纳米埃洛石—金属氧化物复合材料消解纤维板游离甲醛的研究

作     者：刘达 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁光明;王向军

授予年度：2024年

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0829[工学-林业工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纳米埃洛石 金属氧化物 游离甲醛 消解 纤维板 

摘      要：人造板在生产中需要使用胶黏剂,尤其以脲醛树脂胶黏剂的使用量居多。然而,胶黏剂易挥发出有害气体甲醛,这也是室内游离甲醛污染的主要来源。针对游离甲醛污染问题,本研究首先采用水热法制备了不同摩尔比的Cu-Mn-Ce金属氧化物催化剂;其次以纳米埃洛石(HNTs)作为吸附材料,将其与Cu-Mn-Ce金属氧化物复合,制备得到K-HNTs+Cu/Mn/Ce甲醛消解剂;最后将除醛性能最佳的消醛剂以固定比例加入到脲醛树脂胶黏剂中,制备含有消醛剂的纤维板。通过FTIR、XRD、SEM、N2吸附-脱附、O2-TPD和H2-TPR等测试对Cu-Mn-Ce与K-HNTs+Cu/Mn/Ce的化学结构、比表面积与孔结构、微观形貌以及氧化还原性进行分析,并对K-HNTs+Cu/Mn/Ce进行甲醛去除率测试,并对制备的纤维板进行甲醛释放量与物理力学性能测试。主要得到以下结论: (1)采用超声与水热法制备了摩尔比分别为1:5:5、2:5:5和3:5:5的Cu-Mn-Ce金属氧化物。FTIR分析表明,Cu-Mn-Ce表面存在-OH;根据特征峰,显示催化剂中存在MnO2与CeO2。XRD分析只观察到CeO2的衍射峰,由于CuO与MnO2的含量较低,因此观察不到相应的结晶特征峰。SEM分析则表明,Cu-Mn-Ce呈现出类似球状的微观结构,EDS元素分布表明催化剂中存在CuO、MnO2以及CeO2。N2吸附-脱附测试表明,Cu-Mn-Ce催化剂存在介孔结构,但是均表现出很小的回滞环,说明吸附能力很差,根据孔径分布和孔隙参数可知Cu-Mn-Ce孔体积和孔径非常小,限制了其吸附能力。O2-TPD和H2-TPR分析表明,随着Cu添加量的提高,Cu-Mn-Ce的脱附峰与还原峰均向低温区域移动,低温氧化还原能力随之增强。当Cu-Mn-Ce摩尔比为3:5:5时,催化剂表现出最佳的氧化还原性。 (2)将物理吸附与催化氧化相结合,以纳米埃洛石作为吸附材料,三种摩尔比的Cu-Mn-Ce金属氧化物为催化剂,制备了 K-HNTs+Cu/Mn/Ce消醛剂。FTIR分析可知,KH550嫁接在HNTs表面,成功制备了改性埃洛石K-HNTs;而K-HNTs+Cu/Mn/Ce与Cu-Mn-Ce相比,属于Cu-Mn-Ce的-OH振动峰消失,这是HNTs表面的KH550水解形成的Si-OH与Cu-Mn-Ce表面的-OH结合所致,证明Cu-Mn-Ce成功负载到HNTs表面。XRD分析可知,K-HNTs+Cu/Mn/Ce同时包含HNTs与Cu-Mn-Ce的特征峰,也可证明Cu-Mn-Ce负载到HNTs表面。SEM-EDS分析可知,Cu-Mn-Ce分布在HNTs表面,KH550发挥了偶联作用,将HNTs与Cu-Mn-Ce结合为整体。此外,由N2吸附-脱附测试结果可知,所有材料均存在介孔结构,HNTs经过NaOH刻蚀后比表面积增加,KH550的嫁接使K-HNTs的平均孔径减小;当Cu-Mn-Ce负载到改性埃洛石表面后,并且堵塞了 K-HNTs的部分孔隙,使得K-HNTs+Cu/Mn/Ce平均孔径减小;与Cu-Mn-Ce相比,K-HNTs+Cu/Mn/Ce有着较高的孔体积和孔径,表明K-HNTs优化了 Cu-Mn-Ce的孔隙结构,使得K-HNTs+Cu/Mn/Ce同时具备了吸附和催化性能。O2-TPD和H2-TPR分析可知,Cu-Mn-Ce负载使得K-HNTs+Cu/Mn/Ce也具备了氧化还原性,对比三组消醛剂的低温氧化还原峰面积与峰值强度,发现K-HNTs+Cu/Mn/Ce(3:5:5)的氧化还原性最强,表明催化活性最高。对三组消醛剂进行甲醛去除率测试,去除率依次为56.3%、57.4%和61.0%,K-HNTs+Cu/Mn/Ce(3:5:5)的甲醛去除率最高,从而验证了氧化还原性测试中K-HNTs+Cu/Mn/Ce(3:5:5)催化活性最高的结果。 (3)通过单因素实验,探究了消醛剂的不同添加量对纤维板甲醛释放量与物理力学性能的影响。将甲醛去除率最高的K-HNTs+Cu/Mn/Ce(3:5:5)消醛剂按照0%、1%、2%、5%和10%的比例添加到脲醛树脂胶黏剂中,制备了含消醛剂的纤维板。试验结果表明,消醛剂的添加量对板材甲醛释放量与物理力学性能均能产生影响。随着消醛剂添加量的增加,板材甲醛释放量逐渐降低。消醛剂添加量为10%时,板材甲醛释放量最低,降低至5.1 mg/100g,相比于未添加消醛剂的对照组降低了 22%;且板材的力学性能也达到最优,其静曲强度与弹性模量分别为36.02 MPa和3767 MPa,内结合强度为0.70 MPa。随着消醛剂添加量的增加,板材的24 h吸水厚度膨胀率也随之提高,表明板材的耐水性能逐渐下降。