温致变色木材的制备和机理研究

摘要

温致变色木材是一种新型的木质功能材料，与普通的木材产品相比，该材料赋予了木材两项新的功能—温敏可逆变色和智能热能转换。研究温致变色木材，创新木质功能化新材料，开拓智能化家居材料新领域，促进木材科学的发展和木材工业产品的创新具有重要学术意义和实际意义。本研究以毛白杨木材为基体，通过隐色剂、显色剂、醇溶剂配制木材温致变色剂，利用超声波浸渍法将木材温致变色剂引入木材基体上，研制温致变色木材，筛选适合木材的温致变色剂、研究温致变色木材制备工艺、分析温致变色木材的光老化性能和表面性能、探索温致变色木材的变色机理和结合机理。主要的研究结果如下：
　　1木材温致变色剂成分研究
　　（1）根据温致变色木材颜色与目标色色差△E*1，深红色、橙黄色和蓝色木材温致变色剂的隐色剂分别选择隐色剂2、隐色剂8和结晶紫内酯；根据温致变色木材变色色差△E*2，三种颜色木材温致变色剂的显色剂选择双酚A；根据温致变色木材变色温度T及变色时间t，三种颜色木材温致变色剂的溶剂选择十四醇。
　　（2）根据温致变色木材变色色差△E*2，深红色、橙黄色和蓝色木材温致变色剂中隐色剂与显色剂的配比分别为1：8，1：12和1：6，但隐色剂与溶剂的配比均为1：40。
　　2温致变色木材的制备工艺研究
　　（1）对比热扩散法和超声波浸渍法，根据温致变色木材变色色差△E*2，温致变色木材的制备方法选择超声波浸渍法。
　　（2）深红色温致变色木材的制备工艺为浸渍温度55.0℃、浸渍时间4.0h、超声波功率140.0W，橙黄色和蓝色温致变色木材的制备工艺均为浸渍温度75.0℃、浸渍时间4.0h、超声波功率120.0W。
　　（3）研制成具有温致变色功能的木质新材料。该材料的起始变色温度约为26.0℃，终止温度约为32.0℃。温度从26.0℃升至32.0℃时，温致变色木材颜色逐渐由染色颜色（深红色、橙黄色和蓝色）变成木材本色；反之，温度从32.0℃降至26.0℃时，温致变色木材颜色逐渐由木材本色变成染色颜色（深红色、橙黄色和蓝色）。
　　3温致变色木材的光老化性能
　　（1）蓝色温致变色木材变色色差△E*2的损失率最小，其光老化性能最好；其次为深红色温致变色木材，最后为橙黄色温致变色木材。
　　（2）随着氙光辐射时间的延长，变色前深红色温致变色木材表面色度学参数中明度指数L*3、红绿指数a*3、黄蓝指数b*3和表面颜色损失△E*3逐渐增加；橙黄色温致变色木材表面色度学参数中明度指数L*3、红绿指数a*3和黄蓝指数b3逐渐降低，表面颜色损失△E*3逐渐增加；蓝色温致变色木材表面色度学参数中的明度指数L*3、黄蓝指数b*3和表面颜色损失△E*3逐渐增加，红绿指数a*3逐渐降低。
　　（3）随着氙光辐射时间的延长，变色后深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材表面色度学参数中明度指数L*4逐渐降低；但红绿指数a*4、黄蓝指数b*4和表面颜色损失△E*4逐渐增加。
　　（4）红外光谱分析表明，温致变色木材表面分子结构中的羟基O-H经过氙光辐射后，部分被氧化成羧酸 COOH；分子结构中的一些自由基经过氧化后，生成了羰基等发色基团，羰基C=O特征峰的强度增加；同时苯环和芳香醚发生光氧化降解，使得苯环结构受到破坏、醚键C-O-C特征峰强度降低；温致变色木材光降解和变色的内因是其表面官能团的变化。
　　4温致变色木材的表面性能
　　（1）深红色温致变色木材表面润湿性能最好，其次为蓝色温致变色木材，最后为橙黄色温致变色木材；其静态接触角分别为52.0、53.4和55.3，动态接触角衰减速率常数K值分别为0.2362、0.2221和0.2069。
　　（2）深红色温致变色木材表面自由能最大，其次为蓝色温致变色木材，最后为橙黄色温致变色木材；其值分别为29.85 mN/m，28.30 mN/m和21.05 mN/m。
　　（3）三种颜色温致变色木材表面的极性官能团数量不同，造成了其润湿性和表面自由能的差异。深红色温致变色木材表面羟基数量最多，其表面润湿性最好、表面自由能最高；其次为蓝色温致变色木材；最后为橙黄色温致变色木材。
　　5温致变色木材的变色机理
　　（1）木材温致变色剂变色前后分子结构的变化是细微的，说明木材温致变色剂整个分子结构在变色前后并未发生根本性的重组变化，其变色机理为电子得失机理。
　　（2）蓝色温致变色木材相变表观活化能最大，其次为橙黄色温致变色木材，最后为深红色温致变色木材；其值分别为13.58KJ/mol，12.37KJ/mol和11.72KJ/mol。
　　（3）深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材相变反应级数均接近于1，说明三种颜色温致变色木材的相变机理是相同的。
　　（4）深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材的热力学参数较与之对应颜色的木材温致变色剂低，说明木材降低温致变色剂相变最大值所需能量和由半结晶状态变成可溶状态所消耗的能量。
　　（5）十四醇对应的深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材相变热力学参数最低，其次为十六醇，最后为十八醇。
　　（6）随着升温速度的增加，深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材相变起始温度（T0）逐渐降低，但峰值温度（Tp）、相变终止温度（Tc）和相变热焓值（△H）均逐渐增加。
　　（7）深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材的变色时间与环境温度呈线性负相关关系，关系式分别为y1=-12.321x+830.64、y2=-12.929x+876.71和y3=-8.1929x+578.5。
　　6温致变色木材的结合机理
　　（1）深红色、橙黄色和蓝色温致变色木材的纵向渗透量最大；其次为径向；最后为弦向。三种颜色温致变色木材纵向、径向和弦向的增重率分别为30.34％、16.66%、15.79%，18.67%、7.65%、7.01%和20.39%、13.13%、12.12%。
　　（2）红外光谱分析表明，温致变色剂与木材之间既形成化学结合又形成物理结合。化学结合主要表现在未处理木材的羟基O-H吸收频率区的强度降低，表示其分子结构中的羟基O-H被温致变色剂占据，形成了氢键结合；物理结合主要表现在未处理木材的甲基或亚甲基C-H吸收频率区的强度增加，表示温致变色剂与木材形成了机械吸附，产生了甲基或亚甲基C-H官能团叠加。

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表目录

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第一章 绪论

1.1 中国木材资源供需现状

1.2 解决国内木材资源紧缺的途径

1.3世界人工林的发展概况

1.4 中国人工林发展概况

1.5 温致变色材料的基本概况

1.6 本研究的目的、意义和主要内容

1.7 技术路线

第二章 木材温致变色剂成分研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4 小结

第三章 温致变色木材的制备工艺研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 小结

第四章 温致变色木材的光老化性能

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 小结

第五章 温致变色木材的表面性能

5.1 引言

5.2 材料和方法

5.3 结果与分析

5.4 小结

第六章 温致变色木材的变色机理

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 结果与分析

6.4 小结

第七章 温致变色木材的结合机理

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.3 结果与分析

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢