杨木单侧表层密实塑合及其原位矿化阻燃改性研究
作者单位：华南农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：欧荣贤;王清文
授予年度：2020年
学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程]
摘 要：随着木材工业的快速发展和各国对木材出口的限制,硬木资源供不应求,速生材可作为理想替代品,但由于其材质疏松、力学性能差、尺寸不稳定和易燃性,大大限制了速生材的应用。针对上述问题,本论文提出了木材单侧表层密实塑合和原位矿化阻燃改性方案。木材单侧表层密实塑合可以提高木材的力学性能,以水性树脂固定压缩变形,形成高硬度免漆表面,并保留木材的调温调湿特性;硼酸锌原位矿化阻燃改性可以实现木材的深度浸渍,具有不吸湿、抗流失的优点。本文以速生材杨木(Populus euramevicana cv.’I-214’)为研究对象,基于节能环保的原则,采用无醛的反应型水性丙烯酸树脂(BASF Acrodur)对杨木进行单侧表层浸渍,进一步单侧表层高温密实塑合,制备了一种具有高力学性能、高表面硬度、高耐磨、优良尺寸稳定性和高效阻燃性的单侧表层密实塑合(ISD)木材,研究了水性树脂平均分子量、树脂溶液浓度、浸渍时间、热压温度对ISD木材性能的影响;探究了原位矿化生成硼酸锌阻燃剂对ISD木材阻燃性的影响。主要研究内容和研究结果如下:(1)水性Acrodur950L(950L)树脂浸渍进入木材细胞腔,固化形成坚硬、防水的的三维结构网络。固化的树脂能降低密实层的泡水尺寸回弹(SR),即使ISD木材的增重(WPG)小于4.7%,SR也小于2.0%。ISD木材的表面性能与WPG和热压温度有关。随着WPG增大,表面硬度明显增大,当WPG大于3.7%时,ISD木材硬度高达5.9 k N,为对照组未处理木材的两倍以上。与对照组相比,单侧表层密实(OSD)木材的静曲强度(MOR)和弯曲弹性模量(MOE)比对照组分别提高了28.2%和37.6%。当ISD木材的WPG较小时,MOR和MOE与OSD木材相当。ISD木材地板具有优良的尺寸稳定性,几乎没有瓦弯和翘曲现象,适用于地板,台面、桌面和浴室家具。(2)在相同条件下对木材浸渍18%浓度的950L树脂(平均分子量为80 000 g mol),采用真空浸渍法和真空高压浸渍法处理的ISD木材的WPG分别为为3.7%和10%。AcrodurDS3530树脂的平均分子量(12 000 g mol)相对较小,用其制备的单侧表层密实塑合(ISD-DS3530)木材的SR、粗糙度和接触角均较小。X射线光电子能谱分析表明,当浸渍时间为3 h后,950L树脂浸渍单侧表层密实塑合(ISD-950L)木材和ISD-DS3530木材表面氧含量降低,C1含量增加约12%,C2含量降低13%,C2/C1降低,表明木材表面的亲水性降低。(3)硝酸锌在氨水中能形成锌铵络合离子,在水溶液中脱去氨气,能与硼砂沉淀,即可在木材内部原位矿化生成硼酸锌阻燃剂。扫描电子显微镜观察显示,硼酸锌大量存在于木材管孔,部分存在于木材交叉场、管胞和纹孔。木材矿化2次以上时,极限氧指数达到40.0%以上,垂直燃烧测试评定为V1级;硼酸锌能降低木材的热降解温度,促进木材热降解向生成结构稳定的炭层方向进行,提高木材热降解的残炭率,比对照组木材提高了6.5%;与对照组木材相比,矿化2次的木材和矿化2次的单侧表层密实塑合(M-ISD)木材的热释放速率峰值分别降低了24.6%和30.7%,总热释放量分别降低了50.4%和38.6%,总烟释放量分别降低了71.3%和54.8%;M-ISD木材的点燃时间和热释放速率峰值时间比矿化2次的木材分别延缓了15 s和55 s,M-ISD木材具更好的阻燃性和抑烟性。综上所述,通过单侧表层浸渍结合单侧表层高温密实缩合能够显著提高速生杨木的力学强度、尺寸稳定性、表面硬度和耐磨性,硼酸锌原位矿化能够进一步赋予单侧表层密实塑合木材阻燃性能。本文为速生木材的高值化利用提供了一种新的研究思路,可拓展速生木材的应用领域。
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