杉木硫酸铝预处理热改性机理及耐老化性能研究

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yishaphoto123456
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高温热改性是木材工业中常用的一种木材热化学改性处理方法,主要依赖其自催化反应,因此要想获得理想的热改性效果所需温度高,时间长。热改性可以赋予木材良好的尺寸稳定性、热稳定性和颜色装饰性,因而热改性木材被广泛应用于室内装饰材料、户外园林建筑的装饰外墙等。但热改性木材在使用过程中会受到光照、水分和氧气等因素影响而发生光降解,引起光变色等缺陷。本研究针对上述不足,利用硫酸铝水解产生的酸性介质促进木材的低温热降解,提高热改性的效果和效率;采用硫酸铝催化-热改性联合处理方法改善了速生人工林杉木的使用性能,赋予其尺寸稳定性、热稳定性和颜色装饰性,并通过硅氧烷基沉积改性使联合处理木材表面功能化,提高其耐老化性能,并对其老化进程中的颜色稳定性和疏水性进行了研究。利用多种检测方式和分析手段对改良机理进行了分析。主要结论如下:(1)硫酸铝通过水解产生的羟基络合物可以与木材内大量的羟基进行反应,进而附着、沉积到木材的表面和内部。硫酸铝预处理在热改性过程中催化了木材组分的低温热降解,促进了木材表面炭层的形成,提高了木材的尺寸稳定性和热稳定性。与对照组相比,硫酸铝催化-热改性联合处理木材(联合处理木材)的总色差值(ΔE*)明显增大,且随硫酸铝浸渍浓度的增加,ΔE*先增大后减小再增大,即通过硫酸铝催化预处理一方面可以提高木材颜色的改性效率,另一方面通过调控硫酸铝的浸渍浓度,可以防止热改性木材表面颜色过深,以致影响其表面装饰性能。综上,硫酸铝催化预处理可以有效的提高木材的热改性效率,使其在相对较低的温度下获得更高热改性温度才能获得的热改性效果,从而降低热改性所需温度。(2)与未预处理材相比,联合处理木材在老化过程中的ΔE*明显减小,降低了约42.12%-85.41%。通过硫酸铝催化预处理而络合、沉积在木材表面和内部的羟基络合物以及氢氧化铝一方面起到了紫外屏蔽剂的作用,阻挡了部分照射到木材表面的紫外光,减缓了木质素的光降解;另一方面也阻碍了氧气、水分与木材表面的接触,进而减少了抽提物的氧化以及含有醌类生色基团降解产物的溢出。因此,硫酸铝催化预处理在一定程度上可以提高热改性木材在老化过程中的颜色稳定性,但其改善效果有限,尚未达到理想的状态,联合处理木材仍存在老化变色的问题,因此需要对其耐光老化性进行进一步的提升。(3)硅氧烷基沉积改性有效的提高了联合处理木材的耐老化性能。沉积改性后素材和S0.4-160的ΔE*分别降低了约51.71%-62.41%和63.75%-93.23%;老化后的平衡接触角则分别提高了21.65°-91.26°和40.56°-61.65°;其中,沉积改性后S0.4-160木材试件的瞬态接触角提高了16.8°-38.1°,体现出良好的疏水性。同时,沉积改性后的试件在热解过程中的残重增加,最大热降解速率降低,并会释放出更多的二氧化碳和更少的一氧化碳,热稳定性明显提高。硅氧烷基沉积改性能够同时改善木材的颜色稳定性、疏水性以及热稳定性,赋予了热改性木材多重特性,提高了热改性木材的耐老化性能,有利于扩宽热改性木材的应用领域。
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