湿热—压缩共同作用对杉木细胞壁结构与性能的影响

发布时间：2018-02-10 03:32

本文关键词： 杉木湿热-压缩处理半纤维素木质素介孔吸湿性能纳米压痕　出处：《中国林业科学研究院》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：人工林木材已成为我国木材资源战略储备中的重要组成。但是由于低质人工林木材结构疏松、天然耐久性差等缺点,影响其加工利用。木材湿热-压缩处理技术能够在一定的湿度、温度和机械压力共同作用下,实现木材径向压缩固定,改善和提高木材的物理和力学性能,同时保持木材天然生物材料的特性。研究湿热-压缩处理对木材细胞壁结构与性能的具体影响过程,揭示湿热-压缩处理条件下细胞壁结构和化学成分变化与细胞壁物理、力学性能的相互关系,对低质人工林改性处理以及制造满足不同使用条件的环境友好型生物质功能材料具有现实意义。本论文以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata Hook.)为研究对象,分别采用不同径向压缩率(25%、50%)并结合不同蒸汽处理温度(140℃、160℃、180℃)对杉木进行湿热-压缩处理,利用生物材料结构观测和性能表征方法,研究湿热-压缩处理过程中木材细胞壁的微观构造、孔隙结构、化学成分、纤维素晶体结构以及细胞壁吸湿性能和力学性能的变化规律,揭示湿热-压缩处理条件下木材细胞壁微观构造、孔隙结构、化学成分、纤维素晶体结构的变化对细胞壁吸湿性能和力学性能的影响机理。本研究主要结论归纳如下:(1)湿热-压缩处理后木材细胞壁、具缘纹孔及壁层均发生了明显的变化。当蒸汽处理温度≥160℃时,25%和50%压缩率条件试材可实现压缩固定,早材细胞壁在严重扭曲成“Z”型,过渡区细胞壁呈多边形,晚材细胞腔出现闭合现象,尤其在50%压缩率条件下直径较小的晚材管胞细胞腔已经完全闭合;管胞径壁具缘纹孔塞的塞缘微纤丝遭到破坏。(2)受压缩率和蒸汽处理温度的影响,湿热-压缩处理材BET比表面积、孔径及介孔数量均增加,尤其晚材增幅较大。随着压缩率的增大和蒸汽处理温度的增加,BET比表面积逐渐增大,50%压缩率180℃蒸汽温度处理早材和晚材BET比表面积分别达到最大值,分别为7.169 m2 g-1和11.480 m2 g-1,相比未处理材,提高了2.4倍和8.1倍。(3)湿热-压缩处理过程中半纤维素首先发生降解,25%压缩率下,随着蒸汽处理温度增加,半纤维素木聚糖乙酰基(CH3=O)含量逐渐递减,180℃蒸汽温度处理降幅最大,相比未处理材,早材和晚材分别降低了33%和54%;50%压缩率下,随着蒸汽处理温度增加,乙酰基含量先直线下降后趋于平缓,160℃蒸汽温度处理降幅最大,早材和晚材分别降低了42%和41%。木质素同时经历了降解反应和交联反应,25%压缩率下,当蒸汽处理温度≤160℃,木质素中与芳香环相连的c=o断裂,而后紧接着发生交联反应致使愈创木基增多,木质素交联反应占主导地位;当蒸汽温度达到180℃时,木质素热降解反应逐渐占据主导地位,早晚材c=o降幅分别为19%和27%;50%压缩率下,160℃蒸汽温度处理,早材仍以交联反应为主,晚材降解反应逐渐占据主导地位。180℃蒸汽温度处理早晚材均降解,c=o降幅分别为14%和11%。纤维素热稳定性较好,蒸汽处理温度≤160℃时,纤维素几乎没有发生变化;但是当蒸汽处理温度达到180℃时,部分纤维素分子链发生降解。木质素和纤维素在不同区域(次生壁和角隅)变化略有差异。(4)湿热-压缩处理木材晚材细胞壁纤维素结晶度和微晶宽均增大。结晶度涨幅28%-38%,压缩率和蒸汽处理温度对纤维素结晶度影响不显著。25%压缩率条件下蒸汽处理温度对微晶宽的影响不显著;50%压缩率条件下,随着蒸汽处理温度增大,微晶宽逐渐增大,140℃与160℃蒸汽温度处理间微晶宽差异不显著,而160℃与180℃蒸汽温度处理间微晶宽差异显著(p0.05),180℃蒸汽温度处理微晶宽比未处理材提高了26%。压缩率和蒸汽处理温度均未显著影响细胞壁纤维素微纤丝排列方向。(5)随着压缩率和蒸汽处理温度增大,湿热-压缩处理木材细胞壁吸湿性能降低,50%压缩率180℃蒸汽温度处理条件下细胞壁吸湿性能降幅达到最大,早材和晚材平均含水率分别降低了30%和31%。单因素方差分析表明,25%压缩率下,未处理材、140℃与160℃蒸汽温度处理三者间细胞壁吸湿性无显著差异;而160℃与180℃蒸汽温度处理间细胞壁吸湿性之间差异显著;50%压缩率下,未处理与140℃蒸汽温度处理之间吸湿性无明显差异,140℃、160℃和180℃蒸汽温度处理三者之间吸湿性差异显著(p0.05)。结合化学成分和细胞壁孔隙变化,推测湿热-压缩处理杉木细胞壁的吸湿性主要源自细胞壁纤维素非结晶区的-oh,半纤维素和木质素非结晶构造中的-oh和-cooh等化学成分的吸着点变化的影响,而受到毛细管凝结水的影响较小,并借助hailwod-horrobin吸着模型证实上述推测。(6)湿热-压缩处理木材细胞壁硬度和弹性模量均增大。随着蒸汽处理温度的增加,25%和50%压缩率硬度逐渐增大,160℃蒸汽温度处理条件下,硬度值分别为0.583gpa和0.630 GPa,相比未处理材提高了16%和25%,160℃与180℃蒸汽温度处理间差异不显著。除去50%压缩率180℃蒸汽温度处理条件,压缩率和蒸汽处理温度对弹性模量影响不显著。50%压缩率180℃蒸汽温度处理细胞壁结晶区纤维素发生轻微的降解,使得结晶度呈小幅下降趋势,弹性模量降低。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分类号】：S781.7

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