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木材因自身的优点被广泛应用于家具制造、建筑、交通等领域,但随着我国天然林保护工程的实施和国外木材资源出口难度的增加,使得木材及其制品的供需矛盾日益突出。作为天然林的重要补充资源,我国的人工速生林木材发展迅速,但人工林木材材质较差、密度及表面硬度低,限制了其应用范围,必须对其进行增强改性处理。利用乙烯基类单体浸渍木材,在引发剂的作用下,使单体与木材组分发生接枝共聚反应而制备复合材料,这是一种改善木材性能的有效方法。
本论文以杉木为研究对象,利用单因素分析的试验方法研究甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体增强改性的浸渍工艺和聚合工艺,确定优化工艺参数。在试验过程中,单体的注入采用真空处理法,聚合采用热引发法,然后采用现代的分析测试仪器,分析杉木经MMA浸渍加热聚合后,高聚物在木材内部的渗透和分布情况,以及该处理方法引起的木材化学基团的变化,最后对改性材的各项物理力学性能进行测试和评价。
在浸渍工艺研究中,以单体留存率为评价指标来研究心边材、木材含水率、抽真空时间、浸渍时间等因素对浸渍结果的影响,选出的优化浸渍工艺参数为:试材为边材、木材含水率为绝干含水率、抽真空时间为30min、浸渍时间为2h。在聚合工艺研究中,以单体转化率和接枝率为评价指标来研究引发剂用量、氯化锌用量、陈放时间、聚合加热温度、聚合加热时间等因素对聚合结果的影响,选出的优化聚合工艺参数为:引发剂用量为MMA用量的0.5%、氯化锌用量为1%、陈放时间为24h、加热温度为70℃、加热时间为6h。在此优化工艺下,大规格试件的单体转化率为88.23%,小试件为54.16%,小试件的接枝率为27.44%。
用红外光谱(FTIR)对改性材进行表征,并研究改性处理后木材化学基团的变化,用环境扫描电子显微镜(SEM)对改性处理后高聚物在木材内部的渗透和分布情况的观察,结果表明:部分聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与杉木有接枝现象存在。
对增强改性前后木材的物理力学性能进行测试,结果表明:经过改性处理后,杉木各项物理力学性能得到不同程度的提高,如干缩率和湿胀率明显下降,并且径向和弦向的差异性减小,体积膨胀率和吸湿率随着单体留存率增加而降低,抗胀率达到75.1%,阻湿率达到68.92%,吸水性明显下降,密度由0.341g/cm3增加到0.748g/cm3,抗弯强度由43.66MPa增加到48.41MPa,增长10.88%,端面硬度由3.25kN增加到6.2kN,增长90.77%,径面和弦面硬度分别由2.28kN和2.22kN增加到4.15kN和4.05kN,分别增长82.01%和82.43%,顺纹抗压强度由32.77MPa增加到44.77MPa,增长30.52%。