热处理针叶材材性与吸湿特性研究

【摘要】：木材是一种优质可再生生物质材料,采用适当改性方法能够提高其利用率。热处理工艺技术作为一种绿色、环保的改性方法,既可改善木材的尺寸稳定性、吸湿性等性能,还可实现木材品种多样化,对缓解木材市场供需矛盾具有重要意义。为深入研究热处理工艺参数及环境湿度变化对处理材吸湿性、力学性能的影响,本文以花旗松、云杉为试验材料,研究了处理温度为180℃、200℃、220℃处理材的力学性能及吸湿过程平衡含水率变化,并采用核磁共振技术测定吸着水含量与孔径分布,研究了在吸附过程中材性与吸着水含量变化,得到如下结果:热处理工艺提高了两种针叶材的弹性模量,降低了抗弯强度。低湿环境下,当处理温度达到220℃,花旗松MOE由10204Mpa提高至12525Mpa,云杉MOE由9965Mpa提高至12743Mpa,分布较对照材分别提高了22.75%及27.88%;高湿环境下,花旗松MOR由77.47Mpa降低至59.36Mpa,云杉MOR由68.05Mpa降低至58.43Mpa,分布较对照材分别降低了23.38%和14.14%。利用核磁共振冻融技术测得花旗松及处理材纤维饱和点分别为39.71%、33.59%、25.13%、22.01%,云杉热对照材及处理材纤维饱和点分别为42.72%、37.08%、29.10%、23.11%。处理材水分弛豫顶点时间及FSP降低,热处理工艺降低了两种针叶材纤维饱和点。结合Gibbs-Thomson方程所确定的凝固点降低与水分所处的等效毛细管径关系,测量了不同冻融条件下两种针叶材细胞壁润胀状态的孔径分布情况。花旗松对照材及处理材介孔孔径大于4.56nm占比分别为11.79%,12.03%、12.51%、12.69%,云杉分别为11.53%、12.67%、13.52%、13.83%;花旗松对照材及处理材微孔小于1.92nm占比分别为75.18%、74.89%、74.06%、69.72%,云杉分别为75.42%、74.73%、73.86%、72.01%。建立Hailwood-Horrobin等温吸附曲线拟合处理材平衡含水率,得到热处理后试材单层水分子吸附含量较对照材分别下降约10%、20%、40%;多层水分子吸附水含量相较对照材分别下降约20%、40%和50%;Hailwood-Horrobin模型能够较好地描述处理材等温吸附过程中吸着水变化,热处理后两种试材单层及多层分子吸附水最大值明显降低,处理温度越高,降幅越大。当处理温度为220℃时,花旗松云杉单层分子吸附水最大含量为2.41%和3.54%,多层分子吸附水最大含量为6.59%和8.61%,较对照材下降约50%;进一步利用核磁共振T_2弛豫分析技术,测量吸着过程吸着水顶点时间,花旗松顶点时间变化区间为0.215-0.883ms(对照材)、0.168-0.738ms、0.164-0.684ms、0.149-0.679ms(180℃、200℃、220℃)云杉顶点时间变化区间为0.236-0.839ms(对照材)、0.183-0.733ms、0.162-0.720ms、0.147-0.616ms(180℃、200℃、220℃);结合Hailwood-Horrobin等温吸附模型,得到处理材单层及多层水分子吸附弛豫区间小于对照材,证明了热处理工艺可以有效降低试材吸湿性,且相较于传统实验方法,NMR分析法无论从原理还是实际操作都更为合理与便捷,可进一步用于木材改性研究。