高温热处理杉木的吸湿吸水性变化规律及其机理研究
发布时间：2021-04-12 04:47
高温热处理作为一项非常重要的木材改性技术,是改善木材尺寸稳定性和耐久性的有效手段之一。高温热处理引起木材化学组分与多尺度孔隙结构发生变化,进而改变木材的吸湿性和吸水性。然而,前人关于高温热处理木材吸湿性和吸水性的研究并未得出一致的变化规律,吸湿性和吸水性与木材化学组分及多尺度孔隙结构的响应关系尚未系统构建。为此,本文以人工林杉木（Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.）为研究对象,在以蒸汽为介质兼作保护气体,温度160℃、180℃、200℃及220℃,处理时间2 h条件下对木材进行高温热处理。借助多种表征手段,研究了热处理前后木材吸湿性和吸水性的变化规律,并对热处理木材化学组成及孔隙结构的变化情况进行了分析。通过探讨高温热处理材吸湿性和吸水性变化与其化学成分和孔隙结构变化之间的关系,揭示了高温热处理对木材吸湿性和吸水性的影响机理。本论文试验条件下得出的主要结论如下:1.动态水蒸气吸附测试结果表明,高温热处理没有改变木材吸湿等温线类型,且在当前湿度条件下各试样均不存在明显的毛细管凝结现象;温度25℃、相对湿度30%、60%和95%条件下,对照材、160℃、...
【文章来源】：中国林业科学研究院北京市
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文技术路线图
第二章高温热处理对木材吸湿性的影响17图2-1对照材及高温热处理材试样的吸着解吸等温线Figure2-1Adsorptionanddesorptionisothermsofuntreatedandheat-treatedChinesefirwood.并不存在明显的毛细管凝结现象。Thygesen等（2010）在对挪威云杉（Piceaabies(L.)Karst.）的研究中也指出，在低于纤维饱和点的情况下，木材吸湿过程中的毛细管凝结现象对木材的平衡含水率无明显贡献。由于II型吸附等温线的特点是在低相湿度条件下主要为单分子层吸附，随着相对湿度的升高逐渐出现第二层吸附及多层吸附。因此，通过上述结果可以推断，高温热处理对木材吸湿过程中的单分子层吸附及多分子层吸附应均存在影响。但是多分子层吸附是在单分子层基础之上进行的，高温热处理对木材吸湿性的影响应主要是因其使木材细胞壁组分中具有吸湿性的基团数量减少，使吸着位点减少而降低了单分子层水分吸附量，进而也降低了多分子层吸附量（Oleketal.，2013）。此外，Phuong等人（2007）对木材热处理前后有效羟基数量的变化进行定量分析后发现，木材内羟基数量随着热处理强度的增加而减少，有效羟基数量的变化与木材吸湿性的变化呈正相关。然而，Rautkari等（2013）的研究得出了与之相矛盾的结论，因此，有效羟基数量的变化可能只是影响高温热处理材吸湿性的因素之一。如前所述，除了吸湿基团数量发生变化外，热处理过程中木质素交联，纤维素结晶度发生变化等均可能对木材的吸湿性产生影响。因此，高温热处理降低木材吸湿性的原因需要在后续分析中作进一步探讨。为了探讨不同相对湿度条件下对照材及高温热处理材试样的吸湿平衡含水率差异，选取了相对湿度为30%、60%、95%三个条件下的试样平衡含水率进行了分析，解析在低、中、高三种相对湿度条件木材平衡含水率受热处理温度的?
第二章高温热处理对木材吸湿性的影响20图2-2对照材及高温热处理材试样的平衡含水率增长值与下降值Figure2-2EMCincrementanddecrementofuntreatedandheat-treatedChinesefirearlywood相对湿度条件下的吸附量均大于热处理材。随着相对湿度的升高，木材内部开始形成多分子层吸附且逐渐占据主导地位。在相对湿度高于60%后，各试样的EMC增长值的变化幅度均明显变大，其原因应是半纤维素软化所致。室温条件下，半纤维素在相对湿度为65%-70%的范围内开始软化，细胞壁无定形物质在较高的相对湿度下发生玻璃态转化可能会对木材的吸湿行为产生显著影响（丁涛等，2016）。由于细胞壁中的无定形物质由玻璃态转变为高弹态，模量由高变低使其网状结构的刚性变弱，而大分子链之间黏性的下降致使相对滑移更加容易，从而出现更多的水分吸着位点，最终导致吸湿量明显变大（Engelundetal.，2010；2012）。这一阶段，对照材与160°C处理材的EMC增长值的变化幅度相近，高于180°C和200°C处理材，220°C处理材EMC增长值的变化幅度最校根据前文的解释，高温热处理可能会导致木材细胞壁刚度增加，进而增加大分子链之间发生相对滑移的难度，从而因滑移产生的吸着位点数量也会减少。热处理温度越高对细胞壁刚度的影响越明显，因此这一阶段各试样EMC增长值的变化幅度随热处理温度升高逐渐降低。由于试验的最后阶段相对湿度增加的步长为5%，而此前的试验过程相对湿度的变化步长为10%，所以在图中观察到在最后阶段EMC的增长值减校图2-2右侧部分所示为解吸过程中不同相对湿度条件下对照材及高温热处理材试样的平衡含水率下降值。由图可知，随着相对湿度降低，各试样的EMC下降值均基本呈现
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温热处理对欧洲云杉和花旗松吸湿特性的影响[J]. 高鑫,周凡,付宗营,周永东. 林业工程学报. 2018(04)
[2]时域核磁共振技术在木材科学研究领域的应用[J]. 高玉磊,徐康,蒋佳荔,吕建雄. 世界林业研究. 2018(05)
[3]基于拉曼光谱分析的热处理松木吸湿机理研究[J]. 丁涛,王长菊,彭文文. 林业工程学报. 2016(05)
[4]基于时域核磁共振技术的木材吸湿过程研究[J]. 高玉磊,张明辉. 波谱学杂志. 2016(02)
[5]热处理对木材吸湿特性及尺寸稳定性的影响[J]. 丁涛,顾炼百,蔡家斌. 南京林业大学学报(自然科学版). 2015(02)
[6]水蒸气热处理对人工林杉木性质的影响[J]. 江京辉,吕建雄,周永东,赵有科,黄荣凤. 木材工业. 2015(02)
[7]Structural characterization of steam-heat treated Tectona grandis wood analyzed by FT-IR and 2D-IR correlation spectroscopy[J]. Ming-Yu Li,Shi-Chao Cheng,Dan Li,Shen-Nan Wang,An-Min Huang,Su-Qin Sun. Chinese Chemical Letters. 2015(02)
[8]木材多尺度孔隙结构及表征方法研究进展[J]. 王哲,王喜明. 林业科学. 2014(10)
[9]加压蒸汽热处理柞木化学组分变化的比较[J]. 丁涛,顾炼百,刘翔. 林业科学. 2012(12)
[10]木材改性技术发展现状及应用前景[J]. 顾炼百. 木材工业. 2012(03)
博士论文
[1]真空热处理落叶松材性变化规律及其机理研究[D]. 王喆.中国林业科学研究院 2017
[2]MUF树脂浸渍杨木干燥过程中水分迁移和树脂固化特性研究[D]. 徐康.中国林业科学研究院 2017
[3]湿热—压缩共同作用对杉木细胞壁结构与性能的影响[D]. 尹江苹.中国林业科学研究院 2016
[4]生物质燃气热处理木材品质与微观力学性能研究[D]. 邢东.东北林业大学 2016
[5]载银木材液化物活性碳纤维的结构和性能[D]. 刘文静.北京林业大学 2015
[6]防水剂/高温热处理复合改性木材的性能与表征[D]. 王望.北京林业大学 2015
[7]微波处理改善木材浸注性及其机理研究[D]. 何盛.中国林业科学研究院 2014
[8]蒸汽介质热处理木材性质及其强度损失控制原理[D]. 曹永建.中国林业科学研究院 2008
本文编号：3132649
【文章来源】：中国林业科学研究院北京市
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文技术路线图
第二章高温热处理对木材吸湿性的影响17图2-1对照材及高温热处理材试样的吸着解吸等温线Figure2-1Adsorptionanddesorptionisothermsofuntreatedandheat-treatedChinesefirwood.并不存在明显的毛细管凝结现象。Thygesen等（2010）在对挪威云杉（Piceaabies(L.)Karst.）的研究中也指出，在低于纤维饱和点的情况下，木材吸湿过程中的毛细管凝结现象对木材的平衡含水率无明显贡献。由于II型吸附等温线的特点是在低相湿度条件下主要为单分子层吸附，随着相对湿度的升高逐渐出现第二层吸附及多层吸附。因此，通过上述结果可以推断，高温热处理对木材吸湿过程中的单分子层吸附及多分子层吸附应均存在影响。但是多分子层吸附是在单分子层基础之上进行的，高温热处理对木材吸湿性的影响应主要是因其使木材细胞壁组分中具有吸湿性的基团数量减少，使吸着位点减少而降低了单分子层水分吸附量，进而也降低了多分子层吸附量（Oleketal.，2013）。此外，Phuong等人（2007）对木材热处理前后有效羟基数量的变化进行定量分析后发现，木材内羟基数量随着热处理强度的增加而减少，有效羟基数量的变化与木材吸湿性的变化呈正相关。然而，Rautkari等（2013）的研究得出了与之相矛盾的结论，因此，有效羟基数量的变化可能只是影响高温热处理材吸湿性的因素之一。如前所述，除了吸湿基团数量发生变化外，热处理过程中木质素交联，纤维素结晶度发生变化等均可能对木材的吸湿性产生影响。因此，高温热处理降低木材吸湿性的原因需要在后续分析中作进一步探讨。为了探讨不同相对湿度条件下对照材及高温热处理材试样的吸湿平衡含水率差异，选取了相对湿度为30%、60%、95%三个条件下的试样平衡含水率进行了分析，解析在低、中、高三种相对湿度条件木材平衡含水率受热处理温度的?
第二章高温热处理对木材吸湿性的影响20图2-2对照材及高温热处理材试样的平衡含水率增长值与下降值Figure2-2EMCincrementanddecrementofuntreatedandheat-treatedChinesefirearlywood相对湿度条件下的吸附量均大于热处理材。随着相对湿度的升高，木材内部开始形成多分子层吸附且逐渐占据主导地位。在相对湿度高于60%后，各试样的EMC增长值的变化幅度均明显变大，其原因应是半纤维素软化所致。室温条件下，半纤维素在相对湿度为65%-70%的范围内开始软化，细胞壁无定形物质在较高的相对湿度下发生玻璃态转化可能会对木材的吸湿行为产生显著影响（丁涛等，2016）。由于细胞壁中的无定形物质由玻璃态转变为高弹态，模量由高变低使其网状结构的刚性变弱，而大分子链之间黏性的下降致使相对滑移更加容易，从而出现更多的水分吸着位点，最终导致吸湿量明显变大（Engelundetal.，2010；2012）。这一阶段，对照材与160°C处理材的EMC增长值的变化幅度相近，高于180°C和200°C处理材，220°C处理材EMC增长值的变化幅度最校根据前文的解释，高温热处理可能会导致木材细胞壁刚度增加，进而增加大分子链之间发生相对滑移的难度，从而因滑移产生的吸着位点数量也会减少。热处理温度越高对细胞壁刚度的影响越明显，因此这一阶段各试样EMC增长值的变化幅度随热处理温度升高逐渐降低。由于试验的最后阶段相对湿度增加的步长为5%，而此前的试验过程相对湿度的变化步长为10%，所以在图中观察到在最后阶段EMC的增长值减校图2-2右侧部分所示为解吸过程中不同相对湿度条件下对照材及高温热处理材试样的平衡含水率下降值。由图可知，随着相对湿度降低，各试样的EMC下降值均基本呈现
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温热处理对欧洲云杉和花旗松吸湿特性的影响[J]. 高鑫,周凡,付宗营,周永东. 林业工程学报. 2018(04)
[2]时域核磁共振技术在木材科学研究领域的应用[J]. 高玉磊,徐康,蒋佳荔,吕建雄. 世界林业研究. 2018(05)
[3]基于拉曼光谱分析的热处理松木吸湿机理研究[J]. 丁涛,王长菊,彭文文. 林业工程学报. 2016(05)
[4]基于时域核磁共振技术的木材吸湿过程研究[J]. 高玉磊,张明辉. 波谱学杂志. 2016(02)
[5]热处理对木材吸湿特性及尺寸稳定性的影响[J]. 丁涛,顾炼百,蔡家斌. 南京林业大学学报(自然科学版). 2015(02)
[6]水蒸气热处理对人工林杉木性质的影响[J]. 江京辉,吕建雄,周永东,赵有科,黄荣凤. 木材工业. 2015(02)
[7]Structural characterization of steam-heat treated Tectona grandis wood analyzed by FT-IR and 2D-IR correlation spectroscopy[J]. Ming-Yu Li,Shi-Chao Cheng,Dan Li,Shen-Nan Wang,An-Min Huang,Su-Qin Sun. Chinese Chemical Letters. 2015(02)
[8]木材多尺度孔隙结构及表征方法研究进展[J]. 王哲,王喜明. 林业科学. 2014(10)
[9]加压蒸汽热处理柞木化学组分变化的比较[J]. 丁涛,顾炼百,刘翔. 林业科学. 2012(12)
[10]木材改性技术发展现状及应用前景[J]. 顾炼百. 木材工业. 2012(03)
博士论文
[1]真空热处理落叶松材性变化规律及其机理研究[D]. 王喆.中国林业科学研究院 2017
[2]MUF树脂浸渍杨木干燥过程中水分迁移和树脂固化特性研究[D]. 徐康.中国林业科学研究院 2017
[3]湿热—压缩共同作用对杉木细胞壁结构与性能的影响[D]. 尹江苹.中国林业科学研究院 2016
[4]生物质燃气热处理木材品质与微观力学性能研究[D]. 邢东.东北林业大学 2016
[5]载银木材液化物活性碳纤维的结构和性能[D]. 刘文静.北京林业大学 2015
[6]防水剂/高温热处理复合改性木材的性能与表征[D]. 王望.北京林业大学 2015
[7]微波处理改善木材浸注性及其机理研究[D]. 何盛.中国林业科学研究院 2014
[8]蒸汽介质热处理木材性质及其强度损失控制原理[D]. 曹永建.中国林业科学研究院 2008
本文编号：3132649
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