荧光光谱法分析所得。Note: the data are analyzed by X-ray fluorescence spectrometry.
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    表  2  木破率和剪切强度之间的对应关系

    Table  2.   Correspondence between wood breaking rate and shear strength

    项目
    Item
    剪切强度
    Shear strength/MPa
    最小木破率
    Minimum wood breaking rate/%
    平均 Average 6 90
    8 70
    ≥ 11 45
    单值 Monodromy ≥ 4,< 6 100
    6 75
    ≥ 10 20
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-10
  • 修回日期:  2020-06-19
  • 网络出版日期:  2020-07-04
  • 刊出日期:  2020-07-25

苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
    基金项目:  国家级大学生创新创业项目(20180022052),国家自然科学基金(31800485),北京市优秀人才培养项目(2017000020124G092)
    作者简介:

    马苏。主要研究方向:木质复合材料。Email:707595057@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 张扬,博士,教授。主要研究方向:木质复合材料。Email:bjfuzhangyang@bjfu.edu.cn  地址:同上

摘要:   目的  地质聚合物因兼顾合成有机胶黏剂的高强度与无机胶黏剂的耐候性等特点,在人造板木材胶黏剂中具有巨大的应用潜力,但无机网络的高脆性与低界面相容性限制了其与木材的胶接强度。本研究以提高地质聚合物的基体韧性及其与木材的剪切性能为目的,采用地质聚合物为原料制备木材胶黏剂,探索地质聚合物在木材胶黏剂领域应用的可能性,旨在从原料角度解决人造板产品甲醛释放的危害。  方法  采用苯丙乳液(苯乙烯−丙烯酸酯)作为有机掺杂物,以偏高岭土(MK)为地质聚合物原料,以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)为偶联剂,经碱激发、有机掺杂和养护成型制备有机掺杂地质聚合物木材胶黏剂,通过调节苯丙乳液含量和养护工艺,研究其对地质聚合物基体性能及其与木材剪切性能的影响。  结果  相比于纯地质聚合物,苯丙乳液会降低地质聚合物基体的抗压与抗折强度,使压折比降低至6.09,剪切强度升高至2.6 MPa,接触角降低了4.1%,增加基体表面微孔尺寸与裂缝数量;添加KH-550后,基体抗压与抗折强度仍有所降低,但其明显改善了胶黏剂性能,压折比降低为5.96,剪切强度升高至3.6 MPa,接触角降低了25.7%,基体表面微孔尺寸变小,裂缝减少,结构更紧密。硅烷在基体中起偶联作用,使苯丙乳液与地质聚合物产生化学连接。  结论  苯丙乳液有机掺杂与硅烷偶联协同作用,在偏高岭土基地质聚合物中形成韧性膜,虽然降低了偏高岭土基地质聚合物基体强度,但能较好地改善其脆性,达到增韧效果,并且能够提高地质聚合物与木材的界面相容性,从而增强地质聚合物木材胶黏剂的剪切强度。

English Abstract

马苏, 甄晋, 汪珈羽, 张德荣, 于志明, 唐睿琳, 张扬. 苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
引用本文: 马苏, 甄晋, 汪珈羽, 张德荣, 于志明, 唐睿琳, 张扬. 苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
Ma Su, Zhen Jin, Wang Jiayu, Zhang Derong, Yu Zhiming, Tang Ruilin, Zhang Yang. Effects of styrene-acrylic emulsion doping on the properties of geopolymer wood adhesives[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
Citation: Ma Su, Zhen Jin, Wang Jiayu, Zhang Derong, Yu Zhiming, Tang Ruilin, Zhang Yang. Effects of styrene-acrylic emulsion doping on the properties of geopolymer wood adhesives[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
  • 普通硅酸盐水泥、氯氧镁水泥和硅酸盐胶黏剂等由于具有环境友好、性能优良、无甲醛释放和不燃烧等优点,被用作常见的人造板无机胶粘剂,在倡导绿色、环保和可持续的人造板产业中潜能巨大[1-2]。然而,普通硅酸盐水泥在生产过程中会产生细小粉尘和大量CO2,氯氧镁水泥人造板在实际生产中耐水性较差,硅酸盐无机人造板胶合强度较低,在一定程度上限制了无机胶在人造板中的应用[3-4]

    地质聚合物是通过对高岭土、粉煤灰和矿渣等工业固废进行碱激发后制成的以-Si-O-Al-O-为基本结构单元的三维空间网络结构类水泥物质,具有原料成本低、生产能耗少、耐候性优良和胶接性能较好等优点。北京林业大学和德国汉堡大学的研究团队采用地质聚合物作为木材胶黏剂,发现地质聚合物与木材的胶接强度低于脲醛树脂,通过添加适量硅粉或木粉可进一步提高地质聚合物的胶接性能[5-8]。地质聚合物无机网络结构的高脆性和低界面相容性是限制其高性能胶接木材的主要原因,但目前较少有同时实现地质聚合物增韧和增容的报道和方法[9-14]。苯丙乳液(苯乙烯−丙烯酸酯)具有良好的增韧性和与木材界面相容性,可以作为有机添加剂改善地质聚合物与木材的胶接性能。李相国等[15]的研究表明:苯丙乳液可降低偏高岭土的压折比,掺量为3%时,压折比低至5.9;掺量在6%时,偏高岭土与水泥基体的胶接强度达0.63 MPa;苯丙乳液可实现粉煤灰增韧效果,使其抗压强度提高了62%,抗折强度提高了115%[16-17]。苯丙乳液增韧偏高岭土基地质聚合物的研究较少,而且关于苯丙乳液对地质聚合物与木材剪切性能影响的研究也很少。

    为了使苯丙乳液与地质聚合物实现有机无机优势互补,实现提高地质聚合物韧性与剪切性能的目标,本研究以苯丙乳液为有机掺杂物,以偏高岭土(metakaolin, MK)为地质聚合物原料,以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)为偶联剂,经碱激发、有机掺杂和养护成型制备有机掺杂地质聚合物木材胶黏剂,重点通过调节苯丙乳液含量和养护工艺,研究其对地质聚合物结构性能及其与木材剪切性能的影响,制备出性能优异的地质聚合物木材胶黏剂。

    • 偏高岭土购于上海昊弗化工有限公司,粒径为6 000目,化学组分由表1所示。杨木(Populus spp.)木块购于石家庄利金型材料销售有限公司,气干状态,尺寸为55 mm × 50 mm × 20 mm,选取径切面光滑、纹路清晰、无明显缺陷的木块待用。碱激发液使用的分析纯氢氧化钠购于北京化工厂,工业级纯的硅酸钠(Na2SiO3·mH2O)购于无锡市亚太联合化工有限公司,模数为2.3。分析纯γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550),化学式为NH2CH2CH2CH2Si(OC2H53,购于南京创世化工助剂有限公司。有机掺杂物苯丙乳液(苯乙烯−丙烯酸酯乳液)购于山东优索化工科技有限公司,型号为BS-104,固体含量为58%。

      表 1  偏高岭土的化学组分表

      Table 1.  Chemical composite of metakaolin

      化合物 CompoundSiO2Al2O3CTiO2P2O5Fe2O3NCaOK2O
      质量分数 Mass fraction 48.27% 45.73% 2.56% 1.36% 0.50% 0.48% 0.38% 0.16% 0.14%
      注:本数据由X射线荧光光谱法分析所得。Note: the data are analyzed by X-ray fluorescence spectrometry.
    • 使用现配的11.7 mol/L氢氧化钠将模数为2.3的硅酸钠调节至1.3,充分搅拌后静置,得到碱激发剂。将偏高岭土与碱激发剂按照5∶7比例混合倒入搅拌釜中,以KH-550质量分数为变量分成两组,一组缓慢添加掺杂量为0、2%、4%、6%、8%的苯丙乳液,另一组添加掺杂量为0、2%、4%、6%、8%的苯丙乳液和1%的KH-550偶联剂,共制备成10种不同掺杂量的胶黏剂。分别用高速搅拌机先慢速再快速搅拌至均匀,制备得偏高岭土基地质聚合物木材胶黏剂。

    • 地质聚合物基体试件制备:将1.2.1中的10种地质聚合物胶黏剂分别倒入抗压模具与抗折模具中,抚平基体表面,置于震动台,震动1 min以排除基体内部气泡,常温养护7 d。抗压强度试件重复样6个,试件尺寸为16 mm × 16 mm × 16 mm;抗折强度试件重复样5个,试件尺寸为160 mm × 40 mm × 40 mm。

      参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》标准,用万能实验机测定地质聚合物基体的抗压性能与抗折性能。基体受压面积为16 mm × 16 mm,受折截面面积为40 mm × 40 mm。测试过程中单调位移加载,加载速率为5 mm/min。

    • 地质聚合物胶合木试件制备:将1.2.1中的10组胶黏剂分别以400 g/m2的施胶量顺纹均匀涂抹于杨木块表面,涂抹面积为50 mm × 50 mm,使木块顺纹胶合,用夹具夹紧,养护7 d。剪切强度试件共10组,每组重复样5个,试件尺寸为55 mm × 50 mm × 5 mm。

      参照GB/T26899—2011《结构用集成材》标准,用万能实验机测定地质聚合物与木材的胶接性能。胶接面积为50 mm × 50 mm,试件的剪切面与载荷平行,载荷加载速度为5 mm/min。当试件剪切面相互分离时终止实验。实验过程中由电脑自动读取记录试件的荷载−位移曲线。

    • 分别在抗折实验后的试件截面上切削下形状约为2 mm × 2 mm的电镜试样,在剪切实验后的胶接截面切削下5 mm × 2 mm × 1 mm的试样,高温干燥6 h,采用原位超高分辨场发射扫描电子显微镜及其能谱仪(SEM-EDS)进行观察检测。

      取能够通过200目筛网的改性前后的地质聚合物粉末高温干燥6 h,并与绝干KBr均匀混合后压片,进行红外检测,采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)进行检测。

    • 参照HG/T4590—2014《塔填料表面润湿性能测定方法》标准,以改性前后的地质聚合物胶黏剂为测试液体,2 mL为测试体积,现配现测,利用光学接触角测量仪测量胶黏剂在气干杨木块径切面初始接触角的变化。

    • 图1为苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响。由图1可得:随着苯丙乳液掺杂量的增加,地质聚合物基体的抗压强度从48.43 MPa逐渐降至37.87 MPa,抗折强度从6.89 MPa降至5.61 MPa,两者呈现明显下降趋势。图2为1% KH-550与苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响。由图2可得:添加1% KH-550后,随着苯丙乳液掺杂量的增加,地质聚合物基体的抗压强度先小幅度上涨至峰值48.68 MPa,再逐渐降低,抗折强度平稳地从4.08 MPa增长至5.81 MPa。

      图  1  苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响

      Figure 1.  Effects of styrene-acrylic emulsion addition on the compressive strength and flexural strength of geopolymers

      图  2  1% KH-550与苯丙乳液掺杂量对地质聚合物抗压强度与抗折强度的影响

      Figure 2.  Effects of 1% KH-550 and styrene-acrylic emulsion doping addition on the compressive strength and flexural strength of geopolymers

      结合图1图2,在抗压强度方面,KH-550添加地质聚合物的峰值持平于纯地质聚合物基体抗压值;在抗折强度方面,KH-550添加地质聚合物的数值远低于纯地质聚合物。苯丙乳液掺杂和KH-550添加都未能明显提高基体的抗压/抗折性能。

      由基体抗压强度曲线与抗折强度曲线获得苯丙乳液与硅烷改性地质聚合物的压折比曲线,如图3。压折比是抗压强度与抗折强度的比值,常应用于水泥基建筑材料领域,是反映地质聚合物柔韧性的物理量,数值越低代表基体柔韧性越好[18-20]。由图3可得:不含KH-550的偏高岭土基地质聚合物的压折比呈现先减少后增加的趋势,当掺杂量在6%时,地质聚合物基体柔韧性较好;含KH-550的偏高岭土基地质聚合物的压折比随着苯丙乳液掺杂量的增加呈现先减少后增加再减少的趋势,当掺杂量在8%时,地质聚合物柔韧性较好。

      图  3  苯丙乳液与1% KH-550掺杂对地质聚合物压折比的影响

      Figure 3.  Effects of styrene-acrylic emulsion content and 1% KH-550 doping addition on the compressive-flexure ratio of geopolymers

    • 图4为不同有机掺杂量胶黏剂对胶合木剪切强度的影响。由图4可以明显看出:在纯地质聚合物、含1% KH-550地质聚合物两种情况下,随着苯丙乳液掺杂量的增加,地质聚合物与木材的剪切强度出现先上升至峰值后下降的趋势,在苯丙乳液掺杂量为6%时达到峰值3.6 MPa。综合两组曲线趋势可知:含1% KH-550地质聚合物的胶合木剪切强度大于纯地质聚合物。苯丙乳液的添加有利于提高地质聚合物与木材之间的剪切强度,而基体内KH-550偶联剂的添加会促进剪切性能的提高。

      图  4  不同有机掺杂量胶黏剂对胶合木剪切强度的影响

      Figure 4.  Effects of different organic doping adhesives onshear strength of glued wood

      参照GB/T26899—2011《结构用集成材》标准,集成材剪切强度和木破率应符合表2要求。所有胶层的平均剪切强度要求至少达到6.0 MPa,对于针叶材、杨木等密度为0.5 g/cm3或密度更小的阔叶材,如果木破率为100%,横截面上所有胶层的剪切强度应不小于4.0 MPa[21]。木破率是通过目测方法估计试件剪切破坏面上木材纤维被胶黏剂粘连或撕裂下来的部分占试件受剪切面积的百分数。由图5计算可得:本实验平均木破率低于20%。由图4可知:最高剪切强度为3.6 MPa。虽本实验所得剪切强度未达标准,但考虑到以偏高岭土基地质聚合物作为木材胶黏剂的创新性,本实验结果比纯低聚物有明显提升并且近乎达到集成材要求的最低剪切强度,为该设想提供了可能性。若进行一定高温处理,加长养护时间,有希望达到胶黏剂标准要求。

      表 2  木破率和剪切强度之间的对应关系

      Table 2.  Correspondence between wood breaking rate and shear strength

      项目
      Item
      剪切强度
      Shear strength/MPa
      最小木破率
      Minimum wood breaking rate/%
      平均 Average 6 90
      8 70
      ≥ 11 45
      单值 Monodromy ≥ 4,< 6 100
      6 75
      ≥ 10 20

      图  5  涂抹不同有机掺杂胶黏剂的剪切后试件

      Figure 5.  Sheared specimens using adhesives with different organic dopants

    • 图6为苯丙乳液改性前后胶黏剂基体表面的扫描电镜图。由图6可得:未掺杂有机物的地质聚合物断面平整且较为光滑,裂纹少,表面断裂为脆性断裂;随着苯丙乳液掺杂量的添加,地质聚合物表面变粗糙,出现较为明显的裂缝与微孔。原因在于缩聚过程中,苯丙乳液与偏高岭土的收缩率不同,导致基体空隙变大。偏高岭土基地质聚合物受压时应力不均,集中于微孔边缘,解释了其抗压和抗折强度降低的原因。基体裂纹增加,在不断的弯曲荷载作用下,裂纹会延长生长,碰到微孔,形成二级裂纹[22],减缓裂纹进一步扩展,从而起到增韧效果。

      图  6  苯丙乳液掺杂量对偏高岭土微观结构的影响(放大倍数为500)

      Figure 6.  Effects of styrene-acrylic emulsion addition on the microstructure of metakaolin (magnification of 500)

      图7为KH-550添加后不同苯丙乳液掺杂量胶黏剂基体表面的扫描电镜图及苯丙乳液分布图。图8为胶黏剂基体空隙中苯丙乳液薄膜的扫描电镜图及苯丙乳液分布图。从图7a7b可以看出:添加KH-550后,基体表面裂纹减少,微孔数目增多,直径变小,结构更致密[23-24]。这是因为KH-550中的亲水官能团与苯丙乳液偶联,疏水官能团与偏高岭土偶联,加强两者结合,也解释了图2中KH-550添加后基体抗压强度提高的现象。图7c7d图8表明:一定掺杂量的苯丙乳液在地质聚合物的微孔中形成了具有较高黏结性的韧性薄膜,实现了基体应变的内部调节,从而改善了地质聚合物的脆性,提高了柔韧性,解释了图3中其压折比的降低。

      图  7  苯丙乳液(6%或4%)和1% KH-550掺杂量地质聚合物微观结构及其苯丙乳液分布

      Figure 7.  Microstructure and styrene-acrylic emulsion distribution of geopolymer with 6% or 4%styrene-acrylic emulsion and 1% KH-550 addition

      图  8  地质聚合物微孔中的韧性薄膜

      Figure 8.  Ductile film in geopolymer micropores

    • 图9a为苯丙乳液改性后偏高岭土的红外吸收光谱。已有相关研究者对偏高岭土基地质聚合物的红外光谱图进行了分析归纳[25]。1 023 cm− 1处峰源于Si-O-T(T为Si/Al)非对称伸缩振动,710 cm− 1处峰来自4配位Al-O弯曲振动,580 cm− 1处峰来自AlO4四面体(图9a)。除去两者官能团叠合,苯丙乳液添加后1 023 cm− 1处峰稍稍增强,表明Si-O-T键增多;580 cm− 1处峰减弱,AlO4四面体减少。

      图  9  偏高岭土基地质聚合物基体改性前后的红外光谱图

      Figure 9.  Infrared spectra before and after modification of metakaolin geopolymer matrix

      图9b为苯丙乳液和硅烷协同改性后偏高岭土的红外吸收光谱。图9b中,1 730 cm− 1处是碳氧双键(C=O)特征峰,1 495 cm− 1处是氨基(-NH2)特征峰,760与700 cm− 1处是苯环及其一位取代的特征峰。相比较于苯丙乳液单混偏高岭土基地质聚合物的红外吸收光谱,KH-550掺杂后,其1 730 cm− 1处峰明显减弱;其1 495、760和700 cm− 1处峰明显减弱,表明苯丙乳液中可能存在的碳氧双键(C=O)与一位取代减少,可能与KH-550中的-NH2发生取代或加成反应;1 390 cm− 1处硅烷特征峰消失,980 cm− 1处的峰轻微增强,Si-O-T键增多,原因可能是KH-550中的Si-O-C2H5水解成Si-O-H并与偏高岭土水解后的-Si-O-H反应,形成更多的Si-O-Si。

      硅烷通过架桥偶联作用[26],实现苯丙乳液与地质聚合物连接,使得地质聚合物的内聚强度提高,从而提高剪切强度。地质聚合物表面存在部分未反应的硅烷偶联木材纤维素,使得木材表面游离−OH减少,也在一定程度上增强剪切性能[27]

      结合对偏高岭土基地质聚合物力学性质的研究,KH-550的添加促进了苯丙乳液和地质聚合物结合,使得Si-O-T(T为Si/Al)键增多,分子链延长,使材料紧密结合,这是偏高岭土基地质聚合物改性后韧性增强的重要原因[24, 28-29]

    • 图10可以看出:苯丙乳液掺杂使得地质聚合物在木材表面的接触角从98.9°降至91.3°;在此基础上,KH-550的添加使此接触角由91.3°降至78.2°。两者共同改性纯地质聚合物,使接触角降低了20.93%,显著提高了地质聚合物胶黏剂在木材表面的润湿性,利于其在胶接表面铺展成膜[30],提高了地质聚合物胶黏剂与木材的界面相容性,促进胶黏剂均匀渗透入木材内部形成机械结合,在一定程度上解释了图4中剪切强度的增强。

      图  10  改性前后地质聚合物在木材表面的初始接触角变化

      Figure 10.  Initial contact angle changes of geopolymer on wood surface before and after modification

    • 采用偏高岭土为原料,硅酸钠为碱激发液,苯丙乳液为有机掺杂物,KH-550为偶联剂,制备苯丙乳液掺杂地质聚合物胶黏剂,并对改性处理前后的地质聚合物基体和胶接木材试件分别进行抗压强度、抗折强、剪切强度、FTIR、SEM-EDS和接触角测试,得出以下结论:

      (1)苯丙乳液的掺杂,使得基体表面的裂纹与孔隙增加,降低了基体的抗压强度、抗折强度和压折比;在一定范围内形成柔性薄膜,增加基体韧性,改善地质聚合物胶黏剂在木材表面的润湿性,提高地质聚合物与木材的剪切强度。当掺杂量为6%苯丙乳液时,剪切强度可达到2.6 MPa,相比于未掺杂苯丙乳液的地质聚合物提高了73%。

      (2)硅烷偶联剂(KH-550)的添加,使得苯丙乳液与地质聚合物产生化学结合,基体结构更为致密,从而提高基体的强度;能改善地质聚合物胶黏剂对木材的润湿性,促进胶黏剂在木材中的渗透作用,当掺杂量为6%苯丙乳液和1% KH-550时,剪切强度可达到3.6 MPa,相比于未掺杂苯丙乳液与硅烷的地质聚合物提高了140%。

      (3)在本研究条件下,即使地质聚合物基体抗压强度与抗折强度明显下降,苯丙乳液和硅烷偶联剂的协同作用仍使地质聚合物内聚强度得到提高,且与木材的界面相容性得到改善,从而显著提高了胶层胶接强度。由此证明地质聚合物基体强度与胶接性能无必然联系。

参考文献 (30)

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