外源酸催化对木材半纤维素热降解规律的影响

摘要

【目的】高温热处理可使木材半纤维素部分降解,改善木材的尺寸稳定性。使用外源酸可降低木材半纤维素热降解温度,因此有必要明确其热降解规律。【方法】采用碱法分离的方式提取出杨木和杉木的半纤维素,通过傅里叶红外光谱仪和热重分析法研究引入外源酸条件下(两种外源酸AlCl_(3)和H_(3)PO_(4),每种外源酸的浓度分别为0.1和0.3 mol/L)半纤维素的热降解规律。【结果】碱法分离出的木材半纤维素,其红外谱图符合阔叶材和针叶材半纤维素的基本特征。经AlCl_(3)和H_(3)PO_(4)处理后,相比未处理的半纤维素,羟基峰发生红移,且半纤维素的特征吸收峰强度显著降低。热重分析显示:两种外源酸预处理的木材半纤维素的起始降解温度(T_(5%))从200℃左右降低至95~150℃,且主要降解温度范围从200~300℃降低至100~150℃。在相同浓度下,AlCl_(3)处理后半纤维素的T_(5%)(150℃)大于H_(3)PO_(4)的(95℃)。当AlCl_(3)浓度增大时,半纤维素热分解速率加快,但T_(5%)无明显变化。随H_(3)PO_(4)浓度增大时,半纤维素热分解速率和T_(5%)均减小。相比未处理的杨木半纤维素热解活化能(199.68 kJ/mol)和杉木半纤维素热解活化能(231.12 kJ/mol),AlCl_(3)和H_(3)PO_(4)处理后的热解活化能显著降低。在相同浓度0.3 mol/L的条件下,AlCl_(3)处理后杉木半纤维素的平均活化能(112.31 kJ/mol)要低于H_(3)PO_(4)的(125.82 kJ/mol)。【结论】本研究采用的两种外源酸均可显著降低半纤维素的热降解温度。总体来讲,AlCl_(3)催化效果优于H_(3)PO_(4),杉木半纤维素对H_(3)PO_(4)较为敏感。可根据针、阔叶材半纤维素的差异性选择不同的外源酸性介质作为催化剂,加速热解反应速率,从而为外源酸在木材低温热处理的应用提供一定的理论支撑。