脱木质素处理对速生杨木和杉木细胞壁层结构影响

木材吸湿性对于其自身性质和加工利用有重要意义,而吸湿机理尚未完全明晰。本研究旨在探究木材孔隙结构对于吸湿性的影响。以杨木和杉木为研究对象,采用亚氯酸钠溶液不同程度脱除木质素,分析了脱木质素对于孔径分布、微观结构、基团变化、结晶度等的影响,并用Hailwood-Horrobin模型进行了拟合分析与数理表征,进而研究了木材吸湿性及其变化机理。结果表明:脱木质素处理提高了杨木材和杉木材的吸湿平衡含水率,显著降低了吸湿滞后;脱木质素处理后多分子层吸附能力的提升幅度大于单分子层的,脱木质素处理后杨木材多分子层水的吸附能力强于杉木,特别是相对湿度70%~85%时最明显。脱木质素处理主要将微纤丝间隙和细胞角隅及胞间层等位置的木质素脱出,改变了细胞壁中木质素的分布规律,显著增加了2~30 nm间的介孔和1000~21000 nm间大孔的数量,杉木材各个孔径变化范围和孔容增量均大于杨木材。然而,脱木质素材的吸湿性并没有细胞壁中介孔量的变化明显;脱木质素处理没有改变杨木材和杉木材纤维素Ⅱ型结晶结构,但提高了两者的结晶度;红外光谱分析表明,半纤维素和纤维素等主要吸湿物质相对含量增大。因此,脱木质素处理后吸湿性的变化主要是由细胞壁的化学基团、微纳孔隙、结晶度等物理化学性能协同影响造成的。

热处理及脱木质素对南方松木材吸湿极限与细胞壁饱和状态的影响

时域核磁共振(TD-NMR)技术可用于考察木材吸湿极限(HL)和细胞壁饱和(CWS)两种纤维饱和状态下水分的弛豫特性及含水率的差异,对南方松(Pinus spp.)分别进行热处理和脱木质素处理,采用TD-NMR技术研究该差异的变化。将试样置于100%相对湿度环境中调至HL状态,该状态下对应的含水率即为HL状态下的纤维饱和点(FSP);随后对试样进行饱水处理以达到CWS状态,该状态下的FSP通过-3和25℃条件下TD-NMR的反演峰面积计算获得。结果表明:饱水处理后,CWS状态下的木材细胞壁进一步润胀,细胞壁水分受束缚程度减弱;相比未处理材,热处理会使饱水处理而发生的润胀效果减弱,细胞壁水分受束缚程度增强,而脱木质素组效果相反。经过热处理后试样HL和CWS状态下的FSP均有所下降,而脱木质素处理后,两种状态下的FSP均有所上升。未处理组、热处理组和脱木质素组HL与CWS状态下的细胞壁结合水含水率差异分别为10.24%,1.91%,14.09%,即热处理能够减弱HL与CWS状态之间的含水率差异,而脱木质素处理能够提升HL与CWS状态之间的含水率差异,这主要是由于两种处理方法改变了细胞壁水分存在的物理环境(孔隙结构)和化学环境(化学成分)。

不同预处理方法对木材细胞壁孔隙结构影响

【目的】探究水分所引发的木材细胞壁孔隙结构变化,并与微波处理、脱木质素处理等预处理方法进行比较,为木材改性提供科学依据。【方法】将20 mm(径向)×20 mm(弦向)×5 mm(轴向)的杨木和杉木试材分别通过泡水1 h和1个月的方法进行水分处理,在500 W条件下微波处理18 min,在酸性条件下使用亚氯酸钠脱除试材中部分木质素。通过扫描电子显微镜和氮气吸附测试表征处理材的细胞壁微观形貌与孔隙结构,比较不同处理方法对细胞壁厚度、比表面积、孔径分布及孔体积等的影响。【结果】水分处理后,杨木和杉木的细胞壁增厚,水分处理1 h试材的比表面积分别从1.535和1.154 m^(2)/g增加到2.488和2.336 m^(2)/g,水分处理1个月的试材比表面积进一步增加到2.822和2.940 m^(2)/g。水分处理杨木试材在微、介孔范围内形成新的孔隙(造孔),且存在孔径增大(扩孔)现象。对于水分处理杉木试材,处理时间较短时其微孔范围内孔体积变化主要表现为扩孔效应,随着时间增加同时具有造孔和扩孔现象。在介孔范围中由于水溶性抽提物的脱除产生较大孔隙,并导致孔径的重新分布。微波处理杨木和杉木试材的细胞壁厚度和比表面积变化同与水分处理类似,处理后杨木试材中产生部分微孔,且杨木介孔及杉木孔径分布都表现为扩孔。脱木质素处理杨木和杉木的细胞壁厚度分别减少了1.79%和0.53%,但比表面积均增加,杉木试材中的微孔增加,其他孔径分布变化均因扩孔所致。【结论】水分处理能够改变木材细胞壁孔隙结构,杨木和杉木泡水1 h和1个月的作用效果与质量损失率分别为1.29%和3.33%的微波处理,以及脱除率分别为10.94%和8.06%的脱木质素处理相当,并且具有独特的孔径分布变化规律。3种处理方法由于作用机理不同,增大孔体积的方式在不同树种的不同孔径范围内不尽相同。本研究为选择科学高效的木材预处理方法提供了参考。