硅溶胶强化杨木复合材的制备与性能研究

论文摘要

木材无机质功能性复合化制备的复合材料,具有阻燃和耐腐和天然无毒等优良性能,且产品价格低廉而日益受到人们的关注,但由于其力学性能除硬度和耐磨性得到提高以外,冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量都有不同程度的降低。为此,本文以人工林杨树木材为研究对象,在总结国内外该领域的研究进展和先进研究方法的基础上,在不削弱木材多孔性结构的前提下,以强化细胞壁为主要目标开展了硅溶胶强化杨木复合材的制备与性能研究,为赋予人工林杨树木材高强度、高性能,拓宽其应用范围提供技术支持,为人工林木材高效利用开辟新的途径,具有重要的科学意义和实用价值。本文以人工林杨树木材为研究对象,硅溶胶作为浸渍处理液,采用真空加压复合工艺路线开展强化低密度杨树木材的制备及其结构和性能的研究。论文的主要研究结论如下:（1）相同工艺参数下,液压浸渍工艺制备的复合木材其各项性能明显优于气压浸渍工艺制备复合木材的性能。就增重率而言,卸压之前的抽真空处理可以有效地增加复合材的增重率,卸压之后的真空处理对增重率的影响不明显,但可以除去处理材表面多余的浸渍液,使复合木材表面清洁又不致减少复合木材的增重率。（2）满细胞法浸渍硅溶胶可以最大程度地提高木材的增重率、抗弯弹性模量、抗弯强度。研究表明,复合木材的抗弯弹性模量与增重率存在线性关系,而复合木材的抗弯强度与硅溶胶进入木材内部的位置和深度有关,简单的物理填充不改变复合木材的抗弯强度。（3）硅溶胶浸渍处理的杨树木材,其抗弯强度的平均值为87.70 MPa,抗弯弹性模量的平均值为12.41 GPa,端面、弦面和径面的硬度分别提高了34.62%,49.15%和53.45%,顺纹抗压强度没有得到改善,基本保持不变或略有下降。浸渍硅溶胶处理后,木材在三个方向上都有不同程度的膨胀,弦向、径向和纵向尺寸分别增加了1.64%、0.55%和0.80%。延长前真空时间可以有效提高增重率和复合木材的力学性能,但对于木材的尺寸稳定性有不利的影响。因此,在保证复合木材力学性能达标的前提下要缩短前真空时间。对于杨树这样的软质木材,最优的浸渍工艺参数是:前真空时间20 min,浸渍压力1 MPa,浸渍时间30 min,后真空时间20 min。（4）硅溶胶浸渍处理不会影响木材的胶合性能。复合木材的胶合强度和木破率与未处理材差异不大,都达到了JAS标准。热重分析表明,复合木材较未处理材的热稳定性得到了改善,使得复合木材有一定的阻燃性能;并且随着增重率的增加,燃烧后残余物的重量随之增加,阻燃性能也随之提高。硅溶胶浸渍处理复合木材在弦向、径向和纵向的尺寸稳定性都得到了改善,且其尺寸稳定性的提高与增重率有关,改善的程度基本在25%至35%之间。润湿性研究指出,硅溶胶浸渍处理制备的复合木材产生了显著的接触角增大作用,表现出良好的表面疏水性能。（5）通过光学显微镜和扫描电镜观察,复合木材中存在块状聚集的二氧化硅,其分布情况是:横切面>径切面>弦切面;且径切面和弦切面均有SiO2薄层与细胞壁组织紧密相联,基本保持了木材的多孔性结构。荧光显微镜观察结果表明,在横切面上,二氧化硅主要以物理填充为主;在径切面和弦切面上,细胞壁物质不同程度地与二氧化硅发生了化学键合。（6）X射线能谱仪检测指出,硅元素在木材中的分布是不均匀的,主要分布在导管、木纤维、木射线和胞间层中。在浸渍过程中硅溶胶可以通过物理渗透方式进入木材内部的空隙。研究发现,木纤维和射线细胞的细胞壁上均有较高含量的硅,这是因为木纤维和射线的细胞腔相对小,在真空加压过程中,硅溶胶更容易进入细胞腔相对小的木材组织。杨树木材富含大量的纹孔,纹孔是实现浸渍处理液横向渗透的主要途径,因此,纹孔的硅含量较高。纤维细胞壁上有大量的纹孔,硅溶胶可以进入纤维中,导致木材纤维细胞壁上的硅浓度也较高。（7）XRD衍射峰的位置没有改变,说明硅溶胶复合木材的晶胞参数没有改变。红外光谱分析表明硅溶胶聚合后的二氧化硅与木材的骨架物质发生了作用;通过对素材和复合材的光谱图的对比,其主要特征峰没有明显变化,只有复合材中的Si-O-Si反对称伸缩振动峰向高频方向移动,Si-O-Si的弯曲振动也有小的位移,这主要是与氢键的形成有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.1.3 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 无机质复合木材国内外制备研究现状
• 1.2.2 无机质复合木材的机理研究
• 1.2.3 性能改善的研究
• 1.2.4 无机强化木材的性能及应用领域
• 1.3 研究目标和主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 技术路线
• 第二章 硅溶胶处理液及杨木常压浸渍性能的初步研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 处理液的物化指标
• 2.3.2 增重率
• 2.3.3 抗流失性
• 2.3.4 时效性
• 2.4 小结
• 第三章 硅溶胶浸渍杨木工艺对比研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 满细胞法
• 3.1.2 空细胞法
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 设备与仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 性能测试
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 处理工艺与复合木材增重率的关系
• 3.3.2 处理工艺与复合木材力学性能的关系
• 3.4 小结
• 第四章 硅溶胶强化杨木复合材的制备与物理力学性能
• 4.1 引言
• 4.2 硅溶胶强化杨树木材力学性能
• 4.2.1 材料和方法
• 4.2.2 复合木材的物理力学性能
• 4.2.3 工艺因子与尺寸变化的关系
• 4.3 小结
• 第五章 硅溶胶复合木材性能评价
• 5.1 引言
• 5.2 复合木材的胶合性能
• 5.2.1 材料和方法
• 5.2.2 性能检测
• 5.2.3 结果与分析
• 5.3 阻燃性能研究
• 5.3.1 材料和方法
• 5.3.2 结果与分析
• 5.4 复合材的尺寸稳定性
• 5.4.1 材料和方法
• 5.4.2 结果与分析
• 5.5 复合木材的润湿性解析
• 5.5.1 材料和方法
• 5.5.2 结果与分析
• 5.6 小结
• 第六章 复合木材微观结构研究
• 6.1 引言
• 6.2 复合木材的微观结构
• 6.2.1 材料和方法
• 6.2.2 结果与分析
• 6.3 复合木材的超微结构
• 6.3.1 材料和方法
• 6.3.2 结果与分析
• 6.4 复合木材中无机成分的分布
• 6.4.1 材料和方法
• 6.4.2 结果与分析
• 6.5 荧光显微镜下复合木材的结构
• 6.5.1 材料和方法
• 6.5.2 结果与分析
• 6.6 小结
• 第七章 复合木材强化机理研究
• 7.1 引言
• 7.2 XRD 分析
• 7.2.1 材料和方法
• 7.2.2 结果与分析
• 7.3 复合材的红外分析
• 7.3.1 材料和方法
• 7.3.2 结果与分析
• 7.4 小结
• 第八章 结论及建议
• 8.1 结论
• 8.1.1 硅溶胶处理液性能表征
• 8.1.2 硅溶胶强化杨树木材工艺对比研究
• 8.1.3 硅溶胶强化杨树木材性能研究
• 8.1.4 复合木材性能评价
• 8.1.5 复合木材微观结构研究
• 8.1.6 复合木材强化机理研究
• 8.2 建议
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢