矽酸鹽改性杉木機理及改性材在家具應用中的研究

杉木(Cunninghamia lanceolata)作為我國人工林的重要組成部分,在木材加工,經濟建設和生態環境保護方麵有十分重要的作用.但杉木存在結構疏鬆,材質輕軟,強度低,易燃等缺陷,限製了其在家具,地板,木結構等領域的廣泛應用.杉木中閉塞紋孔的存在使得改性劑滲透困難;現有改性方法難以獲得理想效果,導致杉木改性研究進展緩慢.針對此,本文以人工林速生杉木為研究對象,采用矽酸鹽為浸漬改性劑,通過負壓-正壓交替的"呼吸法"改性工藝對杉木進行改性處理,製得了集高質高強,尺寸穩定,環保無毒,阻燃抑煙等優異性能於一體的改性杉木,並對其改性工藝,改性機理,改性後杉木的基本性能和改性材在家具應用中的主要性能進行了分析.論文的主要研究內容與研究結果如下:(1)與酚醛預聚體有機浸漬改性劑相比,矽酸鹽無機浸漬改性劑更有利於保持杉木本身的環境學特性,提高杉木熱穩定性以及耐水性能,且浸漬效果更好.與真空逐級加壓法相比,呼吸法改性工藝能使更多的改性劑進入到木材中,和杉木中基團形成更多的氫鍵締合與化學鍵結合;同時對杉木的物理力學性能,耐水性能,阻燃抑煙性能,耐熱性能起到更好的提升作用.(2)對杉木矽酸鹽改性工藝進行了研究,明確了改性過程中各因素對改性杉木的影響規律.在此基礎上,采用響應曲麵法對工藝進行了優化.結果表明:各工藝因素對增重率的影響程度分別為浸漬壓力>矽酸鈉濃度>浸漬時間>呼吸次數.改性杉木在矽酸鈉溶液濃度為31.60%,浸漬時間為3.80h,浸漬壓力為0.7MPa,呼吸次數為6次時,浸漬效果最佳.(3)經矽酸鹽改性處理後,杉木密度,抗彎強度,抗壓強度,衝擊韌性均得到大幅提升;三切麵質量磨損率和木材吸水率顯著降低.杉木由易燃變為難燃,耐火性能顯著提高,且阻燃和抑煙效果良好;燃燒殘餘炭結構較完整.同時,改性處理對杉木的顏色影響較小,木材基本上維持了原有顏色特征.光澤度上,杉木改性材略小於素材,但分布規律基本相同.改性後杉木徑切麵與弦切麵的紋理間距,紋理粗細,紋理疏密程度並未出現明顯變化;紋理灰度與背景灰度稍有降低,且兩者之間差別變大,使得紋理較素材明顯.(4)SEM分析證實,經呼吸法處理後,負壓-正壓交替可破壞閉塞紋孔的紋孔塞,打通改性劑在杉木中滲透和遷移的通道;排出木材內部空氣,使得木材浸漬效果較佳.相比於素材,矽酸鹽改性劑產生的物理與化學雙重作用使得改性杉木的力學性能和耐水性能得到顯著提升.同時,改性杉木徑向和橫向Si元素含量變化進一步驗證了呼吸法對閉塞紋孔的打通效果.通過XPS測試發現,改性杉木沿橫向從表麵到30mm處均出現了C,O,Na和Si元素,其相對含量差異較小,且各處的Si-O-C結合結構的吸收峰強度基本相同,揭示了改性劑較好浸入到杉木中間,且均勻性良好.(5)以"溫莎椅"為分析模型,采用Solidworks建模軟件與ANSYS有限元軟件模擬對杉木素材和矽酸鹽改性材在實木家具中的應用進行了力學對比分析.結果表明:國標四級試驗水平下,改性材模型所施加荷載引起的結構或構件的應力均小於改性杉木的容許應力,且產生的形變量與應力均較素材小,表明椅子的結構強度滿足荷載標準下的使用需求.矽酸鹽改性杉木材用於實木家具的製作是切實可行的.(6)矽酸鹽改性處理使杉木的水性漆接觸角較素材稍變大,仍處於部分潤濕狀態.改性處理對杉木表麵水性漆的塗料附著性能影響微弱,且小於油漆類型與塗刷遍數帶來的影響.當選擇水性漆作為杉木的表麵塗飾時,底漆麵漆分開的類型能達到更好的塗飾效果,且塗刷遍數應達到底漆2-3遍,麵漆2-3遍.若選擇底麵合一型的水性漆時,應塗刷4遍才能獲得較為滿意的附著性能.改性處理使杉木榫接合性能得到較大提高,抗拔強度增幅30%,抗彎強度增幅17%.榫頭與榫眼的最佳過盈配合量:素材為1.5mm,改性材為1mm時,榫接合抗拔強度與抗彎強度最大.

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