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木材防腐是改善木材性能,提高木材附加值的常用方法,但一直以来木材防腐处理工艺大多依靠经验,缺乏理论指导依据。论文以杨木和杉木为研究对象,基于分形原理与木材渗透原理,对工业中常用的水载型防腐剂在木材中的吸附和固着进行研究。论文研究了常温常压浸渍、真空浸渍、真空加压浸渍方法对防腐剂渗透和吸附的影响,研究了不同木材干燥状态下防腐剂的渗透机制,利用FTIR、ICP-OES、SEM等分析仪器表征木材处理前后的官能团变化、有效元素含量及表面特征等,以明确ACQ-C在木材中的固着及吸附状态。论文采用NaOH、乙醇抽提、活性酶处理、木材热处理及微波处理方法对木材进行预处理,研究不同预处理方法对木材吸药量及抗流失性的影响并得出最佳的预处理方法。论文研究了木材主要化学成分纤维素、半纤维素、木质素对ACQ-C的渗透和吸附,并进行了定性和定量分析。利用Matlab的图像处理功能对木材灰度图像进行黑白二值化处理,采用盒维数法对图像进行计数,以测得杨/杉木的盒维数,以Darcy定理和Poiseuille定理为基础,建立木材孔隙分形维数与渗透性的关系,选取影响吸附与固着的主要因素作为参数,进行编程计算和数据回归,拟合出基于木材孔隙分形维数的吸附方程,进行验证分析。
论文突破了传统上采用线性回归方法来研究木材相关性能的局限性,得到的研究成果可对木材防腐剂的配方改良、木材改性工艺、木材热处理等提供理论依据,对木材工业的发展具有理论指导意义。论文的创新性在于:将分形理论应用于木材防腐领域,基于分形原理与木材渗透机理,将木材改性工艺参数优化集成,得到ACQ-C在木材孔隙中渗透及固着的分形模型,实现了通过对木材孔隙结构的分形计算来确定木材最佳浸注工艺条件,从而解决了木材防腐质量难于控制的关键技术难题,改变了传统的经验式工艺研究惯例,为木材改良提供新思路。
研究得出以下主要结论:
(1)木材种类及浸渍工艺对ACQ-C在木材中的浸渍吸药量有显著影响。杉木与杨木在常压浸渍时的体积吸药量相当。在采用真空法和真空加压法时,杉木体积吸药量分别比常压法增加了33%和131%;杨木体积吸药量分别比常压法增大了62%和128%。
(2)在常压浸渍过程中,干燥方式对吸药量的影响较为明显,且对杨木的影响大于杉木;真空冷冻干燥后的木材吸药量最大,大气干燥次之,常规高温干燥最小。铜离子在木材中的固着与木材含水率存在相关性,真空冷冻干燥可使铜离子的固着量得到提高,冷干后杨木中铜离子的固着量比气干材高13.7%,杉木则高13.2%。
(3)经过NaOH、乙醇抽提、微波预处理和酶处理后,杨木的体积吸药量与未处理材相比分别提高了21.3%、11.0%、65.0%和16.0%;而杉木则提高了7.5%、19.0%、69.0%和15.0%。
(4)预处理后铜离子的固着率有较明显提高,其中微波预处理后杨木和杉木的固着率分别提高了10.67%和14.99%;乙醇抽提处理后杨木和杉木的固着率分别提高了5.88%和0.62%;木材热处理后杨木和杉木的因着率分别提高了6.31%和0.89%;NaOH预处理后试件抗流失性明显变差,杨木和杉木的固着率分别下降了近17.83%和34.07%左右;酶处理后杨木和杉木的固着率分别下降了19.87%和16.30%。
(5)利用计盒维数的方法进行分形维数的计算,最后得出杨木的分形维数为DY=1.7598~1.8841;杉木的分形维数为Ds=1.8499~1.8941。根据达西定律和Poiseuille定律,建立起木材分形维数D和渗透率K之间的关系,即K=π/128 1/A Df/4-Dfλ4max。
(6)木材的体积吸药量与各因素的自变量的关系符合线性关系,得到杨木的方程为:Ay=0.1793K+0.2848P+0.5719T-0.2645C+0.0779;杉木的方程为:As=-0.1396K+0.6248P+0.6036T-0.0088C+0.0711。预测值与实际测试值有较好的吻合。
论文突破了传统上采用线性回归方法来研究木材相关性能的局限性,得到的研究成果可对木材防腐剂的配方改良、木材改性工艺、木材热处理等提供理论依据,对木材工业的发展具有理论指导意义。论文的创新性在于:将分形理论应用于木材防腐领域,基于分形原理与木材渗透机理,将木材改性工艺参数优化集成,得到ACQ-C在木材孔隙中渗透及固着的分形模型,实现了通过对木材孔隙结构的分形计算来确定木材最佳浸注工艺条件,从而解决了木材防腐质量难于控制的关键技术难题,改变了传统的经验式工艺研究惯例,为木材改良提供新思路。
研究得出以下主要结论:
(1)木材种类及浸渍工艺对ACQ-C在木材中的浸渍吸药量有显著影响。杉木与杨木在常压浸渍时的体积吸药量相当。在采用真空法和真空加压法时,杉木体积吸药量分别比常压法增加了33%和131%;杨木体积吸药量分别比常压法增大了62%和128%。
(2)在常压浸渍过程中,干燥方式对吸药量的影响较为明显,且对杨木的影响大于杉木;真空冷冻干燥后的木材吸药量最大,大气干燥次之,常规高温干燥最小。铜离子在木材中的固着与木材含水率存在相关性,真空冷冻干燥可使铜离子的固着量得到提高,冷干后杨木中铜离子的固着量比气干材高13.7%,杉木则高13.2%。
(3)经过NaOH、乙醇抽提、微波预处理和酶处理后,杨木的体积吸药量与未处理材相比分别提高了21.3%、11.0%、65.0%和16.0%;而杉木则提高了7.5%、19.0%、69.0%和15.0%。
(4)预处理后铜离子的固着率有较明显提高,其中微波预处理后杨木和杉木的固着率分别提高了10.67%和14.99%;乙醇抽提处理后杨木和杉木的固着率分别提高了5.88%和0.62%;木材热处理后杨木和杉木的因着率分别提高了6.31%和0.89%;NaOH预处理后试件抗流失性明显变差,杨木和杉木的固着率分别下降了近17.83%和34.07%左右;酶处理后杨木和杉木的固着率分别下降了19.87%和16.30%。
(5)利用计盒维数的方法进行分形维数的计算,最后得出杨木的分形维数为DY=1.7598~1.8841;杉木的分形维数为Ds=1.8499~1.8941。根据达西定律和Poiseuille定律,建立起木材分形维数D和渗透率K之间的关系,即K=π/128 1/A Df/4-Dfλ4max。
(6)木材的体积吸药量与各因素的自变量的关系符合线性关系,得到杨木的方程为:Ay=0.1793K+0.2848P+0.5719T-0.2645C+0.0779;杉木的方程为:As=-0.1396K+0.6248P+0.6036T-0.0088C+0.0711。预测值与实际测试值有较好的吻合。