竹木复合材制备及性能研究

【摘要】对竹束进行炭化、微波预处理,研究了不同预处理对竹束表面物理化学性能的影响。利用经过不同预处理的竹束制备了竹木复合材,研究了预处理对竹木复合材物理力学性能的影响。采用正交试验,选取经过最优预处理的竹束与桉木束为原料,压制竹木复合材,研究了密度、竹木质量比和胶黏剂固体含量对竹木复合材物理力学性能的影响。采用天然钙镁矿物质粉与酚醛树脂胶复配胶液,压制了天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材,对天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材进行了热动力学分析并研究了天然钙镁矿物质粉填充对竹木复合材物理力学性能、热裂解性能及阻燃抑烟性能的影响。主要结论如下：1.采用接触角／界面张力测定仪、电子顺磁共振波谱(ESR)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析了炭化、微波处理后竹束的物理化学性能,利用经过不同预处理的竹束制备了竹木复合材,研究了预处理对竹木复合材物理力学性能的影响。结果表明：炭化处理后竹束表面接触角变大,微波处理后竹束表面接触角变小；炭化处理后竹束表面的自由基浓度降低,微波处理后的竹束表面自由基浓度增大；炭化、微波处理均能使竹束表面纤维素结晶度增大,但炭化处理结晶度增幅较大；炭化处理后竹束表面亲水性羟基减少,而微波处理后竹束亲水性羟基增加；预处理竹木复合材的MOR值较未处理材降低,MOE值变化幅度很小,炭化处理竹木复合材IB和TS值较未处理材下降,而微波处理竹木复合材IB和TS值上升,微波处理竹木复合材力学强度与胶合性能均优于炭化处理竹木复合材,微波处理竹木复合材仅在尺寸稳定性上较炭化处理材差,并且微波处理竹木复合材TS值较未处理材仅提高了13.4%,综合分析,选取微波处理为最优处理。2.采用正交试验,通过极差、方差与回归分析,研究了密度、竹木质量比和胶黏剂固含量对微波竹木复合材物理力学性能的影响。结果表明：密度对竹木复合材静曲强度、弹性模量的影响显著；竹木质量比对竹木复合材吸水厚度膨胀率影响显著；胶黏剂固含量对竹木复合材内结合强度影响显著。竹木复合材最优工艺为密度选取1.1,竹木质量比选取60：40,胶黏剂固含量选取25%。通过最优工艺压制的竹木复合材,其静曲强度为138.47MPa,弹性模量为11563.52MPa,内结合强度为1.78MPa,吸水厚度膨胀率为2.68%。3.采用热重(TGA)、裂解-气相色谱-质谱联用(PY-GC/MS)、LiChung-Hsiung积分法与Malek法研究了含Ca、Mg天然矿物质粉填充竹木复合材热裂解性能及热解动力学。结果表明：天然钙镁矿物质粉高温分解时能够吸收周围的热量,产生的自由基抑制剂和难热裂解的CaO与MgO都能够抑制竹木复合材的热裂解；裂解产物中CO、C02及单苯环类芳香族化合物含量比未处理竹木复合材均有所降低,脂肪族化合物含量较未处理竹木复合材增加,推测天然钙镁矿物质粉抑制了竹木复合材部分含氧官能团的脱除并催化木质素主要发生炭化反应；建立了天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材的热裂解模型,天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材热裂解反应模式为相界反应,球形对称,未处理竹木复合材的热裂解反应模式为随机核化,每一个粒子有一个核。4.采用热重(DTG)、锥形量热仪(CONE)、扫描电镜(SEM)以及裂解-气相色谱-质谱联用(PY-GC/MS)研究了天然钙镁矿物质粉填充对竹木复合材阻燃抑烟性能的影响。结果表明：适量的天然钙镁矿物质粉填充能够改善竹木复合材的物理力学性能,10%添加量为最佳,天然钙镁矿物质粉的均匀填充作用能够阻止热量的传递,堵塞可燃性气体逸出的通道,高温分解时产生不燃性气体,冲淡周围氧气与可燃性气体浓度,分解产生的自由基抑制剂能够抑制燃烧链式反应；TG曲线900s时的残余质量及CONE法燃烧600s时的残余质量均较未处理材增加,说明天然钙镁矿物质具有催化成炭的作用,这种催化成炭的作用是因为天然钙镁矿物质粉抑制了部分含氧官能团的脱除并催化木质素主要发生炭化反应。
【作者】陈卫民；
【导师】李新功；
【作者基本信息】中南林业科技大学，木材科学与技术，2014，硕士
【关键词】预处理；竹木复合材；物理力学性能；热裂解；阻燃抑烟；

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