甘油对木材主成分热降解及交联化反应的加速作用机理研究

Glycerin treatment is a new method in wood modification. Wood compression deformation can be fixed and wood thermal treatment process can be accelerated by this method. It also can improve the quality of products and reduce the cost. But the mechanisms of the reaction between wood molecules and glycerin remain unclear. This research aims to analyze the effects of glycerin on crystalline region by testing the crystallinity and the crystallite size; analyze the effects of glycerin on wood molecular structure and thermal motion of molecules in amorphous region by dynamic viscoelastic test. The reaction type, reaction rate and effect factors were characterized by thermogravimetry analysis, differential scanning calorimetry as well as kinetics analysis. The mechanisms of wood compression deformation fixation and acceleration of wood thermal treatment process by glycerin were revealed at molecular level. The synthesized theoretical system was built and the new method of controlling products quality was developed. The “treatment condition-wood cell structure-product performance model” based on reaction kinetics was built combined with the physical and mechanical properties of wood by statistical analysis and mathematical models. The results of this research can provide theoretical basis and technology reference for glycerin in wood modification technology and provide theoretical guidance for technical parameters choice and the predicting and controlling of product quality.

甘油预处理是木材功能性改良的新方法，可以有效固定木材压缩变形及加速木材热处理过程，提高压缩木及热处理材的产品质量、降低生产成本，但其作用机理尚不明确。本项目旨在通过对不同处理条件下甘油预处理材结晶度及结晶区大小的测量，分析甘油对结晶区分子结晶化及热降解的作用；通过动态粘弹性分析，探究甘油对木材无定形区分子结构及分子热运动的作用；通过热重分析、差式量热扫描分析和反应动力学分析，表征甘油处理木材热反应类型、反应速率和影响因素，从分子水平揭示甘油固定木材压缩变形和加速热处理过程的机理，形成甘油对木材热反应作用机理的综合理论体系；开发基于处理材细胞壁构造的产品质量控制新方法；结合甘油处理材物理、力学性能，运用统计分析和数学模型，建立基于反应动力学的“处理条件-木材细胞壁构造-产品性能模型”。研究结果将为甘油在木材功能性改良工艺中的应用提供理论依据，为技术参数选择及产品质量的预测、及控制提供指导。

甘油预处理是木材功能性改良的新方法，可以有效固定木材压缩变形及加速木材热处理过程，提高压缩木及热处理木材的产品质量、降低生产成本。为了探究甘油对木材主成分热降解的加速作用机理，本项目通过木材结晶度测试分析甘油对木材结晶区分子结构的影响，动态粘性分析甘油对木材无定形区分子结构及分子热运动的作用；通过热重分析和反应动力学分析，表征甘油处理木材热反应的速率、活化能和影响因素；采用温度-时间叠加方法分析处理木材的颜色参数与热处理温度、时间之间的关系，建立回归模型；探索利用颜色特征参数，采用反应动力学分析方法分析改性剂对木材热降解的影响的方法。研究结果表明：热处理过程中，甘油浸注处理木材的结晶度升高，甘油与木材分子之间形成一种连接反应，与短链分子之间的反应在温度低于或达到140℃时停止，与长链分子之间的反应在温度低于或达到180℃时停止，甘油对木材高分子链的主链和侧链都有影响，并随着热处理温度的变化而变化；甘油浸注处理加速了木材热降解，160℃、甘油浓度60%是甘油与热处理联合作用对木材成分分解产生影响的关键点，甘油热处理木材热降解过程分为三个阶段，当处理条件达到关键点，第三阶段的开始温度降低，在第一阶段甘油热处理材木材成分分解量减少，这部分成分可能在之前的甘油热处理过程中分解或反应生成热稳定更强的物质，在第二阶段分解，使第二阶段的质量损失增加，热处理使热处理材的Ea升高，当热处理温度达到160℃、甘油浓度达到60%时，第一阶段分解反应的Ea降低，第二阶段和第三阶段的Ea升高；热处理时间和温度对△E*影响显著，△E*随着处理温度、时间的增加而增大，通过时间-温度叠加曲线计算出的表观活化能说明甘油预处理降低了热降解反应的表观活化能，甘油在热处理过程中降低了反应消耗的能量，通过颜色参数动力学计算分析改性剂对木材热降解的影响的方法是可行的。本研究分析了高温下甘油对木材细胞壁主成分的作用，探明了甘油对木材热降解加速作用的重要影响因素温度和甘油浓度的关键点，为甘油在木材高温改性中的应用提供指导。