速生杨木细胞壁改性与增强机制

发布时间：2020-08-02 22:48

【摘要】：本研究针对速生杨木存在的强度低、尺寸稳定性差、易腐蚀等缺陷,利用松香、糠醇、聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、纳米SiO2等改性剂,采用浸渍填充、接枝共聚、原位改性等工艺,对速生杨木进行细胞壁修饰及增强处理;并通过扫描电镜(SEM)、显微拉曼光谱仪、X射线光电子能谱(XPS)、动态力学分析仪(DMA)等对细胞壁增强改性前后结构、化学成分及性能进行表征,研究改性剂分布状态、与细胞壁界面结合性能及作用机理,揭示增强改性机制。主要研究结果如下:(1)亲水性试剂对木材细胞壁润胀性较好,更易进入细胞壁,易与纤维素羟基发生反应。速生杨木的纤维素主要分布在细胞壁S2层,而木质素在细胞角隅和胞间层处含量丰富。速生杨木可反应羟基含量约为8.3 × 10-3 mol/g。速生杨木具有较大的微纤丝角和较低的结晶度,内部存在丰富的纳米级、微米级孔隙。由于结构上的差异,速生杨木弦切面渗透性优于径切面。(2)松香浸渍改性可改善速生杨木性能。松香浸渍改性主要填充木材细胞腔,并少量进入细胞壁。与空白材相比,增重率(WPG)为31.9%时,弹性模量(MOE)、顺纹抗压强度(CS)和硬度分别提高了 18.9%、31.6%和30.9%,而抗胀缩系数(ASE)达到了 36%。松香改性能够降低木材的吸湿性和亲水性,对木材的抗弯强度(MOR)影响不显著。(3)糠醇浸渍改性能够增强速生杨木细胞壁。由于较低的分子量和对木材优良的润胀性,糠醇聚合后主要填充于木材细胞壁、细胞角隅和薄壁细胞等结构内。糠醇改性对MOR和MOE影响较小,但能够显著提高木材的ASE、抗吸水性、CS和硬度。脱木素作用能够提高糠醇改性材的抗酸碱性能和热性能。(4)糠醇-纳米复合改性可进一步增强改性效果。通过糠醇与纳米SiO2协同改性,速生杨木的尺寸稳定性、抗吸水性、热稳定性、耐磨性以及力学性能均得到增强。糠醇与纳米Fe304对木材的协同改性,不仅保持了木材较高的抗吸水性和ASE,还提高了纳米粒子的抗流失性和耐酸碱腐蚀性,同时赋予了木材磁性能。(5)细胞壁接枝共聚改性能够显著提高木材性能。拉曼光谱成像和XPS测试结果表明,通过化学改性可接枝上带有活性基团的链段,并降低木材极性,提高改性剂对细胞壁润胀及渗透性能;共聚反应使改性剂和细胞壁之间形成共价键,提高了界面结合性能,从而提高木材性能。PEGDA和MMA接枝共聚改性木材的ASE均达到了50%以上,PEGDA能够保持木材较好的润湿性,而MMA接枝共聚改性材经144 h浸泡后吸水率低于30%。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S781
【图文】：

森林面积,森林资源清查,面积统计,人工林

１．２．１木材改性意义逡逑第八次全国森林资源清查结果表明，我国森林资源呈现出数量持续增加、质量稳逡逑步提升、效能不断增强的良好态势（图１－１）。我国现有森林面积为２．０８亿公顷，森逡逑林覆盖率２１．６６％，森林蓄积量为１５１．３７亿立方米，天然林面积１．２２亿公顷，蓄积１２２．９６逡逑亿立方米；森林面积和森林蓄积分别位居世界第５位和第６位（国家林业局，２０１４）。逡逑然而，我国仍然是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林覆盖率远低于全球３１％的平逡逑均水平，人均森林面积和人均森林蓄积量分别仅有世界水平的１／４和１／７，而且森林逡逑资源存在着质量不高、分布不均的问题，林业发展还面临着巨大的压力和挑战。而且，逡逑木材供需的结构性矛盾十分突出，主要表现在现有可用材林中可采面积仅占１３％，逡逑可采蓄积仅占２３％，可利用资源少，大径材林木和珍贵树种更少。逡逑３．０ｘ１０４邋－Ｉ逦逡逑４邋■逦｜邋一■一全国森林面积逦

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鸦干麟逦木质素逡逑图２－２木材三种主要成分的分子结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ邋ｉｎ邋ｗｏｏｄ逡逑综上所述，速生材自身结构、化学成分和性能存在着较大差异，尤其是细胞壁的逡逑构造与化学成分。只有充分了解速生材的这些特点，才能“因地制宜”，找到合适的逡逑改性方法，从而获得性能优良的改性材，促进速生材的优化利用。逡逑本章主要以北京产速生杨木为主要研究对象，从结构、成分以及性能等方面对速逡逑生杨木进行研宄，对速生杨木的细胞壁结构、成分分布、渗透性、润胀性等进行测试逡逑与表征，为后期的速生杨木增强改性研宄提供理论依据。逡逑１６逡逑

【参考文献】