热处理杉木的物理力学性能与热降解特性研究

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jfguo2008
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杉木分布范围广、加工性能优异。但具有尺寸稳定性差等缺点,可通过热处理改善木材的尺寸稳定性、耐久性等,而热处理对杉木质量损失和物理力学性能的影响有待进行定量研究。本研究以人工林杉木为研究对象,在氮气氛围下,选用不同热处理温度(160℃、180℃、200℃、220℃、240℃)和热处理时间(1 h、2 h、3 h、4 h)进行热处理,研究热处理杉木的物理力学性能与其主要化学成分(纤维素、半纤维素、木质素)的热解特性与热分解量。得到的主要结论如下:(1)在本研究的热处理条件下,随热处理温度的升高和时间的延长,杉木的平衡含水率、吸水率和全干密度均下降,木材表面颜色逐渐变深,色差值ΔE*最大为37.56质量损失逐渐增大,质量损失率在0.25%~11.1.%之间,建立了热处理杉木质量损失与热处理温度和时间的经验预测模型。(2)热处理杉木的主要力学性能随着热处理温度的升高和时间的延长呈下降趋势。与未处理材相比,热处理材的静曲强度损失了5.34%~59.84%、弹性模量下降1.83%~21.3%、顺纹抗拉强度损失了9.57%~71.75%、顺纹抗拉弹性模量下降6.57%~30.62%、表面硬度下降0.88%~29.7%。建立了热处理温度和时间与力学性能的经验预测模型,以及质量损失与静曲强度之间的响应关系模型,总体预测精度高。(3)杉木热解过程中,纤维素和木质素的热稳定性相对较好,半纤维素的热稳定性差,且降解速率最快,为主要降解组分。与未处理材相比,随着热处理温度的升高和时间的延长,综纤维素的相对含量由69.94%降至61.04%;纤维素的相对含量在43%~46%之间,但纤维素结晶度提高了4.28%~12.4%;半纤维素的相对含量由24.51%降至12.75%,木质素相对含量由35.64%增加到39.44%。红外光谱分析显示热处理使得羟基等吸水基团减少,提高了尺寸稳定性。SEM观察到细胞壁结构受到挤压发生变形,产生裂缝,纹孔出现破坏。(4)采用化学法从杉木中分离得到了纤维素、半纤维素及木质素,根据热重分析(TG)数据分别计算了活化能和指前因子。并基于阿列纽斯方程建立了杉木、纤维素、半纤维素和木质素热分解量的预测模型,使用独立平行反应模型预测了热处理过程中杉木的质量损失模型,预测结果与实验测试结果较符合。
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