基于热处理单板的重组木性能及光老化机制研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 2次 | 上传用户:lidongying
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重组木是以速生林木材为原材料,将旋切单板进行疏解后的纤维化木单板作为基本单元,热固性的酚醛树脂为胶黏剂,顺纹组坯压制成的一种具有木材天然纹理的新型复合材料。与传统的人造板相比,重组木具有原材料利用率高、可设计性强和力学强度高等优点。目前,重组木已成为速生林木材高效利用的主要途径之一,且逐渐被应用于户外领域,如景观设施,建筑梁柱等。重组木在户外使用过程中,受紫外线照射后易发生表层开裂、颜色失真及尺寸收缩等变化,严重影响重组木的美观及使用价值,限制户外重组木产业的发展。因此,研究重组木光老化机制对开发抗光老化技术、延长重组木户外使用寿命以及拓展重组木应用范围具有重要参考价值。本文以热处理和未热处理的纤维化木单板为基本单元制备重组木,研究重组木在物理力学性能、表面性能及耐久性能方面的变化规律,并采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、多功能成像电子能谱仪(XPS)、固态核磁共振成像技术(NMR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、气相色谱质谱联用(GC-MS)等先进方法和仪器,对重组木在UV313紫外光源照射过程中微观结构、表面化学元素、结晶度以及光降解产物等理化特征变化进行表征分析,从而进一步探讨热处理对光老化的影响及揭示重组木紫外光老化降解机制,得到如下结论:(1)杨木纤维化单板经160℃/0.3MPa,180℃/0.3MPa条件下热处理后,多糖发生降解、抽提物增加、单板质量下降,质量损失率为2.22%和4.13%;颜色由淡黄色变为咖啡色直至黑褐色,明度L*分别降低了23.61%和51.39%,红绿轴色度指数a*分别升高了62.5%和75.1%,黄蓝轴色度指数b*先升高后降低,幅度分别为7.69%和23.07%;平衡含水率、吸水率和浸胶量均呈现下降的趋势,平衡含水率分别降低了40.94%和42.98%,吸水率和吸胶率分别降低了21.14%、49.51%和8.64%、15.89%;pH值降低,分别降低了4.27%和5.78%;综纤维素含量分别降低了4.90%和15.15%,半纤维素分别降低了10.17%、35.54%,α-纤维素含量分别降低了2.14%和4.67%,酸不溶木质素含量升高,分别升高了9.22%和28.04%。(2)FTIR结果显示:热处理后归属于半纤维素乙酰基C=O的特征峰1730 cm-1处强度明显降低,1510 cm-1代表木质素骨架C=C伸缩振动出现一定幅度的下降,1370 cm-1代表纤维素和半纤维素的C-H伸缩振动,热处理后该峰的强度降低,1163 cm-1和895 cm-1处的吸收峰分别代表半纤维素和纤维素基团C-O-C、C-H的伸缩振动,经过不同条件热处理后,这些峰强度减弱;XPS结果显示:杨木单板进行疏解后材料表面的O/C从0.34降低为0.31,原因在乎杨木单板疏解时受到机械力的挤压,导致抽提物从板材的芯层逐渐向表面渗透,表面抽提物含量增加,降低了纤维化单板表面的O/C。杨木纤维化单板在160℃/0.3 MPa和180℃/0.3 MPa条件下热处理后,O/C分别从0.31降到0.29、0.19,C1含量增加,C2含量降低,C1含量分别升高8.91%、47.53%;XRD结果显示:纤维素的结晶度分别增大了6.67%,20.67%。XPS结果显示:杨木单板进行疏解后材料表面的O/C从0.34降低为0.31,原因在乎杨木单板疏解时受到机械力的挤压,导致抽提物从板材的芯层逐渐向表面渗透,表面抽提物含量增加,降低了纤维化单板表面的O/C。杨木纤维化单板在160℃/0.3 MPa和180℃/0.3 MPa条件下热处理后,O/C分别从0.31降到0.29、0.19,C1含量增加,C2含量降低,C1含量分别升高8.91%、47.53%;XRD结果显示:纤维素的结晶度分别增大了6.67%,20.67%。(3)经160℃/0.3MPa、180℃/0.3MPa热处理后,重组木的MOR分别降低了13.33%和36.67%,MOE分别降低了4.76%、9.52%,HSS分别降低了5.56%和30.56%,CS分别降低了12.38%、21.90%,热处理后材料细胞壁半纤维素发生降解,而半纤维素在细胞壁中起着粘结作用,半纤维素的分解导致纤维素与木质素的分离,削弱了细胞壁的力学强度,宏观上表现为材料的力学性能下降;无论是63℃水泡24h还是100℃循环水煮28 h测试后,热处理后的重组木的吸水厚度膨胀率(TSR)都小于未经处理的重组木,在63℃水泡24h的条件下,经160℃/0.3MPa、180℃/0.3MPa热处理后,重组木的TSR分别降低了23.16%和57.92%,WAR分别降低了8.29%,28.0%,100℃循环水煮28 h的条件下,TSR分别降低了26.02%、45.38%,WAR分别降低了5.0%,29.88%;剖面密度分析表明,热处理后制得的板材断面密度比对照组重组木略均匀,160℃/0.3MPa制备的重组木断面密度与180℃/0.3MPa重组木断面密度分布无较大区别;热处理后耐腐性能得到了提高,其质量损失率从40.25%降为35.11%、20.15%;耐化学腐蚀,耐光老化性能都得到了不同程度的提高,但热处理并没有改善重组木的防霉性能。(4)木材中的木质素是光老化降解的主要物质,木质素未老化前,主要识别出4-羟基苯甲醛,乙醛,对羟基苯甲醛,1,3,3-三甲基双环[2,2,1]庚-2-醇等,木质素经光老化后,光降解产物主要有3-甲氧基苯甲酸,3,5-二甲氧基苯甲酸,松柏醛,丁香酸,4-羟基-3-甲基-2-丁酮,4-羟基-2-丁酮,4’-羟基-3’,5’-二甲氧基苯乙酮等,这些产物种类包括酮类、醛类、酸类等,其中大部分降解产物与木质素基本单元组成结构类似,这表明光老化过程中主要是木质素大分子发生了化学键断裂降解,这与前人研究结果相一致其中大部分降解产物与木质素基本单元组成结构类似,这表明光老化过程中木质素大分子发生了化学键断裂降解。(5)酚醛树脂与细胞壁中的半纤维素、纤维素和木质素中的部分活性基团反应,减少了羟基、羧基等基团数量,形成了新的稳定的化学交联;大部分胶黏剂分布在纤维化木单板因碾压和疏解形成的裂纹以及破损的导管细胞中,部分胶黏剂通过纹孔渗透进入到薄壁细胞的细胞腔和胞间层中,并附着在细胞腔的内表面,胶黏剂附着在木材表面并形成了一层薄膜,起保护木材的作用,光老化后胶黏剂先发生降解,降解特性与木材相似,因此重组木相对于杨木来说具有更优的耐老化性能。
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