生物質(zhì)燃氣熱處理木材品質(zhì)與微觀力學性能研究.pdf

1、目前木材高溫熱處理技術主要是利用氮氣、真空、蒸汽或植物油等作為保護介質(zhì)，而對于生物質(zhì)燃氣熱處理木材的研究相對比較缺乏。與其他傳統(tǒng)的工業(yè)化木材熱處理技術相比，生物質(zhì)燃氣高溫改性處理在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和污染排放等方面有其獨特的優(yōu)勢。根據(jù)我國木材產(chǎn)品市場日益突出的供需矛盾，針對生物質(zhì)燃氣高溫熱處理技術的研究，對于拓展生物質(zhì)燃料的應用領域，豐富熱處理工藝和改善人工林速生材的利用率、產(chǎn)品附加值具有極其重要的現(xiàn)實意義。
　　本文以落葉松(L

2、arix gmelinii(Rupr) Kuzen)為試材，熱處理溫度分別為150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃和210℃，保溫時間分別為2h、4h、6h和8h的條件下，對高溫熱處理技術進行了系統(tǒng)性的研究。研究了各種熱處理工藝條件對木材物理性能、化學組分、燃燒性能、人工老化性能和細胞壁微觀力學性能的影響，并系統(tǒng)性的比較了生物質(zhì)燃氣和氮氣熱處理材性能的差異性。其中主要的研究結(jié)果包括:
　　1、隨著處理溫度的提高

3、和處理時間的延長，熱處理落葉松心邊材的各向及體積干縮率及濕脹性、吸水性、心邊材明度值L*均顯著降低，同時其尺寸穩(wěn)定性也隨著逐漸增加。處理溫度和時間對熱處理材性能有決定性影響，其中處理溫度的影響更大。相同熱處理工藝，氮氣和生物質(zhì)燃氣處理落葉松吸濕膨脹性基本相同。當熱處理溫度達到190℃，處理時間為6h時，落葉松心材和邊材顏色（特別是明度值L*）基本一致，克服了心邊材顏色不均勻的問題，熱處理材可部分代替珍貴木材使用。
　　2、紫外照射

4、和濕氣噴淋人工加速老化條件下，木材表面趨于灰白色，細胞壁出現(xiàn)裂痕。在短期老化條件下，210℃熱處理木材顏色較為穩(wěn)定;而長期老化條件下，熱處理材與未處理材顏色穩(wěn)定性差異不大。
　　3、錐形量熱儀CONE用于測試木材燃燒性能參數(shù)。由于熱處理造成木材組分含量的變化和微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，210℃熱處理材燃燒過程的MLR失重峰值和平均熱釋放速率峰值分別降低46％和42％，對于減少火災危害有積極的作用。
　　4、通過木材化學組分分析，熱處理

5、過程使落葉松邊材半纖維素和α-纖維素含量分別由33.3％和38.8％降低到11.24～23.3％和33.7～38.3％，而木質(zhì)素相對含量則由26.4％增加到36.7～49.3％;熱處理后落葉松心材半纖維素和α-纖維素含量分別由32.7％和37.9％降低到11.2～22.6％和33.6～37.2％，而木質(zhì)素相對含量則由26.9％增加到37.5～48.7％。生物質(zhì)燃氣熱處理后木材各組分含量變化與實驗室氮氣熱處理基本一致。
　　5、高溫

6、熱處理過程中，半纖維素乙酰基斷裂形成乙酸，進一步促進半纖維素和無定形區(qū)纖維素酸性條件下的水解反應，分子鏈斷裂聚合度降低，從而形成低聚糖、二糖甚至單糖。熱重-紅外聯(lián)用儀TG-FTIR檢測到木材熱解過程中的大量溢出氣體，如水、CO、CO2、甲醛等羰基類物質(zhì)、酚類物質(zhì)和甲烷等。熱處理后，木材熱解逸出氣體的演變曲線發(fā)生明顯變化。熱解溫度在250℃以下時，非共軛C=O鍵發(fā)生裂解從而形成CO2;當熱解溫度達到250～340℃時大量β-O-4鍵發(fā)生斷

7、裂并迅速釋放CO2。當熱解溫度超過260℃，醚鍵和二芳基醚鍵的斷裂從而形成CO。高溫熱解過程木質(zhì)素發(fā)生二苯基甲烷的縮聚反應和脫甲氧基的反應，脫去大量甲氧基，芳環(huán)活性點數(shù)量增加，木質(zhì)素反應活性提高。由于木質(zhì)素所具有的復雜化學結(jié)構(gòu)，通常酚類物質(zhì)包括愈創(chuàng)木酚、二甲氧基苯酚以及其衍生物。熱重-氣質(zhì)聯(lián)用儀TG-GC-MS檢測到大量熱裂解產(chǎn)物，包括酸類、酯類、醇類和呋喃類物質(zhì)。熱處理后木材熱解溢出氣體明顯減少，同時其逸出氣體的成分更為復雜多樣。

8、r>　　6、裝備熱平臺的納米壓痕儀對熱處理木材細胞壁微觀機械性能的溫度響應機制進行了實時監(jiān)測。室溫下熱處理材S2層細胞壁彈性模量由20.8GPa降低到18.8～19.2GPa，而其硬度則由0.61 N/mm2增加到0.69～0.74N/mm2。高溫環(huán)境下，熱處理材細胞壁彈性模量和硬度較穩(wěn)定。利用Burger模型J(t)=J0+J1t+J2[1-exp(-t/τ0B)]可以良好的擬合木材細胞壁的蠕變行為。熱處理木材細胞壁表現(xiàn)出更低的蠕變率

9、，這主要是與木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的再冷凝和交聯(lián)反應以及纖維素結(jié)晶性提高等因素有關。
　　7、本試驗中，比較了多種保護介質(zhì)（氮氣、空氣、生物質(zhì)燃氣和植物油）下熱處理木材的材性。結(jié)果表明，隨處理溫度的提高木材降解反應逐漸增強，質(zhì)量損失率隨之增加。氮氣和生物質(zhì)燃氣熱處理材細胞壁出現(xiàn)少量細小裂痕，而空氣下熱處理細胞壁產(chǎn)生更多更嚴重的裂痕。油熱處理木材細胞壁彈性模量和硬度的標準差較大，與植物油浸漬入木材細胞壁內(nèi)部有關?？傮w上看，不同熱處理介質(zhì)下木