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低分子量酚醛树脂强化毛白杨木材干燥特性及其机理研究

周永东  
【摘要】: 本研究以人工林毛白杨(Populus tomentosa)木材为研究对象,以低分子量酚醛树脂为浸渍强化物质,系统研究了木材浸渍处理前预干燥和浸渍处理、不同干燥工艺组合对木材物理力学性质的影响及浸渍材的水分迁移特性,通过微观构造观察等方法揭示浸渍处理对木材性质及干燥特性的影响机理。本研究对于改善人工林木材物理力学性能,提高低密度人工林木材附加值及扩大使用范围等方面具有重要的理论意义和实用价值。论文的主要研究结论如下: (1)不同干燥方法对木材物理力学性质及微观构造的影响毛白杨木材常规干燥合格率为96.5%,高温(最高为120℃)干燥和气干合格率分别为86.7%和84.0%。三种干燥方法对MOR、MOE的影响无显著差异;与气干材相比,高温干燥方法显著降低木材冲击韧性达28.6%;高温干燥使木材硬度降低。高温干燥显著降低木材干缩率和平衡含水率,20℃/65%RH状态平衡后高温干燥材平衡含水率比气干材低23.7%,比常规干燥材低25.7%;气干材吸水平衡后的含水率较常规干燥材和高温干燥材高20%以上,即气干材更容易被水浸渍。三种方法干燥材的尺寸稳定性顺序为:高温干燥材常规干燥材气干材。木材表面润湿性顺序为:气干材高温干燥材常规干燥材,且弦切面的润湿性好于径切面。 对不同方法干燥的毛白杨木材微观构造观察发现,常规干燥材木纤维细胞的胞间层有开裂现象,且连通形成微裂纹,少数木纤维细胞壁有V形裂纹;高温干燥材木纤维细胞胞间层开裂引起的微裂纹及木纤维细胞壁上的V形裂纹发生普遍,木纤维壁层内还有较多内裂发生,且径壁上也发现较多微裂纹。 (2)浸渍及干燥工艺组合对木材性质的影响毛白杨木材经20%浓度低分子量酚醛树脂水溶液真空-加压浸渍结果显示,三种预干燥方法对木材增重率无显著差异,均为23%左右。浸渍材干燥周期较未处理材增加了一倍左右。预干燥为气干时酚醛浸渍后采用常规干燥和高温干燥对干燥质量及合格率影响不大;预干燥为常规干燥和高温干燥时,再干燥采用高温干燥时较常规干燥的合格率分别低10%和8%。浸渍处理及干燥后木材密度增加,并且较未处理材密度分布更趋均匀;浸渍处理可显著提高木材的MOE和MOR,但冲击韧性降低了77%;浸渍处理可提高表面硬度70%以上,体积抗缩率可达24.8%左右,阻湿率可达21.2%,吸水后的体积抗胀率可达37.7%,并且降低了吸水后弦径向膨胀比30%以上,改善了木材的尺寸稳定性和各向异性;但酚醛浸渍处理后木材表面润湿性变差。 气干(预干燥)-常规干燥(浸渍后再干燥)对于MOE、MOR及冲击韧性提高是较好的工艺组合;高温干燥-常规干燥对木材的硬度较为有利;综合弦向、径向、体积干缩率及各向异性的影响分析,采用气干-高温干燥工艺组合浸渍材尺寸稳定性最好,且在同样温湿度条件下所达到的平衡含水率最小、润湿性最好。 (3)浸渍木材干燥中的水分迁移特性与对照材相比,浸渍材的干燥速率及水分扩散系数都有较大幅度下降,且浸渍材在整个干燥过程中弦切板与径切板间干燥速率和水分扩散系数的差异均不显著;浸渍材厚度越大水分扩散系数越大,试验用10、15和22mm三种厚度中,22mm的水分扩散系数最大;干燥速率方面,厚度越小,干燥速率越高;含水率范围为10-25%时,对照材水分扩散系数随含水率降低呈现先上升后降低的趋势,含水率在17%左右水分扩散系数达最大值;与此不同,浸渍材水分扩散系数随含水率的降低而降低。干燥中湿空气相对湿度低时,水分蒸发强度大,对浸渍材干燥过程中水分扩散系数的影响较对未处理材干燥的影响更大。 (4)浸渍材干燥机理分析低分子量酚醛树脂浸渍强化毛白杨木材干燥过程中,高含水率阶段时木材尺寸增大,此阶段是浸渍物质进一步充胀木材细胞壁的过程;在低含水率干燥阶段,浸渍材的体积干缩率较对照材减小了6.15%,浸渍后可提高木材出材率。依试验数据推算出不同预干燥-再干燥工艺组合的浸渍材中酚醛树脂浸入到细胞壁中的比例显示,气干-高温干燥工艺组合酚醛树脂浸入细胞壁的比例最高,达到52.12%。 (5)浸渍对木材性质的影响机理对浸渍处理材微观构造观察发现,导管中固化的酚醛树脂呈柱状、环管状及颗粒状,导管中纹孔口多堵塞有固化的树脂;木纤维中多以扁平圆丘状、颗粒状及不规则片状覆盖在细胞腔内表面;木射线中酚醛树脂分布不均,有的完全填充,有的部分填充或不见。气干-高温干燥工艺组合浸渍木材中未发现酚醛树脂完全填充的导管,进一步证实了细胞壁中浸入比例较高。酚醛树脂对导管等处纹孔的堵塞、对木纤维细胞腔内表面的覆盖及对细胞壁充胀造成木材的大毛细管系统和微毛细管系统渗透性的降低,是造成浸渍材干燥过程中的水分扩散及干燥速率的降低,以及浸渍后木材物理力学性质变化的主要原因。 (6)热固性树脂浸渍低密度阔叶材机理阔叶树木材结构决定了浸渍过程是一个“多级过滤-浸入”过程,分子量较大的部分树脂被“截留”在导管中,稍小些的分子进入并覆盖在木纤维及射线细胞的胞腔内表面,再小的分子才能浸渍入木材细胞壁中,对细胞壁起到充胀作用。


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