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木材是一种天然的吸湿性材料,在日常的加工与使用中易发生开裂、翘曲等变形问题。尤其对于材质疏松的速生材,其尺寸不稳定性的问题尤为严重。因此,解决速生材的尺寸稳定性问题是适应行业和市场的需要,是木材工业发展的必行之路。现有的大多数木材改性体系残留挥发性产物,且改性处理材的生产成本较高、工艺复杂,难以实现市场推广和实际应用。木质素作为一种可再生的芳香族网状聚合物,具有相对疏水性和较多的活性官能团,是一种新型的改性剂。 本研究选择以来源广、成本低、无毒的碱木质素为改性剂,分别研究碱木质素单独浸渍改性、碱木质素/热处理改性、碱木质素/固化剂改性三种方法对处理材的防水性和尺寸稳定性等性能的影响,并采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和傅里叶红外光谱(FTIR)对改性材的微观结构和化学变化进行表征,揭示改性机理。研究主要结论如下: (1)SEM、CLSM和FTIR分析表明碱木质素主要存在于木纤维和导管细胞的细胞腔和细胞壁中。大分子碱木质素填充在细胞腔及附着在细胞壁内表面,不但可以堵塞木材水分通道,还能够减少水分与木材实质的接触;小分子的碱木质素填充于细胞壁的纳米空隙中,并与其内部的游离羟基形成醚键结合,从而实现了木材细胞腔(微米级)和细胞壁(纳米级及分子水平)的多尺度改性。随着热处理温度的升高,半纤维素有所降解,碱木质素在木材细胞中的分布更加均匀。固化剂的添加能够使碱木质素在木材中发生交联固化反应,加固木材细胞。 (2)碱木质素浸渍处理材(AL)具有良好的抗水流失性和表面疏水性,其流失率和初始接触角分别为3.3%和122°。相比较于未处理材(Control),AL材的防水性和尺寸稳定性有所提升,其吸湿性下降了13-25%,吸水性下降了67.0%,弦向吸湿膨胀率和体积吸湿膨胀率分别下降了25.8%和23.8%,弦向吸水膨胀率和体积吸水膨胀率分别下降了3.6%和5.6%。此外,AL材的抗压强度相比较于Control材有所提升,其抗压强度为42.5MPa。 (3)碱木质素/热处理改性能够进一步提高改性材的上述性能,且热处理温度越高,性能提高的越明显。碱木质素/180℃热处理改性材(AL180℃)的流失率仅为1.4%,初始接触角为144°,接近超疏水表面。相比较于Control材,AL180℃材的吸湿性下降了16-28%,吸水性下降了74.4%,弦向和体积吸湿膨胀率分别下降了37.5%和38.8%,弦向和体积吸水膨胀率分别下降了21.5%和23.4‰抗压强度为45.6MPa。 (4)碱木质素/固化剂浸渍处理改性相比较于碱木质素/热处理简化了改性工艺,且能够进一步提高改性材的上述性能。随着固化剂含量的增加,性能提高的越明显。碱木质素/5%固化剂浸渍处理材(AL5%)的初始接触角为148°,接近超疏水表面。此外,相比较于Control材,AL5%材的吸湿性下降了19-26%,吸水性下降了75.9%,弦向和体积吸湿膨胀率分别下降了48.4%和49.8%,弦向和体积吸水膨胀率分别下降了24.7%和25.3%,抗压强度为49.1MPa。