真空热处理过程中西南桦木材传热传质模型构建及颜色控制研究

发布时间：2019-10-29 06:58

【摘要】：真空高温热处理过程中木材颜色会发生一定的变化,从浅色逐步变为浅褐色、深褐色甚至黑色,这一处理手段为美化木材表面颜色提出了一种新的思路。然而,如何控制真空高温热处理材颜色变化是国内外学者所面临的一大难题。因此,系统研究真空高温热处理过程中木材的传热传质行为,揭示木材化学成分和颜色变化规律,进而实现对木材颜色的控制,为优化真空高温热处理工艺和提升木材品质提供科学指导,具有重要的理论价值和现实意义。本文以云南省常见商品材西南桦(Betula alnoides)木材为研究对象,构建了真空热处理过程中西南桦木材传热传质数学模型;在不同的热处理温度(160~200℃)、不同的热处理时间(0~4h)、绝对压力为0.02MPa的工艺条件下,获取了真空热处理过程中西南桦木材综纤维素含量差(△HOLO)、纤维素含量差(△CELL)、半纤维素含量差(△HE MI)和木质素含量差(△LIG)等与热处理温度(t)和时间(τ)的二元回归方程;将传热传质数学模型和化学成分变化二元回归方程联合,实现了对热处理木材化学成分变化的控制;获取了真空热处理过程中西南桦木材明度差(△L*)、总体色差(△E*)以及色饱和度差(△C*)等与t和τ的二元回归方程;将传热传质数学模型和颜色变化二元回归方程联合,实现了对热处理木材颜色变化的控制;在此基础上,进一步分析了木材颜色变化与各化学成分变化的关系,并采用紫外光谱(UV)、红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)等先进仪器揭示了真空高温热处理条件下木材颜色变化机理。本文的主要结论如下:(1)构建了真空高温热处理过程中西南桦木材传热传质数学模型,比较了数学模型值和试验值计算的木材温度和含水率,模型值和试验值之间的决定系数(R2)在0.98以上,且回归关系均为极显著。该数学模型没有考虑自由水的迁移,仅适用于初始含水率在纤维饱和点(F.S.P)以下的木材。(2)系统分析了热处理温度、初始含水率、厚度、辐射换热系数(hR)、换质系数(hm)等对真空高温热处理过程中西南桦木材传热传质数学模型的影响规律。热处理温度越高,木材升温速度则越快,含水率降得则越快。初始含水率对含水分材的温度影响较小,但绝干材的温度上升较含水分材温度的上升要明显快得多,初始含水率越高,含水率降得则越慢。木材厚度越薄,木材升温速度则越快,含水率降得则越快。hR和hm对木材温度的上升影响均不明显,但对含水率的降低均有较大的影响,hR和hm越大,木材含水率降得越快。(3)随着处理温度升高和处理时间延长,西南桦木材的综纤维素、纤维素、半纤维素、冷水和热水抽提物含量则降低,而木质素和苯~醇抽提物含量则增加。建立的△HOL O、△CELL、△HEMI和△LIG与t和τ的二元回归方程的R2均高于0.86,且回归关系均为极显著。(4)通过联合求解传热传质数学模型和化学成分变化回归方程,获得了木材化学成分变化控制模型,并将模型与试验值的吻合效果进行了对比,木材△HOLO、△CELL、△HEMI和△LIG与试验值的吻合效果均较好,模型值和试验值之间的R2在0.97以上,其中,△HOLO和△LIG的回归关系均为极显著,△CELL和△HEMI的回归关系均为显著。(5)随着处理温度升高和处理时间延长,西南桦木材的明度(L*)则降低,红绿轴色品指数(a*)变化规律不明显,红绿轴色品指数(b*)先降低而后增加,△L*减小,△E*增加,△C*呈现出增大趋势,色相差(△H*)和光泽度(Ag*)变化规律不明显。建立的西南桦热处理材L*、△L*、△E*、△C*分别关于t和τ的二元回归方程的R2均高于0.78,且回归关系均为极显著。(6)通过联合求解传热传质数学模型和颜色变化回归方程,获得了木材颜色变化控制模型,并将模型与试验值的吻合效果进行了对比,木材△L*、△E*和△C*与试验值的吻合效果均较好,模型值和试验值之间的R2在0.93以上,且回归关系均为极显著。(7)建立了木材颜色变化指标和化学成分变化指标的回归方程,试验得到的西南桦热处理材△L*、△E*、△C*与△HOLO、△CELL、△HEMI和△LIG的回归方程的R2均在0.88以上,且回归关系均为极显著。(8)抽提物的显色反应、UV、FTIR、XPS分析均表明在热处理过程中半纤维素含量的降低以及木质素相对含量的增加,半纤维素含量的降低说明有一些诸如糠醛、甲基糠醛的芳香结构的有颜色物质的形成,从而使得木材颜色的加深。
【图文】：

图 2-1 试件的几何形状Fig.2-1 The geometry of sample型的构建至绝干状态试件的传热传质数学模型传递控制方程程中会引起的热量迁移以及汽化潜热所带走的热量，所部分考虑进去。热量传递控制方程的三维形式可写成式[ ( ) ( ) ( )]x y z[ c c c x y zc t t t tx y zW t W t W D D D

型号XSL-A08ES2V0），用于温度数据的显示、提取及传输；c、温度记录存储仪（即计算机），安装数据采集管理软件（北京中航科仪测控技术有限公司，型号M400），，实现时间和温度数据的导入与存储。具体连接见图2-2。（4） 分析天平，用于试件质量的测定。图 2-2 设备连接图Fig.2-2 Skecch map for device connection2.3.3 热处理工艺根据干燥室内木材含水率的不同、木材体积的不同、木材厚度的不同，则真空干燥箱的热源（即辐射板）温度升到设定温度的时间也不同。本试验的木材含水率较低、厚度较薄，放入箱内的木材的量也较小，所以辐射板温度升到目标温度的时间大概需要60min。热处理工艺见表 2-1，加热过程中绝对压力均保持为 0.02MPa。试件编号 1~5 用于比较不同热处理温度对木材温度变化的影响，试件编号 5~6 用于比较不同初始含水率对木材温度变化的影响，试件编号 7~8 用于比较?
【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


本文编号：2553421