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《中南林业科技大学》 2018年
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白橡锯材热压干燥特性与改性机制研究

谢杰  
【摘要】:白橡木作为世界上最主要的商品木之一,具有力学强度大、耐腐等级高和机加工性能好等优点,是家具和实木地板制造的优秀原材料,但由于木材具有干缩湿胀特性及因此造成的尺寸不稳定的缺陷,仍难以满足制造地采暖用实木地板的要求。本研究选定热压干燥作为实木尺寸稳定化的方法,系统研究了热压干燥工艺参数对白橡木材干燥特性、颜色、吸湿性和尺寸稳定性的影响规律,并通过分析热压干燥木材的水分吸附动态和化学组分、结构的变化探讨了木材的尺寸稳定化机制。主要研究结论如下:(1)热压干燥是一种高效快速干燥方法,将初含水率为14-75%,厚度为20 mm的木材在温度为140℃、压力为0.1MPa的条件下干燥到2%以下仅需120-210min,木材干燥速率随着初含水率的增加而增加。当初含水率在纤维饱和点以上时,热压干燥材会产生严重内裂和皱缩缺陷,而初含水率在15%以下时,热压干燥材无内裂产生,皱缩程度明显减轻;随着木材初含水率的增加,木材厚度干缩系数呈增加趋势,而宽度干缩系数则呈下降趋势。通过观察横切面微观结构发现初含水率高的木材在热压干燥后的内裂沿木射线生成,其早材部位的大管孔可观察到明显压缩。根据热压干燥材中心层升温过程和含水率变化之间的对应关系,提出了通过检测中心层温度来监测木材干燥终点的方法。(2)对室内气干至平衡含水率(EMC)的白橡木材进行了热压干燥工艺研究,随着热压温度的升高,木材干燥速度显著加快,颜色逐渐加深,热压压力和试件宽度对干燥速率和颜色的影响不明显。热压干燥可以显著减小白橡木材的EMC和湿胀率,提高其尺寸稳定性,且随着热压温度的升高,白橡木材EMC和湿胀率降低,热压压力和试件宽度对木材EMC和湿胀率无明显影响。与对照材相比,热压干燥白橡木材的EMC降低9.97-33.67%,径向和弦向湿胀率分别降低8.54-33.96%、11.26-30.02%。单因素优化的白橡木材热压干燥条件为:热压温度为140-150℃,热压压力为0.1 MPa,板材宽度为自然宽。基于优化的工艺对白橡木进行热压干燥中试后制成地板,地板检测结果表明其耐湿、耐热尺寸稳定性达到了国家标准中对实木地热地板的要求。(3)利用动态水分吸附(DVS)方法探究了热压干燥白橡木材和对照材的吸湿特性,表明木材的等温吸湿线皆为IUPAC Ⅱ型吸湿等温线。在各个相对湿度条件下,热压干燥处理材的平衡含水率(EMC)与对照材相比明显降低,且EMC随热压温度的增加呈下降的趋势。Hailwood-Horrobin(H-H)模型对木材的等温吸湿数据表现出良好的拟合度,根据拟合结果可将热压干燥材吸湿性的降低分为单分子层含水率(Mh)的减少和多分子层含水率(Md)的减少两部分,且随着相对湿度的增加,Md的减少对降低热压干燥白橡木材吸湿性的作用呈增加趋势。与对照材相比,处理温度为140、150和160℃的热压干燥材的纤维饱和点推测值分别降低了 8.89%,11.76%和13.62%。(4)木材的水分吸湿动态过程属于非菲克扩散,可以用Parallel Exponential Kinetics(PEK)模型进行良好的拟合。PEK模型将木材吸湿动态过程分为快速吸湿和慢速吸湿两部分,热压干燥对快速吸湿过程对应的时间常数t1无明显影响,对慢速吸湿过程对应的时间常数t2的影响较大。将PEK模型参数代入Kelvin-Voigt(K-V)模型可以计算出木材的细胞壁弹性模量和粘度。白橡木材的细胞壁模量和粘度总体而言随着湿度的增加呈降低趋势,但热压干燥对白橡木材细胞壁的微观力学性能没有规律性影响。与快速吸湿过程相比,慢速吸湿过程对应的弹性模量略小,而对应的粘度更大。(5)热压干燥对白橡木吸湿性降低,即尺寸稳定化的机制可分为游离羟基的减少和细胞壁刚度的增加两个方面。FTIR和XRD分析结果表明热压干燥处理使木材纤维素结晶度提高、半纤维素发生降解及木素发生酯化,从而降低了木材中的游离羟基等亲水基团的含量,但细胞壁刚度的增加机理还需进一步的研究来探明。
【学位授予单位】:中南林业科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S781.7

【参考文献】
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相关作者
>谢杰
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