论文部分内容阅读
当今世界经济的迅猛发展和人们生活水平不断提高,大大推动人造板行业发展,随之带来林木资源匮乏、生产能耗大、游离甲醛释放等问题严重制约着行业发,威胁人类健康和生态环境。应用生物绿色改性技术,开发研制环保型生物质复合材料无疑成为解决这一问题的有效途径,对人造板清洁生产、低碳加工具有重要意义。本研究以来源于林木剩余物的木纤维作为基体组分,利用漆酶-香草醛体系和复配改性技术分别对木质素磺酸铵进行活化改性,采用“高速混合-平板热压”法,制备两种环保型木质材料。主要包括四部分内容：第一,基于酶法改性和复配改性条件的单因素试验,设计正交试验进行复合材料理化性能的直观分析和方差分析,分别提出酶法改性和复配改性的优化工艺条件；第二,基于响应面法优化分别确定酶法改性和复配改性木质素磺酸铵条件下复合材料制备工艺参数；第三,应用接触角测定仪、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射分析、动态热机械性能分析、环境扫描电子显微镜等分析技术探究基于不同改性木质素磺酸铵制备的复合材料的结合性能及其结合机理。第四,基于ISO14040-2006和GB/T24040-2008中生命周期评价的基本技术框架,利用GaBi6.0软件对传统中密度纤维板和复配改性木质素磺酸铵／木纤维复合材料进行生命周期评价。本研究的结论归纳如下：(1)在两种改性条件下,木质素磺酸铵的化学结构、反应活性等均得到一定的改变和提高。在漆酶-香草醛体系下,主要以氢原子转移为主,木质素磺酸铵分子结构中羟基增多,酚羟基减少；在碱性H202氧化条件下,主要以氧化降解为主,羟基和甲氧基明显减少,羰基和酚羟基有所增多。改性条件对复合材料理化性能存在明显的影响规律,木质素磺酸铵的优选改性工艺条件为：在漆酶-香草醛体系下,漆酶用量140U/g·木质素磺酸铵,香草醛用量1 wt%,活化温度45℃,氧化时间2.5 h；在复配改性条件下,H202用量20 wt%, OMIL与PEI质量比7：1,pH值10,氧化时间2.0h。(2)以木纤维为基体,分别以两种改性木质素磺酸铵为粘结相,制备酶法改性木质素磺酸铵／木纤维复合材料(LMIL/WF)和复配改性木质素磺酸铵／木纤维复合材料(HMIL/WF)。采用响应面优化法件对分别建立以LMIL/WF材料和HMIL/WF材料的理化性能为响应值的回归模型,通过方差分析表明所建立的预测模型准确可靠,改性木质素磺酸铵、热压温度、热压时间以及它们之间的交互作用对复合材料的理化性能均存在不同程度的显著影响。通过响应面优化法综合分析确定,LMIL/WF材料的最优工艺参数：LMIL用量32%,热压温度为170℃,热压时间为5.5 min; HMIL/WF材料的最优工艺参数为：OMIL用量30%,热压温度为170℃,热压时间为5.5 min。(3)未改性木质素磺酸铵／木纤维复合材料(UMIL/WF)初始接触角明显小于LMIL/WF和HMIL/WF的初始接触角,随着时间的延长UMIL/WF与LMIL/WF和HMIL/WF的差距呈递增式增长；木纤维与改性木质素磺酸铵之间能够发生化学结合,主要以耦合反应和缩聚反应为主；复合材料中木质纤维素晶体自身的晶型结构依然保留着天然纤维素的单斜晶结构,通过添加改性木质素磺酸铵提高了复合材料的相对结晶度。与UMIL/WF材料相比,基于两种改性木质素磺酸铵制备的复合材料的热机械性能得到提高。其中,LMIL/WF比HMIL/WF的略低,两者之前的损耗角因子相差不大,改性木质素磺酸铵的加入对复合材料的耐热性影响较小。两种改性木质素磺酸铵制备的复合材料横断面形貌特征均属韧性材料特征,交织致密,界面粘结性能良好。(4)为环保型木质基复合材料生产提供清洁生产的机会和途径,基于ISO 14040-2006和GB/T24040-2008中生命周期评价的基本技术框架,结合标准开展生命周期评价的基木路线,以传统中密度纤维板(MDF)和复配改性木质素磺酸铵／木纤维复合材料(HMIL/WF)为研究对象,针对两种产品的实际生产过程,利用GaBi 6.0 LCA软件构建各阶段工艺模型,对比分析产品制造过程的各阶段产生的环境影响,结果表明纤维制造阶段的环境负荷最大,其中电力生产、热能生产和粘合剂生产成为影响环境的主要方面。作为环境友好型产品,两种材料的温室效应损害均为负值,相比MDF产品,HMIL/WF材料的温室效应影响较小,但总体环境负荷较高。作为环境友好型产品,两种材料的温室效应损害均为负值,相比MDF产品,HMIL/WF材料的生产在节能减排方面较为突出,但总体环境负荷较高。