微波处理改善木材浸注性及其机理研究

【摘要】功能化是实现木材高附加值利用的有效途径。目前，主要采用加压浸渍的方式，将功能剂压入木材内部，达到木材的功能化处理目的。但对于难渗透木材仍存在处理时间长、浸渍深度不够等问题。微波处理可以有效改善木材的液体浸注性能，为木材的功能化处理提供有利条件。本文以杉木及樟子松木材为试验材料，研究其用于制造加压浸渍及常压浸渍型功能材料的微波处理工艺，从微观构造、孔隙结构变化等角度揭示了微波处理材浸注性改善的机理。本论文研究内容包括四个部分：1）通过测试微波处理杉木的力学性能及加压浸渍吸水率，确定杉木用于制造加压浸渍型功能木材的微波处理工艺。通过测试微波处理樟子松木材的常压浸渍吸胶率，确定樟子松用于制造常压浸渍型功能木材的微波处理工艺。2）利用体视显微镜观察微波处理材宏观裂纹产生位置，利用扫描电镜及透射电镜观察微波处理材微观结构破坏情况，分析宏观裂纹及微观结构破坏对处理材液体浸注性能的影响。3）采用图像处理方法，获得微波处理樟子松木材宏观裂纹特征信息，研究宏观裂纹状态与液体浸注性能的相关关系。4）通过压汞法和氮吸附法分析处理材微观孔隙结构变化，揭示微波处理木材液体浸注性能的改善机理。通过本论文的研究可以得出以下结论：1.杉木（尺寸：600mm×80mm×25mm）用于制造加压浸渍型功能木材时，较优的微波处理工艺为：微波体积功率219.78kW/m3、含水率范围40%~60%、微波处理时间60s；樟子松（尺寸：600mm×80mm×25mm）用于制造常压浸渍型功能木材时，较优的微波处理工艺为：微波体积功率219.78kW/m3、含水率范围20%~40%、微波处理时间90s。2.体视显微镜观察结果显示，微波处理材宏观裂纹产生的位置集中在射线薄壁细胞与轴向管胞的胞间层及轴向管胞间的胞间层，裂纹沿处理材径向发展；扫描电镜及透射电镜观察结果显示，杉木及樟子松微波处理材中均可观察到射线薄壁细胞与轴向管胞的胞间层处的微裂纹、轴向管胞胞间层处的裂纹、纹孔缘破坏及闭塞纹孔复位等现象；樟子松微波处理材中还可观察到交叉场纹孔区域产生破坏现象。微观构造破坏可以有效改善处理材液体浸注性能。3.通过图像类型转换、图像增强、图像分割及形态学处理操作，可以获得微波处理材宏观裂纹数量、长度、宽度及面积等特征信息，计算出处理材裂纹区域面积所占的百分数、裂纹总长度及裂纹平均宽度。4.单因素线性回归分析结果显示，裂纹区域面积百分数与裂纹总长度与吸胶率（30min）线性相关系数分别为0.651和0.643，而裂纹平均宽度与吸胶率（30min）线性相关系数为0.271；多因素线性回归分析结果显示，微波处理材吸胶率主要与裂纹区域面积百分数及裂纹总长度有关，多因素线性回归方程为：y=23.206+0.765×1+0.014×2。5.压汞法分析结果显示，经微波处理后，樟子松及杉木总孔体积、比表面积、中孔直径及孔隙率均有一定幅度增大。在具体的孔径分布方面，微波处理后樟子松及杉木木材管胞直径变化不大（樟子松微波处理材：6823.8nm左右，对照样：7082.3nm左右；杉木微波处理材：25908.4nm左右，对照样：25918.2nm左右）。处理材纹孔塞缘部位的小孔孔径增大（樟子松微波处理材：283.8nm左右，对照样：226.7nm左右；杉木微波处理材：921.1nm左右，对照样：480.2nm左右）。微波处理樟子松及杉木木材产生大量孔径小于13.7nm的微孔，使处理材比表面积大幅增加。微波处理材纹孔塞缘上小孔孔径及比表面积增大有利于增大其液体浸注性能。6.氮吸附法分析结果显示，孔径分布范围18.59nm~40.03nm内，杉木微波处理材孔的数量小于对照样；在孔径分布范围40.03nm~343.3nm内，处理材孔的数量多于对照样。
【作者】何盛；
【导师】傅峰；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，木基复合材料科学与工程，2014，博士
【关键词】微波处理；木材；液体浸注性能；机理分析；

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