基于金属活化的热处理杉木耐光老化性能研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songjinyi2001
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热处理木材具有良好的尺寸稳定性、生物抗性和机械振动性能而被广泛应用于园林景观、装饰建筑等户外环境。然而,热处理木材极易受到紫外线和水分的影响,而导致热处理木材表面发生光降解。长时间的室外暴露,热处理木材颜色变浅、变灰,丧失原本美观的深色,甚至引起开裂。因此,深入开发热处理木材的耐光老化的方法,对其靶向改性及服役时间延长具有重要作用。本研究针对热处理木材在老化过程中易劣化的问题,采用高压静电场与金属电极板协同处理的方法,在电压为60k V、处理时间48h、压力为0.1MPa的工艺条件下,在热处理木材表面沉积TiO2、ZnO,达到吸收紫外线、缓解光降解的效果。本文分析了金属活化后热处理木材的构造和成分变化;并对金属活化后的热处理木材进行了为期720h的人工加速老化试验和为期1年的自然老化试验。本研究主要结论如下:(1)高压静电场与金属电极板协同处理的方法在热处理杉木表面成功原位沉积了纳米金属锌、钛粒子。锌粒子和钛粒子在热处理杉木表面得到有效分布,并且锌粒子在热处理杉木表面的分布更加均匀。在相同的高压静电场条件下,金属粒子重量比均大于10%,金属锌粒子的浓度在7%左右,而金属钛粒子的浓度在5%左右。在相同的极化作用下,金属锌粒子具有较高的活泼性,致使粒子浓度相对于金属钛粒子要高。同时,金属活化后的热处理杉木表面润湿性降低。(2)金属活化后试样的O/C比值显著降低。表面化学基团-OH、-CHO和锌粒子、钛粒子发生接枝反应并且覆盖热处理杉木表面。金属活化后,Zn2+、Ti4+一部分与木质素、半纤维素中的羟基发生反应,结合后的主要形式为Zn(OH)2、Ti-OH,另一部分在高压静电氧化后形成ZnO、TiO2,均匀分布于热处理杉木表面。金属活化后的热处理杉木中锌、钛粒子呈纳米级和结晶级,平均粒径小于30nm。该尺寸的锌粒子、钛粒子容易渗透进入热处理杉木的微观结构中,从而降低了其浸出的可能性。(3)在人工老化试验中,热处理杉木表面经过金属活化后,其老化后的色品指数L*值与对照组相比,减少了近14%;色品指数a*、b*在老化后期增加缓慢。金属活化有效抑制了试样表面的变红和变黄现象,老化过程中色差ΔE始终小于4,颜色稳定性得到了提高。在人工老化过程中,处理试样的表面静态接触角始终大于100°,保持了较好的疏水性,其细胞结构也基本保持完整,无明显裂痕。在人工老化过程中,处理试样的木质素光降解得到有效抑制,红外峰的相对比值(I1730/I1375)显著小于对照组,证实了金属活化能够增强木质素的光稳定性,提高了热处理杉木的耐光老化性。(4)在自然老化试验中,金属活化后的热处理杉木表面始终保持深色,老化后的色品指数L*、a*和b*相较于对照组,分别减少20%、29%和34%,色差ΔE始终小于10%,表现出较好的颜色稳定性。金属活化后,热处理杉木表面粗糙度(Ra)的变化得到有效缓解,在1年自然老化后,Ra的变化率小于10%。试样表面细胞结构基本保持完整,无明显裂痕,但可以观察到细胞壁厚度的减小。金属活化后的热处理杉木木质素降解速率I1730/I1375仍小于对照组,结果表明:自然老化过程中,纤维素、半纤维素与木质素均有一定程度的光降解,但金属活化可以有效抑制木质素的光降解。(5)金属活化后,表面金属氧化物ZnO和TiO2在人工老化试验后的浸出率较老化前分别增加了近5%和3%,在自然老化试验后的浸出率较老化前分别减少了近35%和40%。金属活化提高了ZnO和TiO2的附着性和抗流失性,对提高热处理杉木的耐光老化性能提供了保障。
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