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竹材Co~(60)γ射线辐照效应及其机理研究

孙丰波  
【摘要】: 利用γ射线辐照处理竹材,研究竹材的理化性质,具有重要的理论意义和应用价值。本文以毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel ex H de Lehaie)为研究对象,将竹材进行γ射线辐照处理,辐照剂量设置为:10KGy、20KGy、30KGy、50KGy、100KGy、300KGy、500KGy、1000KGy。通过对不同辐照剂量处理的竹材微观构造、物理力学和化学性质等的变化规律,初步揭示了竹材γ射线辐照效应、机理。并在此基础上,开展γ射线辐照技术在竹材防霉中的应用研究。研究结果为γ射线辐照技术在竹材功能性改良领域中的应用奠定了重要的理论基础。该方法有望成为竹材功能性改良的新手段,并对包括木材在内的其它天然生物质材料功能性改良具有良好的借鉴意义。 论文主要结论如下: (1)分别利用场发射环境扫描电镜、X射线衍射仪对竹材横切面和微纤丝角进行表征,发现γ射线对竹材的维管系统、基本组织等没有明显损伤,对微纤丝角的影响也不明显,辐照过程中竹材细胞壁未发现有皱缩、断裂等现象。竹材的微观构造和微纤丝角均不是影响辐照过程中竹材物理、力学性能变化的主要因子。 (2)利用核磁共振波谱仪、X射线衍射仪以及传统的竹材化学成分含量测试手段,对竹材细胞壁主要化学组分的结构和性质进行检测。结果表明,在辐照初期,竹材内半纤维素发生降解,并且其部分降解产物与纤维素、木质素等发生聚合反应,致使半纤维素含量降低,纤维素、木质素含量有所升高,竹材的相对结晶度升高。当辐照剂量升高至100KGy左右时,竹材主要化学组分的降解反应加剧,纤维素、半纤维素和木质素的含量均呈现降低趋势,竹材相对结晶度也有所降低,并且降低的幅度随着辐照剂量的增加而增大。 (3)γ射线辐照竹材以后,使竹材细胞壁的主要化学组分发生反应,产生氢键、羰基、羧基和酚类物质等,降低了竹材的吸湿性能。而木质素的降解则导致竹材表面颜色变暗,但同时也提高了竹材表面颜色的光稳定性。竹材吸湿性能和表面颜色特性的变化幅度随辐照剂量的增加而不断增大。 (4)γ射线辐照初期,纤维素、木质素等发生聚合反应,使竹材的弦向抗弯强度、顺纹抗拉强度有所升高。半纤维素的降解则导致竹材顺纹抗压强度降低。直至辐照剂量达到100KGy时,纤维素、半纤维素和木质素的降解反应加剧,竹材的弦向抗弯强度、顺纹抗拉强度呈现降低趋势。但因竹材发生了炭化,使得竹材的顺纹抗压强度升高。整个辐照过程中,竹材的弹性模量呈现波动升高趋势,可见γ射线辐照使竹材刚性、脆性变强。 (5)利用动态力学热分析仪,测试竹材的动态粘弹性。测定的温度范围为40℃~300℃,频率为3Hz。在起始温度点,即温度为40℃时,辐照后竹材的存储模量大于普通竹材,说明辐照使得竹材的刚性增强。但在升温过程中,辐照后竹材的存储模量降低幅度更加显著,说明竹材细胞壁主要组分的分子链被切断,升温过程中链段反应加剧,因而竹材存储模量降低幅度加剧。另外,辐照使竹材玻璃化转变温度点也发生改变,当辐照剂量低于100KGy时,竹材在105℃、220℃附近的玻璃化转变温度,因纤维素、木质素的聚合,呈现波动上升的趋势。而当辐照剂量达到300KGy、500KGy和1000KGy时,竹材的两个玻璃化温度转变点则因细胞壁三种主要组分的剧烈降解,而均呈现下降趋势。 (6)在研究竹材γ射线辐照效应的基础上,开展了γ射线辐照技术在提高竹材防霉性能中的应用研究。结果表明,竹材经γ射线辐照以后,竹材防霉性能提高,而且随着辐照剂量增加,防霉效果更佳。但由于γ射线对竹材有一定的劣化作用,因此在利用γ射线辐照对竹材进行防霉处理时,应根据材料的用途,设计合理的辐照工艺。


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