高温热处理杉木的吸湿吸水性变化规律及其机理研究

摘要

高温热处理作为一项非常重要的木材改性技术，是改善木材尺寸稳定性和耐久性的有效手段之一。高温热处理引起木材化学组分与多尺度孔隙结构发生变化，进而改变木材的吸湿性和吸水性。然而，前人关于高温热处理木材吸湿性和吸水性的研究并未得出一致的变化规律，吸湿性和吸水性与木材化学组分及多尺度孔隙结构的响应关系尚未系统构建。为此，本文以人工林杉木（Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.）为研究对象，在以蒸汽为介质兼作保护气体，温度160℃、180℃、200℃及220℃，处理时间2h条件下对木材进行高温热处理。借助多种表征手段，研究了热处理前后木材吸湿性和吸水性的变化规律，并对热处理木材化学组成及孔隙结构的变化情况进行了分析。通过探讨高温热处理材吸湿性和吸水性变化与其化学成分和孔隙结构变化之间的关系，揭示了高温热处理对木材吸湿性和吸水性的影响机理。本论文试验条件下得出的主要结论如下:　　1.动态水蒸气吸附测试结果表明，高温热处理没有改变木材吸湿等温线类型，且在当前湿度条件下各试样均不存在明显的毛细管凝结现象;温度25℃、相对湿度30％、60％和95％条件卜，对照材、160℃、180℃、200℃及220℃高温热处理材的平衡含水率(EMC)分别为5.21％、3.83％、3.60％、3.42％、3.26％,9.15％、7.44％、6.74％、6.10％、5.57％和20.21％、17.38％、15.6g％、14.36％、12.20％，对照材与处理材在各湿度条件下的EMC均存在显著差异(P＜0.05);高温热处理明显增强了木材的吸湿滞后性，各试样的吸湿滞后率随热处理温度的升高呈不断增加的变化趋势;经过一次吸湿解吸循环后，高温热处理材在后续吸湿过程中的吸湿滞后性与第一次吸湿过程相比会有所减弱，而对照材则不存在这种现象。　　2.高温热处理使木材的短期吸水性减弱，吸水96h后试样的平均吸水率对照材为180.28％，各高温热处理材分别为143.45％、114.51％、77.61％和62.06％，比对照材低20.43％-65.58％，但各试样达到吸水平衡的时间基本相同;对照材及各高温热处理材的纤维饱和点(FSP)依次约为30.66％、29.30％、28.89％、25.61％和22.14％，相比对照材热处理材的FSP下降了6.45％-29.03％;对照材与160℃、180℃高温热处理材的T2弛豫谱中均存存两个水分分布峰，分别为木材中的自由水与结合水。200℃和220℃处理材的T2弛豫谱中，除了与上述两种状态水分相对应的峰外，又出现一个弛豫时间约为20ms的自由水分布峰。高温热处理对结合水的弛豫时间影响较小，仍均约为1ms，但会延长自由水的弛豫时间，由100ms左右（对照材）逐渐增大至400ms左右(HT220)。　　3.高温热处理对木材细胞壁中半纤维素的影响最为明显，其降解主要为木聚糖乙酰基侧链断裂，处理温度高于180℃后，葡甘露聚糖降解逐渐加剧;各处理材的相对结晶度均大于对照材，但处理温度高于200℃后木材结晶度略有下降;细胞壁组分降解导致木材内有效羟基数量发生变化，随处理温度升高有效羟基数量逐渐减少;经过高温热处理后，木材表面木质素相对含量增加，而多糖类物质相对含量减少;与对照材相比，160-220℃高温热处理材中综纤维素相对含量下降了2.52％-14.36％，α纤维素相对含量下降了1.72％-11.21％，木质素相对含量提高了3.86％-12.09％;高温热处理材化学组分变化导致其疏水性增强。　　4.氮气吸附测试分析表明，高温热处理对细胞壁中孔隙的形态有显著影响，使木材中具有平行壁的狭缝状毛细孔介孔明显增多。与对照材相比，160℃和180℃热处理材的BET比表面积分别增加了21.45％和33.61％，200℃和220℃处理材则分别减少了18.08％和21.76％;压汞法测试结果表明，160℃、180℃和200℃热处理主要影响木材的纹孔口和纹孔塞缘上的小孔，使其平均孔径变小，孔体积增加。经过220℃热处理后，木材轴向管胞的平均孔径和体积明显增加;核磁共振冻融法测试结果表明，饱水状态下，对照材的细胞壁孔隙率最大，随处理温度升高热处理材的孔隙率逐渐减小。　　5.木材中有效羟基数量变化是影响木材吸湿性的重要因素;高温热处理材吸湿滞后性的变化有两种可能原因，一是木材细胞壁组成物质在高相对湿度下的机械松弛使吸着位点重新排布;二是木质素交联导致细胞壁刚度增加从而影响木材孔隙对湿度变化的响应;木材化学组分和孔隙结构变化均会对木材的吸水性产生影响。吸水初期阶段，水分沿木材纵向的传输速度减慢主要是由于木材化学组分降解导致其疏水性增强，而管胞孔径变化对吸水速度的影响不明显。水分沿木材横向传输速度减慢主要与纹孔口和纹孔塞缘上小孔的平均孔径减小有关。细胞腔孔隙体积增大导致木材吸收的自由水含量增加。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1国内外研究现状及发展趋势

1．1．1高温热处理木材吸湿性

1．1．2高温热处理木材吸水性

1．1．3高温热处理木材化学组分

1．1．4高温热处理木材孔隙结构

1．1．5高温热处理木材吸湿／吸水性变化机理

1．2研究目的与意义

1．3主要研究内容及技术路线

第二章高温热处理对木材吸湿性的影响

2．1高温热处理材制备

2．1．1试验材料

2．1．2高温热处理材制备

2．2高温热处理木材吸湿性研究

2．2．1试验材料

2．2．2试验设备与方法

2．3结果与分析

2．3．1高温热处理对平衡含水率(EMC)影响

2．3．2高温热处理对木材吸湿滞后性的影响

2．3．3对照材与高温热处理材的多次吸湿解吸循环差异

2．3．4 GAB等温吸附曲线拟合

2．4本章小结

第三章高温热处理对木材吸水性的影响

3．1试验材料与方法

3．1．1试验材料

3．1．2试验方法

3．2结果与分析

3．2．1纵向吸水性

3．2．2横向吸水性

3．2．3纵向吸水性与横向吸水性差异

3．3本章小结

第四章高温热处理对木材化学组分的影响

4．1试验材料与方法

4．1．1试验材料

4．1．2试验方法

4．2结果与分析

4．2．1高温热处理对木材细胞壁化学组分影响

4．2．2高温热处理对木材有效羟基数量影响

4．2．3高温热处理对木材表面化学性质影响

4．2．4高温热处理对苯醇抽提物含量影响

4．2．5高温热处理木材化学组分含量变化

4．2．6高温热处理对木材润湿性影响

4．3本章小结

第五章高温热处理对木材孔隙结构的影响

5．1试验材料与方法

5．1．2试验与方法

5．2结果与分析

5．2．1高温热处理对木材中微孔与介孔的影响

5．2．2高温热处理对木材中大孔的影响

5．2．3饱水材细胞壁孔径分布

5．3本章小结

第六章高温热处理对木材吸湿性和吸水性影响机理

6．1高温热处理对木材吸湿性的影响机理

6．2高温热处理对木材吸水性的影响机理

6．3小结

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

导师简介

在读期间的学术研究

致谢