高温热处理中木材细胞壁组分变化及其与材料性能的关系

The crossing and intergrating theory of multiply subjects of wood physics, wood chemistry, organic chemistry, polymer physics and chemistry, and instrumental analysis is applied in the study. Fast-growing low-quality wood is thermally treated to obtain the product with stable dimension, beautiful color, and high durability. And the treated wood is analyzed by using modern analytical technologies as FTIR, Raman, CP/MAS 13C NMR, XPS, ESR, XRD, SEM, HPLC, TD-GC-MS, and elemental analysis. The chemical modification mechanism of cellulose, hemi-cellulose, lignin and extractive in wood cell wall and the product structure will be investigated under heat treatment. Synergistic reaction and coupling relation in the chemical modification of each component will be clearly elucidated. The recombination, condensation reaction, and reaction mechanism of intermediate product in the thermal modification of the components in wood will be explained. The effect of medium on the performances of thermally treated wood will be investigated. The relationship of chemical structure change to the color, wettability, dimension stability and durability will be explored. Among them, the mechanism of the chemical modification of the components in wood cell wall and the relationship to the performance of thermally treated wood are the main scientific problem to be resolved. The findings will certainly offer theorical basis and technological support for developing new high-quality wood products and functionally utilizing low-quality wood resource in high-added value.

综合运用木材物理、木材化学、有机化学、高分子物理与化学、表面化学及仪器分析等多学科交叉融合理论，采用FTIR、Raman、CP/MAS 13C NMR、XPS、ESR、XRD、SEM、HPLC、TD-GC-MS及元素分析等分析手段，以速生低质木材为试材，利用热处理的方法，获得尺寸稳定、颜色悦目、耐久性高的热处理材。研究热处理过程中木材细胞壁组分纤维素、半纤维素、木质素及提取物的化学转化机制及产物结构；阐明各组分反应转化过程中的协同作用和耦合关系；解析木材细胞壁组分热转化反应的中间产物的重组、缩合反应及反应历程；考察不同介质热对热处理木材性能的影响；探究各组分化学结构变化与颜色、吸湿性、尺寸稳定性、耐久性的关系。其中，热处理过程中木材细胞壁组成的转化机理及其与热处理材性能的关系是拟解决的主要科学问题。其研究结果必将为新型高品质木制品的开发和低质木材的功能化、高值化利用提供理论依据和技术支撑。

本文以落叶松为试材，热处理温度分别为150°C、160°C、170°C、180°C、190°C、200°C和210°C，保温2h、4h、6h和8h，研究了各种热处理条件对热处理材物理性能、化学组分、人工老化性能的影响。.1.随着处理温度的提高和处理时间的延长，热处理落叶松心边材的各向及体积干缩率及湿胀性、吸水性、心边材明度值L*均显著降低，同时其尺寸稳定性也随着逐渐增加。当190°C处理6h时，落叶松心材和边材颜色基本一致，克服了心边材颜色不均匀的问题。.2.紫外照射和湿气喷淋人工加速老化条件下，木材表面趋于灰白色，细胞壁出现裂痕。在短期老化条件下，210°C热处理木材颜色较为稳定；而长期老化条件下，热处理材与未处理材颜色稳定性差异不大。.3.高温热处理过程中，半纤维素乙酰基断裂形成乙酸，进一步促进半纤维素和无定形区纤维素酸性条件下的水解反应，分子链断裂形成低聚糖、二糖甚至单糖。TG-FTIR检测到木材热解过程中的大量溢出气体，如水、CO、CO2、甲醛等羰基类物质、酚类物质和甲烷等。热处理后，木材热解逸出气体的演变曲线发生明显变化。热解温度在250°C以下时，非共轭C=O键发生裂解从而形成CO2；当热解温度达到250~340°C时大量β-O-4键发生断裂并迅速释放CO2。当热解温度超过 260°C，醚键和二芳基醚键的断裂从而形成CO。高温热解过程木质素发生二苯基甲烷的缩聚反应和脱甲氧基的反应，脱去大量甲氧基，芳环活性点数量增加，木质素反应活性提高。由于木质素所具有的复杂化学结构，通常酚类物质包括愈创木酚、二甲氧基苯酚以及其衍生物。热重-气质联用仪TG-GC-MS检测到大量热裂解产物，包括酸类、酯类、醇类和呋喃类物质。.4.比较了多种保护介质下热处理木材的材性。氮气和生物质燃气热处理材细胞壁出现少量细小裂痕，而空气下热处理细胞壁产生更多更严重的裂痕。油热处理木材细胞壁弹性模量和硬度的标准差较大，与植物油浸渍入木材细胞壁内部有关。总体上看，不同热处理介质下木材细胞壁的蠕变行为均有所减弱。