改性处理对毛白杨物理力学性能影响的研究

摘要

木材是一种兼具复合材料和多孔材料特性的复合生物质材料，现今，天然的良品木材稀缺，在木材供需关系日益紧张的情况下，人工林速生林木材的快速发展成为解决这一问题的有效措施之一。但由于速生林木材通常具有高比例的幼龄材，木材密度低，物理力学性能均低于天然林木材等缺陷，限制了速生木材的适用范围，因此需要对木材进行改性处理弥补木材的固有缺陷，提升其实用价值。
　　木材改性研究始于20世纪30年代，是通过化学、生物或物理等介质作用于木材，增强木材的尺寸稳定、耐久、防腐等性能。近年来，国内外的学者们广泛采用木材-树脂、木材-无机材料等复合模式，制备具有高强度性能或特殊功能的复合型木材，并对其物理力学性进行了广泛的研究探索；但现今的研究多集中于木材复合材料的制备和对制备的复合材料进行宏观力学性能、尺寸稳定性、抗菌性、阻燃性等方面的研究。木材微观力学性能方面的研究刚起步，且研究对象多采用细胞壁较厚的针叶木材，对阔叶材的微观力学性能研究少有涉及，只有建立起从宏观到微观的完整力学测试和研究体系，才能够真正把握木材的力学行为机制。本文以人工速生材毛白杨(Populus tomentosa)为研究对象，研究不同改性处理对木材物理力学性能的影响。通过自制的水溶性低分子量酚醛树脂（PF）在真空条件下对木材进行不同时间段（3h、6h、9h）的浸渍处理，对比处理前后及不同处理时间下，毛白杨的同时采用高温干燥箱对毛白杨试件进行不同温度（160℃、180℃、200℃）下的热处理改性，通过对比分析不同温度热处理材及两者之间的物理、力学性能等，明确浸渍处理及热处理能增强木材的性能。利用纳米压痕试验机对木材微观力学性能进行测试，分析处理材细胞壁弹性模量及硬度的变化。实验研究表明：
　　1.采用低分子量酚醛树脂浸渍毛白杨时，随着浸渍时间的延长，木材的重量逐渐增大；密度增加；物理性能提高，尺寸稳定性提升，说明酚醛树脂改性处理对毛白杨物理性能具有增强作用。采用不同温度改性处理毛白杨时，在相同处理时间下，随着处理温度的升高，木材的重量逐渐降低；密度减小；由于在高温环境下木材中的亲水性物质挥发使的木材的抗胀性能得到提高，尺寸稳定性提升，说明热处理对毛白杨物理性能具有一定的增强作用。
　　2.采用低分子量酚醛树脂浸渍毛白杨时，随着浸渍时间的延长，木材表面硬度明显增大；木材细胞壁硬度增大，细胞壁弹性模量增大。经过低分子量酚醛树脂改性处理后毛白杨的力学性能均得到有效提升，且宏观与微观力学性能变化保持一致，说明毛白杨经过低分子量酚醛树脂改性处理后力学性能得到显著增强，酚醛树脂进入细胞壁强化细胞壁力学性能。从而木材整体性能得到提升。采用热处理技术改性毛白杨时，随着处理温度的升高，木材表面硬度基本不变；木材细胞壁硬度和弹性模量在160℃时有小幅度降低，这是由于在较低的温度环境下木材主要损失的成分为木材中的水分及可挥发性物质，增加了木材的脆性，因而木材的硬度下降。在180℃及200℃的高温环境下硬度有一定的增强，这是由于高温环境下引起木材中大分子物质如纤维素等降解，木材的硬度得到一定增强；总体而言，木材的细胞壁硬度变化不大，与木材表面硬度变化趋势基本保持一致。经过热处理后毛白杨的力学性能稍有降低，且宏观与微观力学性能变化保持一致，说明毛白杨经过热处理后力学性能降低，热处理降解木材中物质使木材性能降低。
　　3.酚醛树脂由于含有酚基极易氧化成酿而呈现红褐色，使酚醛树脂浸渍材颜色较深，改变了毛白杨原有材色。高温热处理毛白杨使木材表面碳化材色由浅黄色变为棕色，且随温度的升高木材的颜色越深，经过热处理后的木材木纹更为突出。
　　综上所述，通过对木材的浸渍处理及热处理技术可以增强木材物理力学性能，弥补其固有缺陷，发挥其优势替代部分天然木材的使用，对生产实践将具有重要的现实意义和实用价值。

目录

声明

1引言

1.1研究背景

1.2木材浸渍处理研究现状

1.2.1国外树脂浸渍处理研究进展

1.2.2国内树脂浸渍处理研究进展

1.3木材热处理研究现状

1.3.1国外热处理研究进展

1.3.2国内热处理研究进展

1.4研究目的意义和主要研究内容

1.4.1研究目的及意义

1.4.2研究内容

1.5创新点

1.6研究技术路线

2材料与方法

2.1实验材料

2.1.1木材试样

2.1.2树脂合成原料

2.1.3树脂制备仪器

2.1.4改性处理实验设备

2.1.5测试仪器

2.2实验方法

2.2.1木材气干

2.2.2木材高温干燥

2.2.3酚醛树脂的制备

2.2.4酚醛树脂浸渍处理流程

2.2.5热处理技术流程

2.2.6物理力学性能测试

3结果与分析

3.1低分子量酚醛树脂改性处理毛白杨分析

3.1.1酚醛树脂改性处理毛白杨物理性能分析

3.1.2酚醛树脂改性处理毛白杨力学性能分析

3.2热处理毛白杨分析

3.2.1热改性处理毛白杨物理性能分析

3.2.2热改性处理毛白杨力学性能分析

4讨论

4.1物理性能

4.2.1木材重量变化分析

4.2.2木材密度变化分析

4.2.3木材尺寸稳定性分析

4.2.3木材材色变化分析

4.2力学性能

4.2.1表面硬度

4.2.2微观力学性能

5结论

5.1酚醛树脂改性毛白杨

5.2热处理改性毛白杨

参考文献

致谢