高温水热处理对马尾松木材物理力学性能影响的研究开题报告

1. 研究目的与意义

（1）研究目的目前，马尾松木材是我国人工林木材所占比例最多的材种之一。主要用于家具、地板、装修、木结构建筑以及木质复合材料等，仅次于杉木和杨木。由于马尾松木材易蓝边、腐朽，易遭虫蛀和白蚁侵害，生长应力大，易于翘曲变形，干燥过程易开裂，松脂含量多且易于渗出，影响后期涂饰效果等缺陷，使得大量木材资源未得到充分利用。因此为了提高马尾松木材利用率，必须探寻出一种新的处理工艺来迎合工业化生产和市场化需求。（2）研究意义高温热处理可以提高木材的尺寸稳定性、防腐防霉以及降低木材平衡含水率，同时也会使木材力学性能降低，失重率增加，木材颜色加深，油漆性能下降等。本研究以马尾松木材为试验对象，通过采用不同水热处理温度（140℃、160℃、180℃、200℃）和不同时间（1h、3h、5h）的热处理工艺，分析高温水热处理前后马尾松木材试件的主要物理力学性能变化情况，研究水热处理时间、温度对木材物理力学性能的影响，探索较佳的水热处理工艺，为提高木材尺寸稳定性等性能提供技术依据。

2. 国内外研究现状分析

（1）国外研究现状Kentaro Abe等人分析了蒸煮和干燥处理对应力木的各种物理性能的影响，通过蒸煮应力木后在径向产生明显皱缩，且径向的杨氏模量减少。还提出通过蒸煮后，带有胶质的应力木径向上依然产生周所现象，这可能是由于生长应力造成的。Mohammed等研究了热处理木材的接触角发现：处理温度在100℃～160℃区间内，木材表面的接触角増大；处理温度在160℃～260℃区间，木材表面的接触角基本不变，保持在90，当热处理温度超过200℃时，热处理试件失重率明显增加，热处理之后木材的羟基数量明显减少。Kaisu Leppanen 等人采用高温热水处理工艺在温度120～240℃时改性处理挪威云杉研究得出：在120～160℃时，只有少量的半纤维素被抽提，然后随着温度的提高半纤维素抽提率越来越高；在220℃时，所有的半纤维素和15%的木质素被抽提；在240℃时，部分纤维素发生降解。Siqun Wang南方黄松进行热水不同温度（140、155、170℃）的抽提处理，同时将偶联剂、木刨花（经过抽提和对照组）与聚丙烯在挤出机里混合注塑成型WPC。研究表明，经过半纤维素抽提后的WPC吸水性能下降，同时力学性能也有上升，并且也增加了WPC的防霉性能。Takamura研究发现木材热处理后，其静曲强度减小是因为水分子通过对纤维素非结晶区、半纤维素和木质素进行润胀，且纤维素、半纤维素和木质素复合物中的氢键随温度的升高而被破坏，从而降低了分子间作用力，分子间的运动更加充分，即细胞壁软化，静曲强度减小。（2）国内研究现状高伟等人在热处理对三种松木木材（欧洲赤松、北美短叶松和马尾松）疏水性能的研究表明，热处理后木材的接触角增大，粗糙度变小但与接触角无显著相关性，羟基官能团吸光度下降，羰基官能团吸光度的变化因树种和处理时间而异。热处理增强了3种松木木材的疏水性能，主要是表面亲水官能团数量下降引起，而与表面粗糙度的关系不大。李志高等人认为蒸煮可以浸提出木材中的单宁等酚类物质，解决栗木地板发黑的难题，同时浅化并统一了材色。程万里等人利用新开发的耐热、耐压应力传感器，采用夹具束缚试件在干燥过程中的收缩变形，考察了高温高压蒸汽条件下，伴随试件干燥过程的收缩应力发生、发展特征及粘弹性特性。龚仁梅等人对木材在汽蒸条件下的非稳态水分传导的研究中发现：高温、高湿汽蒸处理对木材直接的影响是增大木材水分传导性；同时，她还研究了汽蒸处理对干燥应力的影响，研究表明：汽蒸处理可使应变转变点向后延迟，由于高温高湿处理使木材在软化过程中内应力得到一定的释放，从而提高了木材干燥质量。叶克林等人对废弃刨花板进行水热处理，分析了水热处理工艺对再生刨花的形态、吸水性及再胶合性能的影响，研究结果表明：采用水热处理工艺制备的再生刨花所压制的刨花板性能接近于原生刨花板；再生刨花有良好的再胶合性能。李大纲等人对弯曲木制品进行了不同温度处理下的曲率半径回复试验，比较木材经100、140、160、180和200℃ 5种不同温度下分别处理2、4、8h 后，再经24℃水浸泡24 h，60℃水浸泡4h，100℃沸水煮后的曲率半径回复率。结果表明：弯曲木的曲率半径回复率随水热处理时间的增加而减小，随处理温度的提高而减小。高晨超对杨木刨花进行高温水热处理，发现主要降解物是半纤维素、杨木刨花的渗透性增加、吸湿性能得到改善、力学性能下降。佟达等人对水曲柳进行水热-微波软化处理，发现水热－微波处理可显著增强木材的软化性能。当水煮处理时间为140～150min、微波处理时间为350s时，顺纹压缩率最大，单维和多维弯曲时的曲率半径平均值最小，水热－微波处理木材相对结晶度提高。周利等人采用水热处理对杨木进行压缩前预处理，研究表明：水温对木材抗压强度有较大影响，随着水温的升高，木材的顺纹抗压强度与屈服应力均呈下降趋势，而屈服应变变化很小，最大载荷下的应变和载荷陡降时的应变均增加，残余变形增加。而保温时间对木材的顺纹抗压强度影响不显著，随着保温时间的延长，最大载荷下应变与应变差先增加，在保温1h时应变达到最大值，而后减小直至趋于平缓。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：本课题以马尾松木材为研究对象，主要从以下方面进行研究：(1)不同高温水热处理工艺对马尾松木材的物理性能（失重率、EMC、尺寸稳定性、颜色）影响的研究。(2)不同高温水热处理工艺对马尾松木材的力学性能（弹性模量、抗弯强度、抗压强度、硬度、顺纹抗拉强度、冲击韧性）影响的研究。研究计划：(1)2017年13月：采集和确定研究所需马尾松木材试材；收集资料、阅读文献，确定具体实验方案；加工与干燥试材。(2)2017年34月：试验；马尾松木材高温水热处理处理后物理力学性能的指标测定；分析高温水热处理前后，不同温度和时间马尾松木材试件的主要物理力学性能变化。(3)2017年5月：总结、撰写毕业论文。

4. 研究创新点

(1)本研究采用物理改性方法对马尾松木材进行高温水热处理，不仅可以提高木材的尺寸稳定性，还可起到脱除树脂等作用，改善木材的耐久性能。

(2)本研究通过对马尾松木材不同温度和时间水热处理效果的影响，全面分析高温水热处理工艺的适用性，进而更好地为马尾松木材的工业化利用及市场化需求提供参考依据。