低密度速生材的VTC改性与胶合工艺及机理研究

【摘要】我国天然林资源短缺，人工林资源相对丰富，如何有效利用低密度速生材对缓解我国高品质木材的大量需求有重要意义。VTC（ViscoelasticThermalCompression）是一种新型低密度速生材改性技术。本研究选用速生异叶铁杉（Tsugaheterophylla）为原料，开发了VTC处理前的热压脱水前处理工艺，对VTC改性技术进行了工艺参数优化和改性机理研究，然后对VTC处理材的胶合性能和胶合机理进行了探索。主要研究工作和结论如下：（1）开发了高含水率木材单板热压脱水工艺，使单板表面变得平整，提高了出材率和脱水速率。研究了单板在热压脱水过程中，脱水温度和脱水时间对单板干基含水率、脱水率以及脱水速率的影响。通过回归分析，建立了脱水时间、脱水温度与干基含水率间的模拟公式。综合考虑脱水速率和木材的材色加深，得到最佳脱水工艺条件为：压缩率9.5%，脱水温度170℃，脱水时间90s。（2）研究了处理温度（高温饱和蒸气软化处理至机械压缩阶段）、高温饱和蒸气软化处理时间、蒸气减压时间、压缩时间和预设压缩率等VTC工艺参数对处理材性能的影响，得到：随着处理温度的升高，木材质量损失加剧，平衡含水率下降；随着软化处理时间的延长，木材的最终厚度和厚度膨胀率减少；蒸气减压时间增加时，厚度膨胀率增加；随着压缩率增加，VTC处理材厚度减小、密度增加、弹性模量和静曲强度提高、厚度膨胀率增加。（3）通过回归分析建立了VTC工艺参数与处理材弹性模量、静曲强度和吸水厚度膨胀率之间的经验方程。通过优化获得了速生材单板VTC处理最佳工艺条件：获得最大力学性能的最佳VTC处理条件为：处理温度170℃、软化时间180s、蒸气减压时间10s、压缩时间300s、预设压缩率200%；获得最小厚度膨胀率的最佳VTC处理条件为：处理温度160℃、软化时间600s、蒸气减压时间10s、压缩时间180s、预设压缩率50%。（4）从微观物理特征和化学特征两方面考察了VTC改性机理；利用扫描电镜观察了异叶铁杉VTC处理前后的微观形态；测定了木材VTC处理前后抽提物的含量、水抽提物的pH值；对多种抽提物和各胞壁成分进行提取或分离并进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。得出：木材经VTC处理后，细胞空腔减小，细胞壁结构保持完整；抽提物含量增加，表明高分子聚合物在热和蒸气的作用下发生部分降解，并使木材吸湿性下降、材色加深；VTC处理后，木材中的多聚糖主要是半纤维素发生了热解，从而减少了木材的吸湿性；VTC处理没有引起胞壁成分中α-纤维素和木质素显著变化，保证了VTC木材的强度。（5）研究了VTC处理材的胶合性能，分析了胶黏剂种类、施胶量和单板密度对胶合性能的影响，选择出了三种不同胶黏剂最佳施胶量。得出：经PF和PUR胶合后的高密度VTC处理材，其胶层剪切强度要远大于未处理材，而经PMDI胶合后的未处理材和VTC处理材，其胶层剪切强度没有明显差别；PMDI和PUR胶黏剂比PF表现出了更好的胶合能力；当PE、PMDI和PUR用作胶黏剂胶合高密度VTC处理材时，合适的施胶量分别为82、34和15g/m2；由VTC处理材制得的胶合板，其胶合强度和耐湿性比未处理材高，其木破率满足行业标准PS1-09中对室外用材料的要求。（6）通过荧光显微镜和扫描电镜观察了木材表面以及胶层的微观形态，对不同胶黏剂在单板中的渗透深度和深度形式等VTC处理材胶合机理进行了分析。通过FTIR分析考察了木材与胶黏剂在胶合时的化学反应。得出：VTC处理使木材表面变得平整，更有利于胶黏剂的润湿，形成均匀胶层，从而增强其胶合强度；FTIR谱图显示：胶合热压时胶黏剂与木材细胞壁成分之间可能发生了化学反应。
【作者】刘红玲；
【导师】郭康权；
【作者基本信息】西北农林科技大学，生物材料科学与工程，2014，博士
【关键词】低密度速生材；VTC改性；处理温度；胶合；异叶铁杉；

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