【摘 要】
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樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)是我国东北地区的人工林优势树种之一,具有广阔的种植面积,其木材材质细腻、纹理通直,硬度、密度适中。为了提高人工林木材产品的附加值,通常对其进行各种功能化处理,木材的渗透性是影响处理效果的关键因素,微波处理作为改善木材渗透性的方法得到了初步研究,并发展出了木材微波膨化处理技术与微波膨化木产品。本文以樟子松木材为对象,使
【基金项目】
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国家十二五科技支撑课题“木质隔声和发热新材料制造关键技术与示范(2015BAD14B04)”; 浙江省省院合作林业科技项目“大功率微波膨化重组装饰材制备技术研究及示范(2017SY15)”;
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樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)是我国东北地区的人工林优势树种之一,具有广阔的种植面积,其木材材质细腻、纹理通直,硬度、密度适中。为了提高人工林木材产品的附加值,通常对其进行各种功能化处理,木材的渗透性是影响处理效果的关键因素,微波处理作为改善木材渗透性的方法得到了初步研究,并发展出了木材微波膨化处理技术与微波膨化木产品。本文以樟子松木材为对象,使用隧道式大功率微波处理设备对木材进行微波处理。对不同微波工艺处理后樟子松微波膨化木的化学组分与含量变化,细胞壁组分与结构变化进行研究,结合樟子松微波膨化木的细胞壁力学性能变化与吸湿性能变化,系统分析微波处理对樟子松木材组分、结构与性能的影响。并以樟子松微波膨化木为原料,浸渍酚醛树脂后进行热压密实化,获得力学性能提高、剖面密度均匀、尺寸稳定性好、具有木材天然纹理的密实化木材,为木材微波处理技术与微波膨化木的应用提供参考。论文主要结论如下:(1)隧道式微波处理过程中木材内部温度主要受微波能量密度影响,具有升温、恒温和二次升温三个阶段,木材中心温度最高可达183℃。使用湿化学法对不同微波工艺处理后樟子松微波膨化木的化学组分进行分析发现,隧道式微波处理时间短,处理后木材样品中木质素相对含量增加,纤维素和半纤维素含量降低,但最大降解量小于5%。樟子松木材的冷水抽提物随着微波处理时的蒸汽逸出,含量减少;苯醇抽提物含量和1%Na OH抽提物含量由于木材分解速度与蒸汽量大小差异,随微波能量密度的增加呈现出先增加后减少又增加的变化。微波处理后木材p H值高于未处理材,但仍处于酸性范围。微波处理对木材的灰分含量没有影响。(2)红外光谱研究表明,微波工艺处理后樟子松木材的主要化学组分的吸收峰发生了明显的位移与峰强度变化,纤维素、半纤维素吸收峰减弱,木质素吸收峰强度增加;处理后木材的总氢键能下降,氢键距离保持不变。三个含水率条件下,20 k Wh/m3的微波能量密度下樟子松微波膨化木的结晶度降低,微晶宽变宽,40 k Wh/m3和60 k Wh/m3微波处理后木材的非结晶区部分结晶化,结晶度增大,微晶宽变大,直到80 k Wh/m3时纤维素降解,结晶度下降,微晶宽降低。(3)微波处理过程对木材细胞壁的影响包括水蒸气的湿热作用以及水蒸气压力带来的物理破坏,20、40k Wh/m3时樟子松早晚材细胞壁形貌没有发生明显变化,60 k Wh/m3时早材细胞壁开始破坏,80 k Wh/m3时早材细胞壁结构破碎,晚材细胞壁结构发生明显破坏。微波处理后早晚材的细胞壁硬度增加,弹性模量先增加后减少,两者均大于未处理材。(4)使用动态水分吸附仪结合GAB模型和H-H模型分析了不同微波工艺处理后樟子松微波膨化木早晚材的吸湿性能变化,微波处理后樟子松木材仍具有典型的Ⅱ型吸湿曲线。20%初含水率条件下,微波处理后木材吸湿和解吸平衡含水率下降明显,吸湿速率降低,吸收滞后量减少。30%和40%初含水率木材微波处理后吸湿平衡含水率降低量较小。借助GAB吸附模型发现,微波处理后樟子松早晚材单层分子饱和吸附量和有效比表面积降低,初含水率越低,微波能量密度越大,降低程度越明显,微波处理对吸附水层厚度影响较小。H-H吸湿模型表明,微波处理后樟子松微波膨化木的单分子层吸附水含量与多层分子吸附水含量降低,木材的纤维饱和点降低。(5)以樟子松Ⅲ型微波膨化木为原料,浸渍酚醛树脂后进行热压密实化处理,优化工艺处理后获得的密实化木材与未处理材相比抗弯强度提高了1.58倍,吸水体积湿胀率小于5%,剖面密度变异系数为93.9%。在微波膨化木的压缩密实化过程中,当压缩率小于40%主要是早材细胞腔压缩,压缩率大于40%后,晚材细胞壁同时被压缩,压缩后早晚材细胞壁呈无规则扭曲状态。红外光谱和核磁共振波谱分析表明树脂浸渍热压密实化后,浸渍树脂并没有和木材发生反应,结晶度增加了7.9%,早材细胞壁的模量和硬度分别提升了56.6%和53.1%,晚材细胞壁的模量和硬度分别提升了37.9%和35.5%。
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