纳米TiO2表面修饰热处理木材的光变色调控机制研究

Poor dimensional stability, weak resistance to biological deterioration and grayish color is the main problem of plantation grown wood. Wood heat treatment is an effective way to improve this problem. However, heat-treated wood exposed to outdoor or light conditions for a long time will represent severe discoloration phenomena, which become a major bottleneck in the use of heat-treated wood. In this project, the study is to carry out basic scientific research on the discoloration characteristics of industrial heat-treated wood, which is loaded TiO2 crystallites by hydrothermal method and painted with varnish. The specific contents include: light discoloration characteristics of heat treated wood; factors affecting TiO2 crystal growth on heat-treated wood; film properties of heat-treated wood in situ loaded nano-TiO2; the regulating effect of TiO2 grain on discoloration of heat-treated wood. The aim of this project is to reveal the theory of discoloration of heat-treated wood loaded nano-TiO2 and its effective regulation mechanism, which is helpful for laying the theoretical and technical foundation for the development of new light stabilized films.

尺寸稳定性差、抗生物劣化能力弱和材色浅是人工林速生材的主要问题，木材热处理技术是改善该问题的有效途径。然而，长期暴露在户外或光照环境的热处理木材会出现严重的光变色现象，成为制约热处理木材户外使用的主要瓶颈。本项目以工业化热处理的落叶松木材作为研究对象，对热处理木材光变色机理进行基础科学研究，并通过水热法在其表面原位负载TiO2晶体以改善其光变色现象。具体内容包括：热处理木材的光变色特性；热处理木材表面TiO2晶体生长的影响因素；热处理木材原位生长纳米TiO2后的漆膜性能；纳米TiO2晶粒对热处理木材光变色的调控作用。本项目旨在揭示表面负载纳米TiO2的热处理木材光变色规律，为有效调控热处理材的光变色现象和研制新型光稳定化薄膜奠定理论和技术基础。

经过纳米二氧化钛表面修饰处理的热处理木材表面材色未发生显著变化，依旧保持热处理木材原有的优雅、深沉材色，同时具有良好的疏水性和光稳定性，在户外木结构建筑及景观建筑等领域应用前景广泛，但纳米二氧化钛晶粒的形成和固定机理仍未完全解释。本项目探明了钛源浓度、水热温度、水热时间、超声清洗时间、溶液体系PH值等工艺条件对二氧化钛表面修饰热处理木材色度、接触角和微观结构等物理化学性质的影响规律，解析并发现了纳米二氧化钛的晶粒对热处理木材光致变色的作用机理。综合分析了溶液体系PH值、钛源浓度、超声清洗时间等因素对热处理木材表面纳米二氧化钛晶粒大小、形状和分布的生长规律，同时研究并揭示了表面修饰对热处理木材漆膜性能的影响规律。纳米二氧化钛成功负载于热处理木材表面，制备了低表面自由能高疏水性木材。木材表面粗糙度随表面修饰处理的变化规律研究为户外热处理木材的涂饰工艺提供了理论支撑。通过纳米二氧化钛表面修饰，热处理木材耐老化性能得到显著提升，特别是热处理木材经过人工加速老化和天然老化后材色稳定性均有所提升，处理材表面裂纹也得到了有效限制。从细胞壁水平上研究了几种常见热处理木材，首次横向比较了不同热处理下木材微观力学性能差异，从微观角度解释了木材热处理过程隔绝空气的原理，即防止木材高温环境下发生过度的氧化反应而引起细胞壁开裂等缺陷的产生。这些发现为热处理木材户外耐老化性能增强理论及其抗老化性能调控技术提供了重要支撑。. 项目在《Coatings》、《Scientific Reports》、《浙江农林大学学报》、《林产工业》等发表论文8篇，其中SCI 收录论文2篇，中文核心期刊收录论文6篇，已申请国家发明专利1件。培养博士研究生1名并入职内蒙古农业大学任教，硕士研究生2名，一人到北京林业大学攻读博士研究生，一人入职黑龙江林业职业技术学院任教，项目成员1人次由副教授晋升为教授。参加国际木材改性论坛等6人次。