聚乙烯醇—硅酸钠改性杨木制备与性能研究

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杨木是我国三大速生树种之一,种植面积广、资源丰富,但速生杨木存在材质松软、物理力学性能不佳等缺陷,严重制约了其应用领域与使用范围。本文以速生人工林杨木为研究对象,采用硅酸钠和聚乙烯醇改性剂对其进行分步真空-加压浸渍改性处理,系统研究了硅酸钠和聚乙烯醇浓度、改性处理工艺等因素对杨木物理力学性能的影响规律,获得了优化的杨木聚乙烯醇-硅酸钠改性工艺,探明了杨木聚乙烯醇-硅酸钠改性机理,研究成果能为杨木绿色改性处理技术研究提供参考和借鉴。本论文主要结论如下:1、阐明了硅酸钠浓度、聚乙烯醇聚合度和浓度对杨木物理力学性能的影响规律。单因素试验表明,随硅酸钠浓度增加,杨木各项力学性能随之提高(除冲击韧性外),浓度超过30%后各项性能趋于稳定;硅酸钠浓度为30%时,随聚乙烯醇聚合度、浓度的增加,杨木顺纹抗压强度、抗弯强度(MOR)和冲击韧性均呈先增大后减小的变化趋势;当聚乙烯醇浓度大于2%时,杨木抗弯弹性模量(MOE)提升显著。正交试验分析表明,聚乙烯醇聚合度是影响杨木力学性能的主要因素,优选的复合改性剂为:硅酸钠浓度30%、聚乙烯醇聚合度300、聚乙烯醇浓度3%。2、探明了杨木聚乙烯醇-硅酸钠分步浸渍改性处理工艺。单因素试验表明,随着真空时间、加压压力或加压时间的增加,杨木MOR、MOE均呈先增大后减小的趋势,但杨木的吸水性能变化不显著。正交试验分析表明,真空时间是影响杨木力学性能的主要因素,加压压力次之,加压时间影响不显著,较优的浸渍改性处理工艺为:真空时间30 min、加压压力0.2 MPa、加压时间50 min。3、揭示了杨木聚乙烯醇-硅酸钠浸渍增强改性机制。采用优选的改性剂和浸渍工艺对杨木进行改性处理后,杨木顺纹抗压强度、MOR、MOE和冲击韧性较对照材分别提高了 52.69%、90.24%、46.21%和7.98%。XRD和TG分析表明,相比对照材,聚乙烯醇-硅酸钠改性杨木相对结晶度提高了 9.6%,其热分解温度提前但质量损失率低于对照材。SEM、EDS、XPS和FT-IR分析表明,硅酸钠和聚乙烯醇主要填充或附着于杨木导管等细胞腔,形成物理支撑增强效应,同时两者在木材内部发生原位反应或自缩聚形成了 Si-O-C、Si-O-Si等化学键,构筑了具有柔性分子链段的网络交联结构,形成化学交联增强效应。
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