高强多功能木材基复合材料的制备和性能研究

【摘要】：杨木作为速生林主要树种,存在强度低、材质差等缺陷,严重限制了其高效利用。因此,对速生杨进行改性,赋予其高附加值,对于缓解木材供需矛盾、减少能源消耗、推进整个社会的可持续发展,具有重要的学术和现实意义。本论文以速生杨木为原材料,采取多步改性工艺,开发出高强度、多功能的木材基复合材料,通过结构表征和性能测试,阐述木材结构、功能的改性原理。并且,对木材进行整合,制备单板层级材,为木材高附加值利用提供新方法。本论文研究内容和主要结果如下:(1)通过对速生杨进行脱木素处理和密实化处理,开发出高强密实杨木。密实杨木的极限弯曲强度可达到402.9 MPa,极限抗拉强度可达到313.6 MPa,具有优异的力学性能。密实杨木的LOI值为27.9%,水中浸泡120 h后的回弹率为88.8%,沿纤维方向和垂直纤维方向的磨损率分别为37.8和45.2 10~(-6)mm~3/Nm。(2)通过对速生杨进行脱木素处理、原位生长纳米二氧化硅、密实化处理三步改性工艺,制备出了二氧化硅/杨木复合材料。复合材料的极限弯曲强度可达到395.6 MPa,极限抗拉强度为253.4 MPa。复合材料的LOI值为36.7%,水中浸泡120 h后的回弹率为66.7%,沿纤维方向和垂直纤维方向的磨损率分别为18.0和20.7 10~(-6)mm~3/Nm。(3)通过对速生杨进行脱木素处理、浸渍环氧树脂、密实化处理三步改性工艺制备杨木/环氧树脂单板,在此基础上利用3层顺纹单板组坯,得到杨木/环氧树脂单板层积材。单板的极限弯曲强度为358.7 MPa,弯曲模量高达27 GPa。单板层积材的静曲强度为170.7 MPa,弹性模量为12.5 GPa,水中浸泡120 h后的厚度膨胀率为28.0%。结果表明,本论文所制备的密实杨木具有紧密的缠绕层合结构,这不仅有助于木材力学性能的提升,还能够改善木材的阻燃、耐水、摩擦等性能。在此基础上,将脱木素杨木与二氧化硅复合,并进行密实化处理,可进一步提升阻燃、防水、耐磨等功能特性。将脱木素杨木浸渍环氧,然后组坯,制备了力学性能优异、尺寸稳定性良好的层积材,有助于实现劣材优用、小材大用,实现速生材的高效利用。相较于速生杨木,本论文所研制的密实杨木及其复合材料的力学性能及功能特性显著提高,在建筑、交通、家居等行业具有广阔的应用前景。