PEG-硅溶胶复合改性木材的相变储热及尺寸稳定性研究

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木材改性技术是延长木材使用寿命,提高木材附加价值,拓宽木材应用领域的重要方法。聚乙二醇(PEG)浸渍改性是常用的木材尺寸稳定化技术,同时由于PEG具有优良的热性能,因此PEG改性木材也可用作相变储热材料。但是,PEG改性木材易吸湿,且在使用过程中PEG易泄漏,影响了其性能的发挥。针对以上问题,本研究采用PEG和硅溶胶两者复合改性木材,使用温度辅助溶胶-凝胶法在木材内形成Si O2网络结构,在降低改性材吸湿性的同时,对PEG进行限制防止其泄漏,从而制备出具有优良尺寸稳定性和相变储热性能的改性木材。研究对PEG-硅溶胶复合改性材的形貌和结构进行了表征,考察了改性材的尺寸稳定性、吸湿性等物理性能和相变储热性能、温度调节性能、循环耐久性、热稳定性等热性能,对比分析了不同改性工艺、改性剂配比和树种对PEG-硅溶胶复合改性材性能的影响。主要结论如下:(1)在PEG-硅溶胶复合改性木材中,改性剂在细胞腔和细胞壁内均有分布。采用偏光显微镜(POM)测试发现通过该技术成功在木材细胞腔内构建了Si O2网络结构,从而将PEG有效地固定在木材孔隙内,防止其在固液相变过程中发生泄漏。同时发现,木材多孔结构和Si O2网络结构的物理限制作用会影响PEG的结晶行为。(2)对南方松试材进行PEG-硅溶胶复合处理,能够显著提高木材的吸湿尺寸稳定性,同时减缓木材吸湿进程,在一定程度上降低吸湿率。改性后的南方松试材具有一定的储热能力,熔融焓值最高可以达到46.7 J/g,表现出了较好的温度调节性能。Si O2的添加能够改善PEG的泄漏,提高改性材的热稳定性,改性材在经过400次加热-冷却循环后相变焓值基本不变,表现出了优异的循环耐久性。改性材的性能可通过改变改性剂中PEG和Si O2的比例来进行调控,以满足不同使用条件下的具体要求。(3)对南方松和巴沙木两种树种改性材性能的对比分析表明,PEG-硅溶胶复合改性对两种改性材性能的影响存在一定的差异。PEG-硅溶胶复合改性对巴沙木吸湿性和尺寸稳定性的改善效果不如南方松。在相变储热性能方面,巴沙木改性材因其轻质和高孔隙度,获得了较高的相变焓值。同时,由于较少的PEG负载量以及巴沙木本身复杂的微观结构和较差的孔隙连通性,PEG能够较为稳定的被限制在巴沙木的孔隙中,因此,无论是PEG-硅溶胶复合改性还是PEG单独改性的巴沙木试材,都具有较好的循环耐久性。两种树种改性效果的差异是由不同的浸渍方式以及试材本身不同的解剖构造导致的,但总体来看,PEG-硅溶胶复合改性的两种木材都表现出了优异的尺寸稳定性与热性能。
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