落叶松高温热处理-植物油蜡浸润工艺研究及材料性能分析

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兴安落叶松(Larix gmelini)是房屋建筑、土木工程、电杆、船舶和木纤维工业所需的原材料。但因其心边材色差明显、尺寸稳定性差,在室外应用场景中,其耐用程度受外界因素影响,导致适用范围一直受到限制,实体木材热改性技术可以有效改善落叶松木材的性能。在此基础之上,国外研究学者探讨通过植物油蜡改性木材,以增加热改性木材在室外应用中的颜色稳定性及环境耐久性。本研究以兴安落叶松木材为研究对象,以常压过热蒸汽高温热处理为改性手段,分别设置四个梯度水平(热处理温度为160℃、180℃、200℃、220℃;热处理时间为2h、4h、6h、8h),共计16组试验,探讨落叶松心边材的色彩差异并进行颜色动力学分析,以便对落叶松热改性过程中的颜色变化进行预测;通过预聚处理自制植物油蜡混合溶液对热改性落叶松进行植物油蜡浸润处理,对比热处理工艺与热处理-植物油蜡浸润工艺对兴安落叶松木材的物理力学性能、尺寸稳定性的影响,并探讨减小落叶松心边材之间色差的工艺方法,采用傅立叶红外光谱分析植物油蜡对落叶松材色的影响机制;在室外自然环境下进行为期一年的耐候试验,探讨2种处理工艺下落叶松室外耐候性能,以扩大落叶松的应用范围。本论文的主要结论如下:(1)高温热处理落叶松木材的吸湿含水率与湿胀性随着热处理强度增加而逐渐降低。心材的吸湿含水率与湿胀率略大于边材,热处理导致亲水性基团-OH的减少,可减小木材的吸湿性而改善尺寸稳定性;经植物油蜡浸润处理后,落叶松木材的吸湿含水率与湿胀率有明显的降低,心边材的吸湿含水率下降范围分别为19.71%~57.92%与33.58%~69.43%,落叶松木材的径向湿胀率下降幅度较大。热处理-植物油蜡浸润联合处理工艺可大幅度提升落叶松木材的尺寸稳定性。(2)落叶松木材的抗弯强度(MOR)与抗弯弹性模量(MOE)随着热处理强度的增加而减小,热处理温度大于200℃时,力学性能下降较为明显,心材与边材的最大降幅分别为53.48%与65.02%,且落叶松边材力学强度始终略低于心材的力学强度;热处理-植物油蜡浸润落叶松木材的抗弯强度与顺纹抗压强度整体略小于热处理木材,在220℃的处理温度下,力学性能下降明显,植物油蜡浸润使木材内部发生交联反应,脆性增加。(3)落叶松颜色的明度值(L*)随热处理强度的增加而减小,心材与边材明度值最大降幅为48.23%与48.61%;红绿色品指数(a*)随热处理强度的增加呈现先增大后减小的趋势;热处理材的黄蓝色品指数(b*)整体呈减小趋势,心材与边材的最大降幅为59.56%、44.69%;总色差受L*指标与b*指标的影响也随热处理强度的增强而逐渐增大。颜色动力学分析落叶松热处理整体颜色变化,热处理温度越高,要达到相应颜色变化所需的活化能越大,其反应速率也越大。(4)对落叶松心材与边材分别施以不同的热处理强度,可以得到提升落叶松心边材色彩均一性的不同工艺组合,热处理落叶松有7组减小心边材色彩的组合,最小色差为0.98;对热改性落叶松木材进行植物油蜡浸润处理,其色彩饱和度有一定提高,共发现12组减小心边材色差的组合,最小色差值为1.19。联合处理工艺比传统热处理工艺增加了木材表面颜色调控的灵活性。(5)热处理落叶松与热处理-植物油蜡浸润落叶松样品在经过10个周期(360天)的室外耐候性测试,经过植物油蜡浸润处理的落叶松木材表现处出更好的尺寸稳定性,其开裂变形等级也优于热处理木材,耐候性能较为优良;不同处理温度下的落叶松心边材之间的色差皆随着耐候周期的延长而逐渐减小。
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