木材乙酰化及其作用机制研究

发布时间：2017-12-01 10:10

  本文关键词：木材乙酰化及其作用机制研究

  更多相关文章： 乙酰化 杨木 樟子松 尺寸稳定性 力学强度 作用机制

【摘要】：乙酰化处理是一种非常有效的可提高木材尺寸稳定性、生物耐腐性及抗光降解性的木材化学改性方法,目前,乙酰化木材已在许多国家实现了商业化生产,但在我国至今也未形成自有知识产权的木材乙酰化处理设备及相关技术。采用乙酸酐在无催化条件下处理木材的乙酰化工艺可简化反应液后期的分离回收,降低处理成本,但该工艺在浸渍预处理、反应温度和反应时间及反应液不同配比等因子对木材乙酰化效果的影响方面缺乏全面、系统的研究,且对木材性能变化的影响机制尚不明晰。因此,研究无催化的乙酰化工艺对木材乙酰化处理效果及性能变化的作用机制,将为木材乙酰化工艺优选及性能调控提供理论依据和技术参考,为我国人工林木材功能性改良及高附加值利用提供新途径,对实现木材乙酰化技术国产化具有十分重要的意义。本研究以乙酸酐为反应液,采用酸酐液相浸渍预处理、再液相加热的乙酰化技术工艺,在无催化条件下对我国人工林杨木和樟子松木材进行乙酰化处理,考察了浸渍预处理时间、反应温度、反应时间以及反应液不同配比4个因素对乙酰化木材增重率的影响规律,并对不同反应条件及不同增重率的乙酰化木材的物理力学性能进行了测试与分析,通过建立反应工艺与木材各项性能之间的相关关系,进一步优化了木材乙酰化处理工艺；应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、固态核磁共振仪(Solid-state NMR)及X射线表面光电子能谱(XPS)等一系列先进仪器设备,深入研究了乙酰化木材的微观结构、结晶度、化学组分与基团变化、乙酰化反应位置及乙酰化木材表面化学结构等的变化,系统分析了这些变化与乙酰化木材宏观物理力学性能之间的内在联系,揭示了乙酰化处理引起木材宏观性能变化的微观本质,探明了木材乙酰化反应机理。主要研究结论如下：1.乙酰化杨木和樟子松的增重率随浸渍时间的延长均呈现先增大后持平的趋势,且随反应温度的升高和反应时间的延长而逐渐增大,随着反应液中乙酸含量的增加呈先缓慢增大后逐渐减小的趋势。2.乙酰化处理后,杨木和樟子松的充胀率、抗胀率、密度均随着增重率的增大而增大,而吸湿率、吸水率及体积湿胀率均随增重率的增大逐渐减小。乙酰化杨木和樟子松的抗胀率均随反应温度的升高和反应时间的延长而逐渐增大。反应温度120℃以上的乙酰化处理会在一定程度上降低杨木和樟子松的弹性模量和抗弯强度。3.以增重率、抗胀率、弹性模量及抗弯强度为评价指标,优选出适合杨木和樟子松木材的乙酰化反应工艺为：反应温度100℃,反应时间4h。在优化工艺的条件下,经乙酰化处理的杨木增重率达到19.2%,樟子松增重率达到22.6%,其抗胀率均达60%以上,弹性模量和抗弯强度与未处理材相当。4.SEM和XRD分析结果表明,当反应温度低于120℃时,乙酰化处理对木材的微观构造不会产生破坏作用,对木材结晶度的影响也不大；但在120℃及以上温度进行乙酰化时,会引起木材细胞壁的变形、破坏,且两种木材的结晶度相比未处理材及其他较低反应温度下的乙酰化处理材均明显降低。乙酰化处理后,杨木和樟子松木材的木质素、α-纤维素含量均有所降低,半纤维素含量相对增多,苯-醇抽提物和热水抽提物均有不同程度的减少。5.利用X射线表面光电子能谱、傅里叶红外光谱、固态核磁共振揭示了木材乙酰化作用机制。木材的乙酰化反应主要发生在纤维素非结晶区的C—6,综纤维素C—2、C—3、C—5,愈创木基木素C—6和紫丁香基木素C—4以及木质素甲氧基等位置,其中半纤维素反应最为明显。乙酰基对木材细胞壁的充胀作用与木材组分尤其是半纤维素中游离羟基的减少,共同构成乙酰化木材尺寸稳定化的机理。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S781.7

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本文编号：1240726