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尾巨桉是广东省优先发展的速生树种,加工利用潜力大,广泛分布于我国南方,但因其生长快导致材质缺陷多,在高附加值的加工利用方面受到限制。而木材的颜色不均、渗透性差、漂白与染色困难等问题的产生均与木材抽提物密切相关。
木材漂白技术是人工速生材高附加值加工利用的关键,是提高人工林木材产品质量的有力保证,是有效利用人工速生材、显著提高其商业价值的可靠方法。速生材高效加工利用技术取决于其功能性的开发。如何改良木材颜色,提供高效、低成本的木材漂白新技术已成为当前高效利用尾巨桉材的重大难题。本研究瞄准科技前沿,着眼于南方盛产的尾巨桉材漂白机理与关键技术研究,从尾巨桉的木材抽提物入手,提出量化抽提法,应用FTIR、OCA20接触角测定仪等现代分析手段,从表面性质、化学官能团、抽提物三个层面出发,研究木材抽提物对木材漂白的影响机理及应用并建立数学模型,研究尾巨桉单板低成本、快速、均匀的漂白工艺与技术,旨在为解决尾巨桉木材高附加值利用问题提供理论支撑,为木材加工企业提供可行的木材高附加值利用技术,增加企业核心竞争力和效益。
经过试验研究和数据分析,结果如下:
(1)抽提对弦切面性质的影响是随着苯/醇抽提的抽出量的增加,尾巨桉材弦切面的接触角增大的平均值为60.77°,表面自由能减小的平均值为33.52mJ·m-2;碱抽提后,尾巨桉材弦切面上的水滴接触角随碱抽提物的抽出量的增加而减小,接触角减小的平均值为37.77°,表面自由能则随之增大,平均增大28.99mJ·m-2;无论是热水抽提,还是温水或冷水抽提,抽提处理后,尾巨桉材弦切面的水滴接触角均随水抽提物的抽出量增加而增大,其分别增大为34.77°、45.70°、33.42°;表面自由能则随之减小,减小量分别为21.48mJ·m-2、28.15mJ·m-2、24.07mJ·m-2。抽提对横切面性质的影响是随着苯/醇抽提物的抽出量的增加,尾巨桉材横切面的接触角增大,其差值为40.55°,表面自由能减小,负差值为25.93mJ·m-2;碱抽提后,尾巨桉材横切面的接触角随碱抽提物的抽出量的增加而减小,接触角差值为50.30°,表面自由能则随之增大,其差值为34.03mJ·m-2。无论是热水抽提,还是温水或冷水抽提,尾巨桉材横切面的接触角均随水抽提物的抽出量增加而增大,接触角差值分别为57.73°、17.75°、9.43°;表面自由能则随之减小,其差值分别为32.38mJ·m-2、13.62mJ·m-2、7.13mJ·m-2。
经苯/醇、水抽提处理后,水滴与尾巨桉材弦切面、横切面的接触角均增大,两切面的表面自由能降低;而碱抽提后,其接触角变小,表面自由能增大。经过抽提处理的木材,可以改变木材表面的物理化学性质,同时也改变木材表面原有的化学分子组成和极性,使改性后的木材表面自由能发生变化,影响木材表面的润湿性。
(2)抽提前后试样的红外光谱图显示,木材中含有羟基、甲基、亚甲基、叁键或累积双键、羰基、羧基、苯环、碳氯键、醚键、硝基、碳氧单键等官能团。苯/醇抽提后,当抽提物抽出量增加时,尾巨桉材中的O-H相对含量变化不甚明显,C-Cl、N=O、C-O的相对含量增大,C=O、N-H则是先增大后减小。当1%NaOH抽提物抽出量增加时,尾巨桉材中的C-O、C-Cl、N=O、N-H、O-H等官能团相对含量发生“N”形变化,C-O相对含量则先降低后增大。C-Cl、N=O、C-O、C=O、N-H、O-H等极性官能团的相对含量随尾巨桉木材热水抽提物抽出量的增大先减小后增大。温水抽提后,尾巨桉材的C-O、O-H、N-H、N=O等极性官能团的相对含量随抽出量增加先减小后增大,而C=O、C-Cl的相对含量波动较大。冷水抽提后,C-O、C=O、O-H、N-H、N=O、C-Cl等尾巨桉材中的极性官能团的相对含量具有减小的趋势。
(3)通过试验可知,抽提方法除冷水抽提对抽出量的影响显著外,温水抽提、热水抽提、碱抽提以及有机抽提对抽出量的影响均呈极显著。抽提方法及抽提工艺对木粉颜色的白度与色差呈显著性影响。木材抽提物数量变化对漂白后颜色影响显著,使漂白后木材颜色呈规律性变化。根据试验分析,结合一些经典模型,利用Origin技术通过非线性拟合,得到高度显著性的方程组,从而建立能准确反应尾巨桉材漂白后的白度和色差、漂白前的白度和色差、木材抽提物抽出量之间的关系的尾巨桉木材量化抽提和木材漂白机理的数学模型。经过模型检验,计算值与试验结果吻合较好,具有合理性和适用性。
(4)以色差为评价指标,时间与温度因素均呈极显著性影响,双氧水浓度与稳漂剂浓度因素影响较显著。以白度为评价指标,温度因素呈极显著性影响,时间、稳漂剂浓度、双氧水浓度三因素影响较显著。综合极差分析和方差分析,可以推断出各个因素对双氧水漂白尾巨桉单板的影响显著的主次顺序为:温度是影响尾巨桉单板漂白的最主要因素,其它因素的影响先后顺序为:时间、稳漂剂浓度、双氧水浓度。pH只影响漂白的速度,对漂白的效果几乎无影响。
(5)对尾巨桉单板抽提后进行漂白正交试验,得到的最佳漂白工艺为:双氧水浓度为5%,时间为90-120min,稳漂剂浓度为1.2%,温度为70℃,pH值为9-10。