金属络合物改性木材的制备及其表征

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以速生林北京杨(Populus beijingensis)为试材,硫酸铜为金属盐,乙二胺四乙酸二纳和酒石酸钾钠为双络合剂,次亚磷酸钠为还原剂,硫酸镍为催化剂,氢氧化钠为pH调节剂,利用真空浸渍法和基于活立木蒸腾作用的点滴注射法将前驱体溶液导入试材内部,制备新型的金属络合物改性木材,赋予实体木材导电性能。测量不同工艺条件下金属络合物改性木材的导电性能,确定最佳工艺,且通过X-射线衍射仪(XRD)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和光电子能谱仪(EDX)对金属络合物改性木材的结构形貌进行表征。结果表明如下:1.利用真空浸渍法制备金属络合物改性木材实验中,木材增重率随着浸渍循环次数的增加而增重,体积电阻率随木材增重率的增重而趋于平缓,导电性能逐渐升高而后趋于平缓。当浸渍循环次数为5次,木材增重率达到81.6%,体积电阻率为2.449×103Ω·cm,导电性能最好。随着真空浸渍温度的升高,金属络合物改性木材的体积电阻率逐渐降低,导电性能升高;当真空浸渍温度为60℃时,金属络合物改性木材的体积电阻率达到2.309×103Ω·cm,导电性能最好。当真空浸渍温度高于60℃时,随着浸渍温度的升高,体积电阻率逐渐升高,导电性能降低。随着硫酸铜浓度的升高,金属络合物改性木材的体积电阻率降低,导电性能升高,当硫酸铜浓度为50g/L时,金属络合物改性木材的体积电阻率达到2.229×103Ω·cm,而后随着硫酸铜浓度的再增加,体积电阻率趋于平缓。当真空浸渍温度为60℃,浸渍循环次数为5次,硫酸铜浓度为50g/L时,金属络合物改性木材的体积电阻率最低可达到3.023×103Ω·cm,导电性能最好。2.利用活立木蒸腾作用点滴注射法制备金属络合物改性木材中,随着活立木树段截取高度的上升,金属络合物改性木材的体积电阻率先降低后升高,导电性能先升高后降低。在截取的第二段试材中,体积电阻率达到4.33×106Ω·cm,导电性能最好。试材的体积电阻率随着硫酸铜浓度的增加而降低,当硫酸铜浓度为50g/L时,在截取的第二段试材中,金属络合物改性木材的体积电阻率最低可达到4.33× 106Ω·cm,在活立木试材中导电性能最好。3.通过SEM、EDX、XRD和FTIR等表征手段表征通过真空浸渍法和点滴注射法制备的金属络合物改性木材。结果发现,金属络合物在木材内部自催化还原成金属铜,基本元素C和O摩尔质量分数降低,被导入进去的金属铜和微量金属镍所替代,一部分金属粒子自成微团,一部分金属粒子与木材内部官能团如-OH、-C=O、-C-O等官能团发生化学结合。利用真空浸渍法制备的金属络合物改性木材的导电机理,由于金属粒子在木材内部形成一层致密的金属层,金属粒子之间相互搭接,形成一个连续的网络结构,再结合高分子导电复合材料的三种导电机理,通过分析可知,主要由导电通路理论解释,但同时也存在场致发射理论和隧道效应理论。利用活立木蒸腾作用点滴注射法制备的金属络合物改性木材的导电机理,由于金属粒子含量低,通过外加电场,导电机理主要由隧道效应理论和场致发射理论解释。
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