钛基纳米晶抗霉变竹材的界面特性研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xx495355910
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我国竹类资源产量多、种类丰富,由于竹材优良的物理力学性能,被广泛用于装饰和建筑材料。然而,竹材富含糖类、淀粉和蛋白质等营养物质,极易感染霉菌,这极大地限制了竹材的利用。本论文以毛竹材为研究对象,基于ZnO-TiO2的防霉性和Fe掺杂TiO2的防霉性,研发出一种高效环保型竹材防霉方法,制备出具有防霉功能的新型竹基材料。通过SEM、EDS、XRD、XPS、ESR、UV-VIS等表征方法对薄膜的形貌、结晶度和化学结构进行了测试,并对TiO2与竹材以及与ZnO的界面结合机理进行了分析。然后依据国家标准GB/T18261-2013分别研究了ZnO-TiO2/竹材的室内、外防霉性能,以及Fe掺杂TiO2/竹材的室外防霉性能,并就其优异的防霉效果和作用机理分别进行了讨论。主要研究结果如下:(1)花状ZnO-TiO2/竹材的界面特征及竹材室内防霉性能:经一系列表征证实,竹材表面负载的TiO2纳米晶为锐钛矿相,竹材与TiO2纳米晶的界面结合方式存在两种模式:1)竹材细胞化学基团与锐钛矿TiO2纳米晶通过氢键结合;2)吸附在TiO2表面的F-与竹材基体的-OH之间发生配体交换反应。接着TiO2表面的F-与[Zn(NH34]2+通过静电吸附力相互吸引,经水热过程形成花状的ZnO微观结构,原位沉积在TiO2晶层上。三个月的室内混合霉菌防霉试验结果表明:竹材素材在5天后开始产生霉变,9天后霉菌侵染面积达100%;TiO2/竹材较竹材素材的防霉性能稍有改善,在3周后开始霉变,10周后侵染面积达100%;而ZnO-TiO2/竹材试件表面12周内未观察到霉菌生长,表现出优异的防霉性能。(2)网状交联双层ZnO-TiO2/竹材的界面特征及竹材室外防霉性能:通过表征发现,竹材表面负载的ZnO-TiO2双层薄膜平均厚度约为20μm,制得的纤锌矿ZnO呈网状交联,其平均壁厚约为0.14μm,并均匀分布在锐钛矿TiO2薄膜表面。室外两个月的防霉试验结果表明,竹材素材在1周后开始产生霉变,4周后霉菌侵染面积达100%;ZnO/竹材和TiO2/竹材在3周后开始霉变,6周后ZnO/竹材霉菌侵染面积达100%,8周后TiO2/竹材侵染面积达43%,而在8周后ZnO-TiO2/竹材表面仍然没有明显霉菌生长。在可见光下(420nm)的ESR测试结果表明ZnO-TiO2/竹材表面产生出具有防霉功能的活性氧自由基(·O2-和·OH),大量的·O2-可使霉菌细胞失活,因此,ZnO-TiO2/竹材表现出卓越的防霉效力。此外,在负载了ZnO-TiO2薄膜之后,极限氧指数(LOI)由25.6%(竹材素材)提高到30.2%,使样品的阻燃性能明显提高。(3)Fe掺杂TiO2/竹材的界面特征及竹材室外防霉性能:采用一步液相沉积法在竹材表面成功负载了Fe掺杂的TiO2纳米晶,经表征发现,TiO2纳米晶为锐钛矿相,Fe离子掺杂并未影响TiO2的晶相,经Scherrer公式计算得出薄膜由粒径约为9.7nm的纳米粒子自聚集而成,比表面积约90.96m2g-1。在室外自然条件下的防霉试验表明:与竹材素材和TiO2/竹材相比,Fe掺杂TiO2/竹材在自然环境下对霉菌的抑制能力明显提高,这是由于掺杂了Fe离子之后,TiO2带隙减小,薄膜对光吸收边发生红移,对可见光部分也产生了响应,提高了光吸收性能。
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