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热处理对重组竹材物理力学及耐久性能影响的研究

作　者: 秦莉
导　师: 于文吉
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 木基复合材料科学与工程
关键词: 重组竹热处理耐久性能物理力学性能人工加速老化室外老化防霉性能耐腐性能
分类号: TG156
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

重组竹是以竹束为基本构成单元按顺纹理方向经热(冷)压胶合而成的竹基纤维复合材料,因其具有良好的纹理、色泽及物理力学性能,在室内地板、家具及装饰装修材料上已得到了广泛的应用。近年来,随着国际上对于竹质材料环保性能的认可,以及我国在重组竹材制造技术上的突破,室外用重组竹材的需求与日俱增,室外用重组竹材已经成为国际上研究的热点领域之一。开展重组竹材耐老化性能以及防腐防霉性能的系统研究,对于扩展重组竹材的应用领域具有极大的推进作用,同时可以为室外用重组竹材标准的制定及产品开发提供基础理论依据,对提升我国重组竹材行业整体竞争力、推广户外用重组竹产品、提高其附加值具有重要意义。本论文主要以慈竹(Neosinocalamus affinis (Rendle) Keng f.)为研究对象,以热蒸气为介质,采用不同温度(160℃、180℃和200℃)和时间(2h、3h和4h)对竹束进行热处理后,以浸渍型酚醛树脂为胶黏剂制备重组竹板材,并分析热处理对重组竹材的物理力学性能及化学成分的影响。通过对热处理后竹束制备的重组竹材进行了人工模拟气候加速老化性能、室外自然老化性能、循环加速老化性能及防霉耐腐性能的研究,探讨了人工加速老化与室外自然老化的关系,揭示了在不同老化环境下重组竹材料性能变化规律。主要研究结论如下:(1)随着热处理温度的升高和时间的延长,重组竹材的静曲强度和水平剪切强度下降,其下降最大幅度分别可达49%和30%。重组竹的弹性模量不受热处理工艺的影响,处理前后其值基本不变。热处理后,重组竹材的尺寸稳定性增强,其24h吸水厚度膨胀率的下降幅度最高可达30%。随着热处理温度的升高和时间的延长,重组竹材表面总色差值ΔE*ab呈上升趋势,表面由亮变暗,颜色由浅变深。对热处理竹材的红外光谱分析发现,随着热处理温度的升高,与纤维素、半纤维素和木质素相关峰的强度减弱;对热处理后竹材中化学成分变化的研究发现,随着热处理温度的升高,竹材中α-纤维素的含量下降,木质素的含量略有增加。(2)三种人工模拟气候老化方法均会改变重组竹表面颜色,其排序依次为氙灯辐照+喷淋>氙灯辐照>低温氙灯辐照,即表面颜色变化会受光照、温度和水分三个因素的影响。热处理和涂饰处理均有助于重组竹材表面色稳定性的提高。对氙灯辐照前后的重组竹表面进行FT-IR分析发现,与木素相关峰1634 cm-1、1508 cm-1、1423 cm-1、1327 cm-1和1238 cm-1的强度随着辐照时间的增加迅速减弱,木质素是竹材中最容易发生光降解的结构。(3)重组竹材在9个月的室外自然老化试验过程中,重组竹材表面的颜色指数变化幅度与氙灯辐照+喷淋192 h后的试验结果最为接近,因此,氙灯辐照+喷淋可以较好的模拟室外老化过程中其表面颜色的变化。在室外放置的9个月中,重组竹材的尺寸随着气候条件的变化而增减,吸水厚度膨胀率和吸水率与空气湿度和温度的相关系数分别在0.01和0.05水平显著。热处理对重组竹材室外自然老化后的静曲强度、弹性模量和水平剪切强度值没有明显影响,相比于未经过室外自然老化的重组竹材,其力学强度值的下降幅度均在10%以下,可以保持较好的力学稳定性。(4)对重组竹循环加速老化试验的研究结果发现,六循环试验后,重组竹材的力学性能均未发生明显变化,六循环试验可以较好地模拟室外自然老化过程中重组竹的力学强度和尺寸稳定性的变化。(5)随着热处理温度的升高和时间的延长,重组竹材对腐朽菌和霉变菌的防治作用呈增强趋势。重组竹材本身具有较好的耐腐性能,耐腐等级可达到Ⅰ级。重组竹材对霉变菌的防治作用较差,其被害值均在3.5以上。经过防霉剂处理及涂饰后重组竹的防霉变性能有一定的提高,但效果不明显。热处理、防霉剂处理和涂饰处理后重组竹材对蓝变菌均无防治作用,但其内部未受到蓝变菌的侵袭。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
第一章绪论  16-31
  1.1 引言  16-17
    1.1.1 研究背景  16
    1.1.2 研究目的和意义  16-17
    1.1.3 项目来源及经费支持  17
  1.2 研究现状  17-28
    1.2.1 重组材的产生与发展历程  17-18
    1.2.2 重组竹国内外研究进展  18-23
    1.2.3 木/竹质材料的耐候性能研究现状  23-28
  1.3 研究目标和内容  28-29
    1.3.1 研究目标  28-29
    1.3.2 主要研究内容  29
  1.4 研究技术路线  29-30
  1.5 论文创新点  30-31
第二章热处理对重组竹材性能的影响  31-54
  2.1 引言  31-32
  2.2 试验材料及方法  32-35
    2.2.1 试验材料  32
    2.2.2 试验设备  32
    2.2.3 试验方法  32-35
  2.3 试验结果与分析  35-52
    2.3.1 重组竹力学性能  35-41
    2.3.2 重组竹物理性能  41-44
    2.3.3 重组竹颜色变化  44-46
    2.3.4 热处理竹材的FT-IR 分析  46-48
    2.3.5 热处理竹材的化学成份分析  48-50
    2.3.6 慈竹及重组竹的微观构造分析  50-52
  2.4 小结  52-54
第三章人工模拟气候环境条件下重组竹材的性能研究  54-70
  3.1 引言  54-55
  3.2 试验材料及方法  55-57
    3.2.1 试验材料  55
    3.2.2 试验设备  55
    3.2.3 试验方法  55-57
  3.3 试验结果与分析  57-68
    3.3.1 人工模拟光照淋雨试验结果  57-60
    3.3.2 人工模拟光照试验结果  60-65
    3.3.3 人工模拟低温光照试验结果  65-67
    3.3.4 几种光老化条件下重组竹表面颜色变化的对比分析  67-68
  3.4 小结  68-70
第四章重组竹材室外自然老化性能研究  70-83
  4.1 引言  70-71
  4.2 试验材料与方法  71-72
    4.2.1 试验材料  71
    4.2.2 试验设备  71
    4.2.3 试验方法  71-72
  4.3 试验结果与分析  72-82
    4.3.1 北京天气情况  72-73
    4.3.2 室外老化重组竹表面颜色变化  73-77
    4.3.3 室外老化重组竹的尺寸稳定性  77-79
    4.3.4 室外老化重组竹表面粗糙度变化  79-80
    4.3.5 室外老化重组竹力学性能变化  80-82
  4.4 小结  82-83
第五章加速老化对重组竹性能的影响  83-92
  5.1 引言  83-84
  5.2 试验材料及方法  84-85
    5.2.1 试验材料  84
    5.2.2 试验设备  84
    5.2.3 试验方法  84-85
  5.3 试验结果与分析  85-91
    5.3.1 重组竹六循环加速老化试验结果  85-89
    5.3.2 重组竹30 天吸水厚度膨胀率试验结果  89-90
    5.3.3 重组竹湿热循环试验结果  90-91
  5.4 小结  91-92
第六章重组竹材防霉耐腐性能研究  92-102
  6.1 引言  92
  6.2 试验材料与方法  92-95
    6.2.1 试验材料与制备  92-93
    6.2.2 试验设备  93
    6.2.3 试验方法  93-95
  6.3 试验结果与分析  95-101
    6.3.1 重组竹材的耐腐性能  95-97
    6.3.2 重组竹材的防霉防蓝变性能  97-98
    6.3.3 防霉剂处理后重组竹的防霉防蓝变性能  98-100
    6.3.4 表面涂饰对不同温度热处理的重组竹防霉防蓝变性能影响  100-101
  6.4 小结  101-102
第七章结论与讨论  102-106
  7.1 结论  102-103
  7.2 讨论  103-105
  7.3 建议  105-106
参考文献  106-114
导师简介  114-116
在读期间学术研究  116-117
致谢  117

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