真空热处理落叶松材性变化规律及其机理研究

摘要

落叶松作为我国北方地区主要的人工林树种之一，具有质地坚硬、力学强度高、纹理美观、天然耐腐性强等优点。但其存在易开裂、尺寸稳定性差和树脂含量高等缺陷，需要通过改性处理改善其使用性能。热处理作为一种环境友好型改性方法，可有效提高木材的尺寸稳定性和耐久性，其中真空热处理作为一种新型热处理方式，近几年已得到学者们的关注，但关于此方面的研究目前还较少，尤其是热作用机制尚不明确。本论文以日本落叶松（Larix kaempferi）为研究对象，采用真空热处理方法(热处理温度160℃～240℃，热处理时间2h～10h，绝对压力0.01～0.05MPa)研究了木材物理性能、力学性能以及表面颜色的变化规律;分析了真空热处理过程中热量传递均匀性以及挥发性气体成分和含量，对真空热处理传热传质规律进行了初步探究;分析了真空热处理过程中木材化学成分、化学结构和微观构造的变化，揭示了真空热处理木材尺寸稳定性提高、力学性能以及颜色变化的作用机理。本研究对人工林木材进行了真空热改性处理，一方面为木材真空热处理工艺优选及性能调控提供理论基础和技术支持，另一方面为人工林木材改性处理和高值化利用提供了新途径。 本研究的主要结论如下: (1)随着真空热处理温度的升高和处理时间的延长，热处理材的失重率和抗胀（缩）率逐渐增大;全干密度和平衡含水率随热处理强度的增大逐渐减小。真空热处理温度对木材性能的影响大于热处理时间，200℃为热处理材性能发生明显改变的临界温度。 (2)热处理温度160℃时，2h处理材的抗弯强度、2h和4h处理材的弹性模量较未处理材小幅增大，其他热处理材的抗弯强度和弹性模量随处理强度的增大逐渐减小。随真空热处理温度升高，热处理材细胞壁弹性模量和硬度增大，200℃时达到最大值。细胞壁弹性模量分别增大17.34％(160℃)、54.57％(200℃)及38.92％(240℃);细胞壁硬度分别增大8.63％(160℃)、45.69％(200℃)以及32.55％(240℃)。 (3)以失重率、全干密度、抗胀（缩）率和抗弯强度为评价指标，本试验条件下优化的日本落叶松真空热处理工艺为:处理温度200℃，处理时间6h。 (4)明度值L*随热处理强度的增大逐渐减小，L*的减小范围为8.24％～73.16％;红绿色品指数a*和黄蓝色品指数b*随热处理强度的增大而增大，a*的增大范围为34.13％～128.45％，b*的增大范围为15.13％～39.60％;总体色差ΔE*随热处理强度的增而增大。 (5)热处理温度对单位质量吸热量和平均升温速度的影响极显著，板厚、端距和侧距对单位质量吸热量、平均升温速度和最高升温速度无显著影响，在试验设定的尺寸范围内木材内的热量分布较均匀。 (6)通过衍生法、水溶法和Tenax TA吸附法收集了不同真空热处理温度下木材释放的气体，挥发性气体类型未改变，均为醛酮类、有机酸、有机醇、芳香族化合物、烷烃及萜烯类化合物。挥发物数量呈现先增多后减少的趋势，由160℃的48种逐渐增大至220℃的86种，而后降至240℃的68种。醛酮总浓度和酸醇总浓度随处理温度升高而增大。 (7)真空热处理材尺寸稳定性提高的作用机理:木材细胞壁中吸湿性较强的多糖含量减少，吸湿性较弱的木质素含量增多，使得热处理材的吸湿性降低;木材中羟基、羰基等吸湿性强的基团数量减少，减少了热处理材的吸湿位点。热处理材的结晶度增大，吸湿区域减少，木材吸湿性减小从而提高了其尺寸稳定性。 (8)真空热处理材力学性能改变的作用机理:热处理过程中半纤维素降解，纤维素聚合度下降，进而力学强度下降。热处理过程中木质素发生的交联缩合反应以及纤维素结晶度的提高，使得处理温度160℃的2h处理材抗弯强度和弹性模量增大，随着处理温度的升高和处理时间的延长，木材化学成分降解作用大于交联反应和结晶度增长对力学性能的影响，使得木材力学强度逐渐减小。 (9)真空热处理材颜色变化的作用机理:热处理过程中半纤维素降解生成大量有色抽提物，使得木材颜色加深。木质素相对含量增加，而木质素结构中含有大量的发色和助色基团，从而引起木材颜色的改变。热处理材化学结构中醌型物质增多，进而使得木材颜色改变。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1．引言

1．2．国内外研究现状

1．2．1．木材热处理工艺研究

1．2．2．热处理木材性能变化研究

1．3．研究目的与意义

1．4．研究内容与技术路线

2．真空热处理木材的物理力学性能研究

2．1．引言

2．2．材料与方法

2．2．1．试验材料

2．2．2．仪器与设备

2．2．3．方法与步骤

2．3．1．失重率

2．3．2．全干密度

2．3．3．尺寸稳定性

2．3．4．动态水蒸气吸附性能

2．3．5．抗弯强度与弹性模量

2．3．6．细胞壁力学性能

2．3．7．热处理工艺优选

2．4．本章小结

3．真空热处理木材的表面颜色变化研究

3．1．引言

3．2．材料与方法

3．2．1．试验材料与设备

3．2．2．试验方法

3．3．结果与分析

3．4．本章小结

4．真空热处理过程中木材传热均匀性与挥发性有机物释放

4．1．引言

4．2．1．材料与方法

4．2．2．结果与分析

4．3．1．材料与方法

4．3．2．结果与分析

4．4．本章小结

5．真空热处理木材性能变化机理研究

5．1．引言

5．2．材料与方法

5．2．1．试验材料

5．2．2．试验设备及方法

5．3．结果与分析

5．3．1．真空热处理木材化学成分分析

5．3．2．真空热处理木材元素组成分析

5．3．3．真空热处理木材表面化学分析

5．3．4．真空热处理木材红外光谱分析

5．3．5．真空热处理木材拉曼光谱分析

5．3．6．真空热处理木材13C固体核磁共振分析

5．3．7．真空热处理木材表面自由基分析

5．3．8．真空热处理木材紫外-可见光谱分析

5．3．9．真空热处理木材纤维素结晶度分析

5．3．10．真空热处理木材微观构造分析

5．4．本章小结

6．结论与展望

6．1．结论

6．1．1．真空热处理木材的物理力学性能

6．1．2．真空热处理木材的表面颜色

6．1．3．真空热处理过程中木材传热均匀性与挥发性有机物释放

6．1．4．真空热处理木材性能变化的作用机理

6．2．创新点

6．3．展望

参考文献

个人简介

导师简介

获得成果目录

致谢