论文部分内容阅读
高温热处理是一种重要的木材改性技术,但其属于自催化反应,改性所需温度高、时间长。热处理木材组分热降解并不能改善其阻燃性能,直接使用仍然具有火灾隐患,这些不足限制了热处理木材的应用范围和热处理技术的发展。本研究针对上述不足,根据氮磷阻燃剂(NP)低温热降解作用机理,利用其产生的酸性物质促进木材热改性反应,提高热改性效率和效果。采用阻燃联合热处理“两步法”使木材表面功能化,改善木材表面性能,赋予其尺寸稳定性和阻燃性,并通过阻燃联合热压缩改性构建木材表面功能层,对其颜色装饰性、表面强度、润湿性、胶合强度以及阻燃性等性能进行了研究,利用近红外光谱(NIR-FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、光电子能谱(XPS)、断面密度(VDP)、锥形量热(CONE)等分析手段对联合改性机理进行了分析。主要得出以下结论:(1)常规160℃-220℃热处理杨木表面发生脆化现象,宏观表现为表面强度随热处理温度和热失重增加而线性下降(R2>0.878),表面应用性能表现为漆膜附着力和胶合强度下降。对热处理杨木近表面的分层研究发现,1 mm脆化层以下的表面胶合剪切破坏主要发生于木材本身,取决于木材自身表面强度。AFM检测结果表明,表层脆化的微观表现为细胞间结合下降,细胞壁厚度减小、细胞壁S2层发生分层现象,热处理木材表层由于过度热降解而形成脆化表层。(2)NP中的多磷酸铵在低温下热降解形成磷酸等中间产物,TGA和NIR-FTIR分析表明NP在120℃-160℃温度下形成的酸性介质环境促进了木材半纤维素的热降解。与常规220℃热处理木材(Ht-220)相比,阻燃联合热改性材中的纤维素和木质素降解程度较低,表面脆化程度以及胶合强度明显改善,改性温度和保温时间分别降低约30%和75%。(3)阻燃联合热改性过程中NP与木材之间发生反应的同时,NP向木材芯层迁移,并在木材表面形成了厚度约5.5 mm的功能化表层。NP由晶体颗粒聚集态转变成均匀包覆层态,联合热改性木材的吸湿性相比仅NP浸渍处理材(NP-t)降低约60%,抗流失率由16%提高到27%。此外,功能化表层使联合热改性木材的体积抗湿胀系数(ASE)达到51%,表面胶合强度相比Ht-220增加53%,燃烧热释放速率相比NP-t下降约22.7%,燃烧烟气总产量由2.2 m2减少到0.4 m2。(4)阻燃联合表面热压缩改性中,NP首先受热降解形成磷酸、水蒸气和NH3,促进细胞壁组分热降解并软化、塑化木材表层,在酸-湿-热条件下联合机械压缩在杨木表面构建厚度为2-3 mm的功能层。SEM-EDS结果表明NP软化作用使功能层密实程度高、细胞壁无裂损现象,且NP能够在细胞壁之间起到填充和连接作用。该功能层相比未处理材表面硬度提高48%,浸水测试前后的厚度变化率仅为6.07%。CONE测试中功能层开裂的时间推迟约50%,阻燃效果提高。(5)本研究中NP与热处理以及NP与表面热压缩之间具有协同作用。聚类分析表明构建的表面功能层表面颜色与常规200℃、220℃热处理杨木聚为一类,阻燃和抑烟性能与NP-t聚为一类,阻燃效果明显增强。阻燃联合热改性方法能够同时改善木材的颜色装饰性、尺寸稳定以及阻燃性能,有利于扩大热处理材的应用领域。