基于超疏水和热改性技术的杨木尺寸稳定化研究

发布时间：2020-07-17 11:09

【摘要】：木材作为四大原材料之一,是一种可再生、可循环利用和可自然降解的绿色环境友好材料。然而,我国原生优质森林资源严重匮乏,速生人工林木材虽量大,却材质差、易变形,难以满足建筑、家居等领域对木材质量的要求。杨树作为我国种植面积最广、也是山东省境内最主要的速生人工林树种,其材质松软、易变形导致尺寸稳定性差,影响了这部分储量丰富的杨木资源的高效利用。为此,本研究选用杨木为原材料,重点探索了两种技术:仿生超疏水自清洁技术和高温热改性技术,来改良杨木的尺寸稳定性,以期获得杨木尺寸稳定化的关键技术;在此基础上,对比筛选出优化技术,对极易变形的压缩杨木进行尺寸稳定化处理,以验证该优选技术的有效性和实用性。研究结果如下:(1)受大自然荷叶超疏水自清洁特性的启发,用溶胶-凝胶法合成了乙醇载的纳米二氧化硅超疏水乳液,其粒径约110nm,它可稳定悬浮于乙醇溶剂中超过一年时间,且绿色环保,价格低廉;其喷涂于木材表面,纳米二氧化硅均匀分布在木材微米级粗糙结构表面,构成了均匀的微纳米层级结构,使得木材获得静态水接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水表面,且该涂层并不影响木材表面的视觉效果,改性木材获得极佳的尺寸稳定性,连续浸泡水24小时,尺寸几乎不膨胀,表明该技术改良的木材具有了优异的尺寸稳定性,且该技术可保障木材力学强度,赋予木材一定的热稳定性和自清洁特性;然而,该超疏水表面的耐磨性较差,200g砝码重力下,耐240目砂纸磨损的能力不超过20次(每次移动10cm),影响了该技术的广泛应用。(2)利用高温热改性技术,在真空条件下处理杨木,分别探讨了170℃、180℃、190℃、200℃、210℃条件下,不同处理时间的杨木的尺寸稳定性。研究结果表明,190℃、10小时条件下,杨木在力学强度不发生显著降低的情况下(木材的抗弯强度、抗压强度、耐磨性能和冲击韧性都会发生不同程度下降),获得了较佳的尺寸稳定性;化学组分中吸水羟基减少,是导致其尺寸稳定性改善的主要原因。(3)对比两种尺寸稳定化技术,从性价比和易推广角度分析,优选高温热改性技术,并以此来进一步处理压密化木材,以检验高温热改性技术对极易变形的压缩木材的尺寸稳定性的改善效果,同时,通过压密技术来解决高温热改性木材力学强度降低的弊端。结果表明,压密化木材在不同压缩比例(30%、50%、70%)的情况下,高温热改性技术均可明显提高其尺寸稳定性,且改良后的压密化木材具有比未改性杨木更高的力学强度,证明了该技术的有效性和实用性。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S781.62
【图文】：

技术路线图,尺寸稳定化,热改性,筛选技术

基于超疏水和热改性技术的杨木尺寸稳定化研究选技术。重点研究压缩杨木的不同压缩率(30%，50%，70%)下的工艺条件，通过表征与性研究筛选技术对压缩木材尺寸稳定化改性的效果。技术路线本文技术路线图如下:

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2.1 超疏水技术处理荷叶表面的疏水自清洁特性是自然界典型的超防水现象。其本质是由荷叶表面微纳米复合结构和疏水组分共同作用所致。受此现象启发，在木材上设计构建超疏水表面，使木材具有类似荷叶的超防水特性，已成为木材防水、尺寸稳定化研究的热点和前沿。木材是具有微米级孔隙直径的多孔结构材料，拥有天然的微米级表面粗糙度。因此，要使木材获得超疏水表面，理论上，只需构建纳米级结构和做低表面能处理即可实现。有关纳米结构构建的研究已见诸多报道，如溶胶-凝胶法、低温水热共溶剂法、模板法、共沉淀法、等离子体法、化学气相沉积法等。但这些方法都存在操作复杂，不宜规模产业化的弊端。为此，本文研究提出新的技术构思（见图 2.1），即预先合成绿色环保、稳定悬浮的功能乳液，通过简单的喷涂手段，直接构建木材超疏水表面，以期该技术做木材尺寸稳定化的颠覆性创新技术，有效解决木材遇水易变形难题，并在木材工业中规模产业化。

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图 2.2 热改性木材原理示意图Figure 2.2 Schematic diagram of thermal modification wood1 实验材料杨木板材购自山东泰安的木材市场。根据 GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解样截取方法》将杨木板材加工成合适的尺寸，以备试验。2 实验仪器本实验中所用试验仪器设备型号及厂家见表 2.3。表 2.3 仪器设备型号及生产厂家Table 2.3 Instrument model and manufacturers仪器型号厂家真空干燥箱 DZF-6050 上海汇泰仪器制造电子天平 JJ224BC 常熟市双杰测试仪器厂电子游标卡尺 0-200mm 德国麦思德3 实验方法本试验以温度和时间两大因素作为主要考察指标，处理温度设置为 160℃、170℃

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