木質(zhì)素-RF有機(jī)氣凝膠的制備及其性能研究.pdf

1、有機(jī)氣凝膠具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，它的高比表面積、納米級孔隙、納米級骨架碳微粒以及非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)形態(tài)等特性，有利于增強(qiáng)凝膠的表面吸附能力。氣凝膠是通過多官能團(tuán)的酚類化合物和甲醛在堿性催化劑作用下，經(jīng)過溶膠一凝膠、酸洗老化、溶劑交換、超臨界干燥過程制備而成。氣凝膠在力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值，然而盡管其潛在用途廣泛，但由于制造成本高，合成周期長，導(dǎo)致氣凝膠的商業(yè)化推廣大受限制。針對這些問題，本文主要探討了以廉價(jià)酶解木

2、質(zhì)素、間苯二酚酚類混合物制備天然高分子基有機(jī)氣凝膠的研究工作。
　　 本文以酶解木質(zhì)素、間苯二酚和甲醛作為前軀體，以NaOH作為催化劑，利用溶膠一凝膠的方法制備具有納米多孔結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素基RF有機(jī)氣凝膠，并對其微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。內(nèi)容包括氣凝膠的制備過程、制備條件的選擇和微觀結(jié)構(gòu)的表征，為了進(jìn)一步降低凝膠時間，在試驗(yàn)中引入超聲波處理。研究反應(yīng)物的濃度、催化劑比例以及木質(zhì)素的含量對凝膠密度、干縮率以及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。利用比表面

3、和孔徑分布分析儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、熱分析天平(TG)、紅外光譜(Fr-IR)等表征手段，研究了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及化學(xué)成分。論文主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)用溶膠-凝膠法制備木質(zhì)素基RF有機(jī)氣凝膠時，在凝膠溫度一定的情況下，反應(yīng)物濃度、木質(zhì)素的含量的提高都會使凝膠時間的延長，催化劑濃度的提高會使得凝膠時間縮短。實(shí)驗(yàn)中得出此法制備凝膠的最低理論濃度為5％，低于此

4、濃度凝膠化需要很長時間甚至不發(fā)生凝膠化現(xiàn)象。木質(zhì)素添加的最高比例為70%，木質(zhì)素過量會導(dǎo)致反應(yīng)體系不能形成凝膠，催化劑比例(LR/C)最高為200，催化劑濃度過低會使得凝膠過程中凝膠粒子成核和生長困難，因此凝膠時間過長，甚至不能凝膠。總體來說，當(dāng)木質(zhì)素最大添加量(L%)為50%，催化劑比例(LR/C)為75，反應(yīng)物濃度為15%時，得到的凝膠性能最優(yōu)。凝膠的密度與體積干燥收縮率主要受反應(yīng)物的濃度、催化劑的比例以及木質(zhì)素含量的影響。得到的木

5、質(zhì)素基RF氣凝膠的密度范圍為(0.244g/cm3-0.728g/cm3)，凝膠的干燥收縮率范圍從(19.1%-63.6%)。
　　 (2)對有機(jī)氣凝膠進(jìn)行比表面積和孔徑分析研究結(jié)果表明，當(dāng)木質(zhì)素含量較高時，吸附等溫曲線具有V型等溫曲線部分特征，木質(zhì)素基RF有機(jī)氣凝膠是以中孔占主導(dǎo)地位同時還具有大孔特征的四面開口型的孔隙相連的網(wǎng)絡(luò)狀多孔材料，而木質(zhì)素含量為10%時和同等條件下得到的RF有機(jī)氣凝膠的吸附等溫線似乎更接近IV型等溫線

6、，在中等壓力區(qū)域，吸附等溫線上升緩慢接近水平，具備相當(dāng)?shù)奈⒖滋卣鳌．?dāng)木質(zhì)素含量為50%，得到凝膠的比表面積為191.43m2/g，平均孔徑大小為13.67nm。同等條件下得到的RF凝膠的比表面積為552.24m2/g，平均孔徑大小為5.89nm。BJH孔徑分布圖給出了木質(zhì)素基RF有機(jī)氣凝膠和RF有機(jī)氣凝膠在中孔、大孔部分的分布情況。RF凝膠的孔徑分布范圍較小，孔徑主要集中在3-8nm的范圍內(nèi)，當(dāng)木質(zhì)素含量為50%時，孔徑范圍變大，凝膠中

7、大孔的數(shù)目增多，孔徑也集中在10-20nm范圍內(nèi)。對凝膠的斷面形態(tài)用掃描電鏡及透射電鏡觀察分析得出，木質(zhì)素在一定程度上取代了部分的間苯二酚與甲醛行了聚合縮聚反應(yīng)得到的凝膠顆粒由分子團(tuán)簇組成，相互聚合，交聯(lián)在一起，顆粒的均勻性較好，具有持續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有氣凝膠特征的微觀網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。
　　 (3)利用紅外光譜及光電子能譜對凝膠及原料進(jìn)行分析，并對C18譜線分峰擬合，發(fā)現(xiàn)隨木質(zhì)素含量的增加后，C4對應(yīng)的峰面積逐漸增大，木質(zhì)素與其他