速生林木材的高效利用是解决目前森林资源短缺的主要办法,但由于速生林木材生长周期短,存在材质差、尺寸不稳定和力学强度低等缺陷。化学改性可以改善木材的力学强度、尺寸稳定性和耐久性等性能,能提高速生林木材的利用附加值,并拓展其应用范围。有机单体原位聚合处理技术能显著提高木材的密度、硬度、机械强度和阻湿性;然而,使用有机单体处理木材难以实现工业生产,主要原因是有机单体的挥发会导致空气污染和成本的增加,以及有机单体回收工艺复杂且具有潜在的爆炸危险。针对木材处理过程中单体的挥发和化学性不稳定的问题,使用无甲醛的烯烃基低聚物水分散体作为木材处理剂是一种新的选择。本文以速生林木材-辐射松和杨木为研究对象,采用水性苯乙烯/丙烯酸共聚物分散体(苯/丙共聚物)对木材进行真空-压力浸渍处理,对苯/丙共聚物处理后木材的物理力学性能、尺寸稳定性、耐老化、耐腐朽等性能进行了评价,分析了该处理剂在木材细胞结构中的分布情况以及与木材组分的反应机理,阐明了苯/丙共聚物对木材的增强机制。本文主要的研究内容与结果如下:(1)优化了苯/丙共聚物处理辐射松木材的工艺,并评价了其对处理材物理力学性能的影响。筛选出较优固化工艺为:固化温度120℃,时间24 h,催化剂浓度0.2 wt%;对处理材的主要物理力学性能、尺寸稳定性和热稳定性能进行了评价与分析,结果表明:处理材的最大增重率约42%,相应的绝干密度达到约0.67 g/cm3;由于高温固化过程中处理材在碱性环境下半纤维素的轻微降解,使得其对木材的尺寸稳定性没有积极作用;吸湿性有轻微的降低;此外,由于共聚物在细胞腔中的沉积占据了水分传递的通道使得吸水率比未处理材降低近40%。处理材力学强度有显著的提升;弯曲断裂模量(MOR)和弹性模量(MOE)均提高了近25%;表面硬度和在纵向的压缩强度分别提高了约32%和44%;而冲击强度几乎不受影响。处理材的热稳定性能没有变化,结晶度也几乎不受影响。使用傅氏转换红外线光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对处理材进行分析,得出由于苯/丙共聚物分子量大,其不能进入木材的细胞壁而只能在细胞腔内沉积;位于细胞腔的共聚物填充体不与木材组分发生化学反应,但能与细胞壁紧密结合并牢固的存在木材内部。(2)评价了水性苯/丙共聚物处理对木材耐候性能的影响。FTIR和X射线光电子能谱(XPS)测试表明,苯/丙共聚物处理延缓了人工老化过程中木质素的降解,保护作用随着处理液浓度的增加而增强。经人工老化后,处理材的水接触角比未处理材下降要慢。SEM进一步揭示了苯/丙聚合物沉积在木材的细胞腔中,有助于抑制水分扩散和光(尤其是紫外线)穿透木材细胞壁。在12个月的室外老化中,处理材比未处理材表现出更低的含水量和吸水率。使用苯/丙共聚物处理可以提高表面颜色稳定性,减少由染色真菌和污染物引起的变色;处理材比未处理材表现出更少的木材老化降解。综合结果表明,苯/丙共聚物处理能显著提高木材的耐候性。(3)评价和表征了苯/丙共聚物处理杨木与辐射松的耐腐朽性能。采用质量损失和SEM对白、褐腐测试12周后的木材试样进行表征;在褐腐后,未处理材质量损失近53.8%,处理材的仅为8.5%。这是由于共聚物沉积在木材细胞腔和堵塞细胞壁纹孔,阻碍了水分传递和占据了真菌的生长空间限制了真菌的生长和扩散繁殖。在土壤软腐的测试中,未处理杨木和处理杨木在经过40周的软腐之后质量分别损失了约52%和35%;在软腐的早期,处理材的腐朽速度明显要低于未处理材,这说明苯/丙共聚物处理延缓了木材软腐的发生。由于苯/丙共聚物的无毒性,处理对桔青霉和黑曲霉没有杀灭作用;而在土壤培养箱霉菌侵染的过程中发现,由于苯/丙共聚物处理能轻微降低木材的吸湿性,使得处理材能限制霉菌的侵染并能延缓霉菌在其表面的生长繁殖速度。(4)评价了苯/丙共聚物与小分子改性剂复合改性处理对木材尺寸稳定性与力学性能的影响。苯/丙共聚物处理是以细胞腔填充为主,处理后木材ASE为负值。因而,将三种小分子量试剂:1,3-二甲基-4,5-二羟基乙烯脲(DM)、戊二醛(GA)和N-甲基丙烯酰胺(NMA)分别与不同浓度的苯/丙共聚物混合,用于在细胞壁和细胞腔水平上共同改性木材。处理材的增重率和密度都随着处理液浓度的增加而增大,在复合处理液为10%DM/20%苯/丙共聚物时,处理材的增重率达到近54%,相应的绝干密度达到约0.68g/cm3;复合改性液处理后的木材的尺寸稳定性和阻湿性得到了改善。复合改性剂处理后的木材的力学强度有显著的提升,处理后木材的MOR、MOE和压缩强度分别提高约36%、36%和124%,冲击强度几乎不受影响。使用FTIR、XRD和SEM对复合处理材进行表征发现,小分子渗透进入木材的细胞壁,对其进行充胀或与木材组分之间发生交联反应,改善了木材的尺寸稳定性;大分子的苯/丙共聚物填充在木材的细胞腔提高了木材的力学强度,两者发挥各自优势,实现了细胞壁和细胞腔的共同增强。综上所述,水性苯/丙共聚物处理提高了木材的阻湿性、力学性能、耐候性和耐腐朽性能,又因其水性特征使其具有环保的优点。虽然使用小分子改性剂混合能轻微改善其对木材尺寸稳定性的负面作用,但是如何简单且高效的消除这种负面影响,并使其实现产业化应用,还需做更多的研究工作。