聚乙二醇—硫酸铝/硅酸钠复合改性杉木木材的制备及性能

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为提高速生杉木木材的尺寸稳定性和力学性能,拓宽其应用范围,本文以前人研究成果为基础,首先选用聚乙二醇(PEG)对木材进行处理,探讨其分子量和浓度对木材尺寸稳定性能和力学性能的影响;为改善PEG处理导致木材力学性能降低等问题,将聚乙二醇与硫酸铝复配并与硅酸钠采用真空加压两步浸渍法处理木材,同时与硅酸钠和硫酸铝的两步法处理相比较,探讨硅酸钠浓度对木材物理力学性能的影响。在此基础上,采用正交试验法探讨PEG分子量、浓度以及硅酸钠浓度对抗胀率、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量的影响,并利用模糊数学法综合评判复合改性效果,优化聚乙二醇/硅酸钠的配比。最后采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和热重分析仪(TG)等对改性前后木材的微观结构、表面官能团、结晶度和热稳定性等进行分析。主要结论如下:(1)PEG处理后木材的吸水性能降低,尺寸稳定性明显提高。随着PEG分子量由600增至2000,木材的增重率、增容率和吸水率逐渐减小,吸水体积膨胀率逐渐增大但均小于未处理材;随着PEG浓度增加,增重率和增容率随之增大,吸水率逐渐减小后趋于平缓,体积膨胀率则先减小后略有增加,其中以分子量1000的PEG在20%浓度时对木材尺寸稳定的改善最明显,但PEG处理对木材力学性能有不利影响,特别是抗弯强度和抗弯弹性模量有不同程度的降低。(2)选含20%的PEG1000与饱和硫酸铝溶液的复配液和硅酸钠通过两步法处理木材,由于聚乙二醇对细胞的充胀和硫酸铝与硅酸钠反应产物的沉积,二者协同使增重率和增容率明显提高,相较于硫酸铝-硅酸钠处理和单独PEG处理,尺寸稳定性能明显改善的同时,木材的顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模也进一步提高。(3)对PEG分子量、浓度以及硅酸钠浓度3个因素的极差分析和方差分析表明,各因素对抗胀率、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量4个指标影响的显著性不同,且各指标单独优化时所得的配比组合不一。因此,应用模糊数学综合评判法对4个指标进行综合评价,得到PEG和硅酸钠的最优配比为PEG分子量和浓度分别为1000和20%,硅酸钠浓度为25%。(4)SEM观察发现,PEG处理后,附着在木材细胞腔和管胞壁的纹孔上,硫酸铝和硅酸钠的反应产物团聚填充在细胞腔内,PEG-硫酸铝/硅酸钠复合处理后,PEG使反应产物在细胞内的分布更均匀;木材的FTIR谱图中特征吸收峰-OH和-CO的位置未发生明显变化,但峰强有所不同;XRD分析表明,复合处理后木材的结晶度较PEG处理和硫酸铝/硅酸钠处理材均有不同程度增加;TG测试发现复合处理材的最大热解温度提前,但最大热解速率降低,残余质量分数由未处理材的3.99%增大至31.62%,热稳定性明显提高。
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