水溶性单体原位增强速生杨木及其机制研究
我国具有丰富的人工林资源，人工林木材生长周期短，但存在材质松软、硬度小、强度低、易于变形等问题。化学改性处理可以提高木材的力学强度、尺寸稳定性和耐久性，拓展速生材的应用范围，提高其附加值。目前，传统的有机溶剂型改性剂在使用过程中会挥发有害气体，对环境和人体健康造成损害，并且很难渗透到细胞壁内，改性效果不太理想。水溶性改性剂可以避免使用有机溶剂，同时改性剂为极性单体，更容易渗透到细胞壁内，目前关于水溶性单体改性木材的研究还很少，有待深入研究。 本论文以速生杨木为研究对象，分别采用马来酸酐、甘油复合处理，水溶性乙烯基单体处理和有机/无机协同处理三种方式改性木材，主要研究了不同因素对改性材尺寸稳定性(ASE)、吸水率、流失率、力学性能和热稳定性的影响。分析了改性剂在木材细胞壁内的分布规律以及与细胞壁成分的反应机理。阐明了水溶性单体对速生杨木的增强机制。主要结论如下: (1)马来酸酐(MA)和甘油复合改性可以显著改善木材的尺寸稳定性，但是会降低木材的静曲强度和弹性模量。结果表明，各因素对改性材ASE的影响排序为:酯化反应温度＞酯化反应时间＞预处理反应温度＞预处理反应时间＞ MA浓度。马来酸酐和甘油复合改性木材的ASE值可达到91.05％，但改性材的静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)明显低于素材，分别降低62.53％和22.56％;红外光谱分析和扫描电镜观察证实，改性剂渗透并固着在细胞壁内。 (2)以甲基丙烯酸-2-羟乙酯（HEMA）和N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)为改性剂对速生杨木进行改性，可以提高改性材的尺寸稳定性和力学性能。结果研究表明，改性剂的配比、改性剂浓度和引发剂均会对改性材的物理力学性能产生影响。木材改性的较优工艺条件为HEMA/NMA比例80∶20、改性剂浓度40％、氯化钙/双氧水（CaCl2-H2O2）为引发剂。在此条件下制备的木材ASE、MOR和MOE分别提高60.77％、20.19％和38％;扫描电镜-能谱连用仪分析表明，改性材的细胞壁厚度增加40.73％，改性剂主要分布在细胞壁内，填充细胞壁空隙。 (3)采用有机/无机协同作用改性木材，可以进一步提高改性材的物理力学性能和热稳定性。结果表明，不含有二氧化硅的改性材吸水率为79.25％，当二氧化硅添加量为5％时，改性材的吸水率为61.84％。与不添加二氧化硅的改性材相比，5％二氧化硅添加量的改性材静曲强度和弹性模量分别提高6.27％和10.5％;改性材的热稳定性均低于素材，随着二氧化硅添加量的增加，改性材的热稳定性提高;扫描电镜-能谱连用仪分析表明，当二氧化硅含量5％时，改性后木材的细胞壁厚度增加46.77％，细胞壁内Si元素增多，说明改性剂渗透并固着到木材细胞壁内。当二氧化硅含量7％时，改性剂在细胞腔内沉淀固化并且填充细胞腔。 (4) HEMA/NMA与细胞壁组分的接枝机理研究表明:通过FT-IR和NMR核磁证实了水溶性乙烯基单体与细胞壁组分发生接枝共聚;引发剂从D-纤维二糖C2位置的-OH中夺取氢原子形成自由基，D-纤维二糖自由基引发水溶性乙烯基单体接枝共聚形成大分子聚合物;木质素在引发剂作用下形成自由基，引发水溶性乙烯基单体接枝共聚;对木质素活性位点的研究表明，水溶性乙烯基单体主要与木质素中的酚羟基接枝共聚。
速生杨木;水溶性改性剂;原位增强;马来酸酐;热稳定性
中国林业科学研究院
博士
木基复合材料科学与工程
储富祥
2018
中文
S781.2
125
2018-11-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）