湿热处理对毛竹物理及化学性能的影响

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随着我国木材资源的减少和价格的上涨,分布广泛、生长周期短、力学性质好的竹材成为了替代木材的最佳材料。然而,竹材易吸湿解吸、尺寸稳定性差,且含有比木材更多的淀粉、糖类以及蛋白质等营养物质,在使用过程中会发生变形甚至开裂、发霉等现象,影响其在湿度变化大的环境下的利用。研究表明,湿热处理可在一定的湿度和温度作用下提高木材的尺寸稳定性及耐久性能,但在竹材上的研究较少。深入探究并分析湿热处理对竹材物理与化学性能的影响,对获得最佳的竹材湿热处理工艺、提高其使用寿命、扩大其适用范围、满足其在湿度变化大的环境下的利用,具有重要的理论价值和实践意义。本文将四年生毛竹作为研究对象,在不同温度(160°C、180°C、200°C以及220°C)条件下,利用过热蒸汽对其进行湿热处理,采用扫描电镜、分光光度计、接触角测量仪、热重分析、显微红外和二维核磁等多种物理以及化学性能表征方法,研究了不同湿热处理条件下毛竹的物化性质,包括表面形貌、物理颜色、接触角、抗胀缩率、热稳定性,以及主要化学成分、特征官能团、化学联接键等的变化规律,揭示了湿热处理对竹材物理性能及化学成分的影响机理,指出180°C是竹材的最佳湿热处理温度。本论文的主要结论如下:(1)200°C湿热处理后,纤维细胞以及薄壁细胞出现了分层现象和一些孔隙,并且处理温度升高到220°C后这两种现象更为明显。(2)与未处理的对照样品相比,湿热处理后竹材的颜色明显加深,亮度明显下降,色差值随着温度的升高而明显增加,毛竹的疏水性以及尺寸稳定性明显提高。微分热重最大值、统计耐热指数温度以及灰分含量都是随着湿热处理温度的提高而增加,表明毛竹的热稳定性随着处理温度的提高而增加。最快降解速率所对应的温度在湿热处理温度为200°C时达到了最大值,初始分解温度与统计耐热指数的变化速率都是在湿热处理温度为180°C的时候增加最为明显,印证180°C是竹材的最佳湿热处理温度。(3)红外分析表明,随着湿热处理温度的升高,毛竹半纤维素中的木聚糖逐渐发生降解,乙酰基降解形成了乙酸,并进一步催化了半纤维素的水解;1026 cm-1处不对称芳香醚弯曲振动吸收峰的强度降低,在220°C处理后其相对强度下降了21%,说明木质素中的醚键发生断裂。1597 cm-1处的吸收峰对应于芳香骨架振动以及与芳香骨架相连的C=O伸缩振动,相对强度在220°C的湿热处理后降低了18%,表明竹材中的C=O减少。180°C湿热处理后,899 cm-1以及1153 cm-1处β-(1-4)-糖苷键中的C-H以及纤维素中的C-O-C拉伸振动吸收峰的强度增加,并且向更高的波长903cm-1和1154 cm-1移动,说明竹材的结晶度增加,非晶区的结构发生变化。湿热处理后,3340 cm-1处的羟基吸收峰强度下降,形成了更稳定的氢键,从而导致了竹材尺寸稳定性提高。(4)二维核磁研究表明,半纤维素木聚糖信号在湿热处理后强度下降,220°C湿热处理后,木质素β-O-4键发生了明显的断裂,其含量在220°C湿热处理后减少了37.5%;β–β联接键消失,木质素S型单元的羟基被氧化;木质素S型单元发生缩合,从而提高了竹材的尺寸稳定性。在较高的湿热处理温度下,木质素H型单元的相对含量提高,说明少量的木质素G型单元转化成为了H型单元,从而导致S/G从对照样品的2.0增加到220°C湿热处理样品的13.1。阿魏酸在湿热处理后减少,说明木质素与半纤维素之间的联接键被断开,从而导致了竹材的结构变得松散。而对香豆酸与木质素之间的酯键即使在220°C的高温下也没有完全断裂。
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