三种木材纤维微细结构分析及制浆性能研究

制浆造纸企业纤维原料供应持续紧缺,如何拓宽原料来源渠道是造纸企业普遍关心的问题。为缓解造纸原料短缺的问题,采用柳树、美人梅、猕猴桃作为制浆造纸原料,分析三种木材原料的组分、纤维长度、宽度以及表面形态,解析纤维的红外结构、元素组成、结晶度、热稳定性。柳树、美人梅、猕猴桃纤维的长度范围分别为:0.1 mm~1.2 mm,0.1 mm~1.0 mm,0.1 mm~2.0 mm,平均宽度分别为16.5μm,15.7μm,25.1μm,长宽比分别为27.2,30.6,35.9猕猴桃纤维的长度范围、宽度和长宽比均优于柳树和美人梅,具有造纸的潜力。通过硫酸盐法蒸煮实验发现柳树、美人梅、猕猴桃三种木材具有较高的制浆得率,纸张物理性能良好,能够满足生产质量的要求,可以替代部分现有的纤维原料,以减轻造纸工业对木材原料需求的压力,缓解制浆造纸原料短缺的问题。

基于纤维解离水曲柳压缩解离特征与能量耗散机制研究

目的以水曲柳为研究对象,研究高应变率压缩载荷作用下水曲柳试件的解离特征和能量耗散机制。方法利用压缩加载试验分析应变率、加载方向对受载水曲柳的形态特征影响和动力学特性,并利用弹塑性基本原理分析其受压解离的能量耗散机制。结果解离后径向加载试件主要呈火柴棍状,弦向加载试件主要呈片状,轴向加载试件主要呈不规则块状,试件的解离程度随应变率的增大而增大;当应变率在400~1000 s^(-1)时,水曲柳试件的应力-应变曲线由弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段两部分组成;水曲柳试件的屈服强度随应变率的增大而增大,当应变率从400s^(-1)增加到1000s^(-1)时,径向、弦向和轴向加载试件的屈服强度分别增加了0.45倍、1.34倍和0.71倍;木材原料沿径、弦向解离时主要依靠木材细胞的压缩变形来耗散能量,沿轴向解离时主要依靠木材细胞纵向结构的弯曲来耗散能量。结论弦向最易解离,轴向最难解离;水曲柳是一种应变率敏感材料;木材原料径、弦向解离主要依靠压缩变形来耗散能量,轴向解离主要依靠弯曲变形来耗散能量,木材原料解离能够耗散能量的多少主要受加载方向、木材细胞的结构尺寸和力学性能的影响。

不同木纤维对水泥基胶凝材料水化进程的影响研究

木纤维的加入可改善水泥基胶凝材料的抗拉强度,但只采用机械破碎及沸煮处理的木纤维对水泥基胶凝材料有缓凝、阻凝作用,阻碍了木纤维在水泥制品中的应用,为提升木质家具企业的木纤维利用率,从机械破碎的松木、杂木纤维的长径比着手,研究经碱法预处理的木纤维对水泥基胶凝材料水化进程的影响。结果表明:未预处理的杂木纤维只影响水泥早期水化热释放速率,对水泥水化热释放总量影响较小,未预处理的松木纤维具有明显的阻凝作用;采用Ca(OH)_(2)溶液浸泡可以有效降低木纤维对水泥水化的缓凝作用,与其他碱液浸泡相比,采用Ca(OH)_(2)浸泡可避免水泥胶凝体系引入其他物质。

木质纤维对充填体力学特性的影响研究

木质纤维材料凭借其强韧性、吸附性、组成元素简单的优势,在土木工程和环境工程领域得到广泛使用。为研究其作为添加剂对充填体力学性能的影响,通过充填体强度测试实验,结合SEM电镜扫描实验、EDS实验、XRD能谱分析实验,观察充填体内部水化反应程度。研究结果表明:在一定添加范围内,木质纤维提高了充填体的抗压强度,且作用效果随着灰砂比、料浆浓度的变化而改变;在应力-变形曲线峰前阶段,纤维充填体具有较高的弹性模量,在峰后阶段,纤维充填体具有较大的残余强度,能够储存的能量较高。充填体在失稳破坏后断裂而不垮,表现出良好的塑性变形;同时,木质纤维的添加利于充填体内部水化反应,内部絮状结构明显增多,增加了充填体的强度。

榔榆木质部细胞构造特征的季节变化规律研究

为了探究榔榆木质部形成中细胞形态与壁层组分变化规律,以1个生长季内木质部细胞产生过程为主线,联合解剖学技术与光谱学技术,初步研究了木质部细胞形态、细胞尺寸及细胞壁主要化学组成的变化规律。结果表明4月出现2排早材管孔,以单管孔为主,5月开始大量产生木纤维细胞,纤维细胞壁厚,直至9月形成宽约2 mm的木质部;导管与木纤维细胞从4—6月处于伸长阶段,大小随后略有降低;2类细胞的直径则呈不同的季节变化规律;导管细胞壁纤维素和半纤维素的沉积过程在季节内稳定;而木纤维细胞中纤维素和半纤维素的沉积具有季节差异,生长季早期相对含量较低,晚期相对含量明显增加,说明2类细胞间主要组分沉积存在不同步性。

木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性

【目的】木纤维增强石膏基复合材料的耐水性和韧性较差,限制了其在建筑领域进一步的发展,针对此材料上述2种缺点开展木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性研究,扩展石膏基复合材料的应用领域,提高其经济效益。【方法】以硅酸盐水泥为无机改性剂、聚乙烯醇溶液(PVA)为增韧剂,探究两者协同对木纤维增强石膏基复合材料力学性能和耐水性能的影响,通过X-射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观结构进行了表征。【结果】硅酸盐水泥和PVA在复合材料中产生了协同作用,可以弥补单掺水泥强度低和单掺PVA耐水性差的缺点。复合材料抗折强度和抗压强度分别为5.56和10.01 MPa,较改性前分别提升了40%和63%,2 h吸水率和24 h吸水率分别为19.83%和20.14%,比改性前分别降低了10.17%和11.97%,软化系数提高了0.4。XRD、FT-IR、SEM结果显示水泥与石膏的水化反应产生了钙钒石和硅酸钙凝胶等水化物,水化物填充水泥石膏基体。孔结构分析结果显示,水泥和PVA的加入降低了复合材料的孔隙率,减少超大孔的出现,复合材料的耐水性和力学性能得到提升。【结论】硅酸盐水泥的加入使复合材料内部水化反应受到影响,导致复合材料的力学强度受到影响。加入PVA后的复合材料内部物质连接紧密,提高了复合材料的力学性能,但是耐水性较差。硅酸盐水泥和PVA协同能提高复合材料的力学性能和耐水性能,弥补了单掺硅酸盐水泥复合材料力学下降和单掺PVA复合材料耐水性差的缺点。

木材纤维锚定二氧化铈电极材料的制备及其性能研究

利用木材纤维含氧基团的吸附作用锚定生长二氧化铈,成功制备出一维中空管状结构复合电极材料(WF@CeO_(2))。通过调控硝酸铈的添加量改善电极材料的电化学性能,并探讨了木材纤维对二氧化铈的增效作用。研究结果表明:当硝酸铈的添加量为2 mmol时,WF@CeO_(2)-2样品的比表面积可达303.73 m^(2)/g,所制备的电极在电流密度0.5 A/g下表现出高比电容(371 F/g),木材纤维的存在极大地提高了二氧化铈电极材料的电化学性能。以WF@CeO_(2)-2电极组装的非对称超级电容器的比电容可达34.5 F/g,其峰值能量密度为44.16 Wh/kg,峰值功率密度为4002.7 W/kg,在经过5000次充放电循环后电容保持率为91.1%,表现出良好的循环稳定性。

木质素优先解聚对碳水化合物影响的研究进展

木质纤维素类生物质是丰富的可再生资源,有潜力替代化石资源来生产清洁燃料和化工产品。将木质纤维素类生物质全组分转化利用,既减少了环境污染,又提高了资源利用率。木质素的优先解聚是实现木质纤维素类生物质全组分高值转化的有效途径之一。本文综述了木质素优先解聚策略对木质素解聚产物及碳水化合物的影响,包括还原催化、氧化催化、碱催化、酸催化、水热、热解等6种不同催化方法的研究进展,以及各个解聚方法的反应机理,并且对不同解聚方法的优缺点进行了分析:还原催化解聚,酚类单体产率高,可以保留绝大部分碳水化合物;氧化催化解聚反应条件温和,可以使用廉价、绿色的氧化剂将木质素转化为低聚物或芳香族单体,并且可以保留高质量的纸浆;碱催化和酸催化常用于预处理阶段使原料进入膨胀状态,并使碳水化合物尤其是半纤维素降解,导致木质素解聚产物难以分离;水热解聚操作简单,反应温和,但在木质素解聚的同时纤维素和半纤维素也会逐渐水解;热解可同时生成木质素衍生的酚类和糖衍生物,但是产物选择性较低,对下游分离存在较大障碍。最后对木质素优先解聚的研究重点和发展方向进行了展望。

基于三维显微镜成像的墨西哥红酸枝内部纤维分布及结构形态表征

为研究设计出轻质、高强的纤维增强仿木复合材料,借助X射线三维显微镜分析墨西哥红酸枝(MRAB)孔隙结构的形态与分布,测量了孔隙结构的尺寸和面积,并根据孔隙面积计算孔隙率;借助扫描电子显微镜观察木纤维的结构形态,并利用X射线粉末衍射仪测量出微纤丝角来表征木纤维的取向度。研究结果表明:MRAB内部孔隙主要分布在导管、木射线、轴向薄壁组织和微孔等结构中,在横切面上孔隙主要呈线状和类圆形,在径切面上主要呈线状和纺锤状,在弦切面上主要呈类圆形和纺锤状;MRAB内部的孔隙率为31.27%,孔隙率由髓心到树皮逐渐变大,木纤维沿轴向紧密平行排列,微纤丝角为3.27°;可将MRAB微观结构作为仿生依据,通过控制织物种类、树脂、产生孔隙的方法和铺层方向等因素来实现全新高性能仿木纤维增强复合材料的结构设计。

木纤维表面醛基化改性及自胶合性能评价

【目的】以杨木纤维为材料,通过氧化改性增强纤维表面反应活性位点,建立纤维表面羟基、醛基多位点网络结构,制备高强度、低吸水厚度膨胀率无胶纤维板,实现全生物质低碳、可循环生产利用。【方法】采用高碘酸钠氧化改性木纤维表面基团,建立高反应活性醛基网络位点,通过醛基含量测定、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析仪(TG)、差示扫描量热仪(DSC)分析反应前后及不同醛基含量木纤维的微观结构和化学成分变化规律;利用化学键交联在低温热压条件下制备自胶合纤维板,探究醛基化木纤维制备无胶纤维板的力学性能和吸水厚度膨胀率。【结果】通过反应时间、温度、氧化剂浓度等条件控制,可实现木纤维醛基化定量改性;与原纤维对比,醛基化纤维表面粗糙度增大、纤维尺寸变短、纤维素聚合度下降,纤维素-半纤维素-木质素包覆结构疏松,木纤维表面产生大量孔隙;纤维素结晶区随反应强度增加逐渐被破坏,醛基化木纤维的热稳定性随醛基含量升高逐渐降低,有利于无胶纤维板的低温热压成型。醛基化木纤维在热压过程中通过化学键交联可实现自胶合,热压温度和醛基化木纤维醛基含量对无胶纤维板的性能具有显著影响,通过优化原料和工艺条件制备的无胶纤维板具有优异的力学性能和耐水性。【结论】通过控制反应条件可得到不同醛基含量的醛基化木纤维,实现对木纤维表面醛基的可控改性;自胶合过程中温度过低(50℃)易导致醛基化木纤维耐水性差,温度过高(125℃)易造成醛基化木纤维降解,引起鼓泡、膨胀、碳化,降低纤维板力学性能。当高碘酸钠浓度0.07 mol·L^(−1)、反应温度30℃和反应时间6 h时,木纤维醛基含量为1.86 mmol·g^(−1);在热压温度100℃、压力20 MPa和热压5 min时,制备的自胶合醛基化木纤维板力学性能和耐水性达到最佳:抗弯强度78.36 MPa,弹性模量10.88 GPa,内结合强度3.04 MPa,24 h吸水厚度膨胀率仅8.01%。

木质钙钛矿型催化剂对柴油机尾气净化性能的影响

为实现对柴油机尾气中碳烟颗粒物(ST)、氮氧化物(NO_(x))、烃类(HC)和一氧化碳(CO)的四效净化,以木纤维为生物质模板,分别在600℃、700℃、800℃和900℃的焙烧温度下,制备了4种La_(0.8)Ce_(0.2)Fe_(0.3)Co_(0.7)O_(3)木质钙钛矿型催化剂(分别为LCFCO-600、LCFCO-700、LCFCO-800和LCFCO-900)。采用扫描电镜(SEM)观察了催化剂的微观形貌,并对LCFCO-800的元素构成与相应占比进行了能谱(EDX)分析;采用X射线衍射(XRD)对催化剂的晶体结构和物相组成进行了表征;采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对催化剂的典型化学键进行了分析;采用N_(2)吸/脱附对催化剂的结构参数进行了分析。通过模拟实验评价了催化剂的四效净化性能。结果表明,所制备的催化剂具有明显的生物质结构,且钙钛矿相纯度较高,其中LCFCO-800的比表面积、总孔容积和平均孔径最大,分别为3.270 m^(2)/g、0.017 cm^(3)/g和20.486 nm,并具有较好的四效净化性能。在模拟尾气温度为400℃、流量为1 L/min和净化时间为超过120 s的条件下,LCFCO-800对ST、NO_(x)、HC和CO的最大净化效率分别为92%、92%、98%和76%。此外,根据Mars-van Krevelen氧化还原反应机理和实验结果,对催化剂的四效净化机理进行了分析,认为ST质量浓度的增加可抑制HC和CO的氧化,同时ST、HC和CO的氧化过程有助于催化剂表面产生更多的氧空位,从而促进NO_(x)的还原。

木纤维重构红壤下根系特征对根土复合体抗剪特性的影响

红壤黏性重、水分变化大、抗剪性能较低,通过根系特征参数研究草本植物根土复合体的力学特性具有一定意义。为探明不同质量分数(0、0.5%、2.5%和5.0%)木纤维重构红壤下,根系特征对草本植物根土复合体抗剪特性的影响机理,该研究通过直剪试验测定白三叶和黑麦草根土复合体的抗剪强度,并采用WinRHIZO根系分析系统测定根表面积指数、根系体积比、根系长度、地下生物量4个根系特征参数,并进一步揭示其对抗剪强度影响机理及规律。结果表明:适量的木纤维添加有利于须根系草本植物的生长,木纤维质量分数较低时,黑麦草的根系特征参数值高于白三叶3~5倍,木纤维质量分数较高时,黑麦草和白三叶的根系长度分别为456.27和438.35 cm,地下生物量分别为0.410和0.150 mg;随根系特征参数增加黑麦草根土复合体的抗剪强度增幅大于白三叶根土复合体,增幅范围分别为26.55%~47.20%、26.21%~35.07%,但存在一定的变化阈值。采用摩尔-库伦模型对根土复合体的抗剪特性参数的模拟效果较好,根系特征参数达到变化阈值时,黏聚力变化差异明显,对内摩擦角影响较小。该研究对深入研究红壤区的边坡防护、植被恢复和土地整治等具有重要的理论和工程实践价值。

天然微纳米纤维素的制备及其对纸张性能的影响

在手抄纸的制备过程中添加不同含量的棉纤维和木质纤维微纳米纤维素,研究在手抄纸中分别添加不同种类的微纳米纤维素及其添加量对纸张抗性能的影响。分别以棉浆板和漂白阔叶木浆板为原料,经过低共熔溶剂(DES)预处理,再采用高压均质机械解离方式,制备棉纤维和木质纤维微纳米纤维素。抄纸过程中,棉纤维微纳米纤维素的添加量分别为0、2.5%、5%;木质纤维微纳米纤维素的添加量分别为2.5%、5%。棉纤维微纳米纤维素的添加量为5%时抄纸的综合性能最好,耐破指数由3.20 kPa·m^(2)/g增加至3.69 kPa·m^(2)/g,抗张指数由30.71 N·m/g提高至36.71 N·m/g,不透明度由86.37提高至87.96。实验表明:两种微纳米纤维素的添加均可提高纸张耐破指数和抗张指数,为天然微纳米纤维素改性抄纸性能奠定了基础。

ZIF-8/纳米纤维素对竹木复合纤维除臭性能的影响

近年来,随着人们生活品质要求的不断提升,具有除臭性能好、吸收性能强和价格成本低廉的纤维材料在婴幼儿、成人除臭纸尿裤等卫生用品中的需求量不断增高。但目前市场上的除臭纤维基本存在除臭性能差、吸水性弱以及成本高的问题,严重制约我国除臭功能性纤维材料的国际竞争力。笔者以国内常见的白竹炭纤维和针叶木纤维为基本原料,以ZIF-8纳米粒子和纳米纤维素(CNF)为除臭改性填料,通过复合加工工艺,制备了兼具除臭和吸水功能的竹木复合除臭纤维,并探究了白竹炭纤维和针叶木纤维原料质量比、改性填料含量对复合除臭纤维微结构、吸水以及除氨气、硫化氢等臭味气体的影响规律。研究结果表明,所制备复合除臭纤维最佳工艺条件为针叶木纤维与白竹炭纤维绝干质量比为70∶30,ZIF-8和CNF的质量分数分别为7%和6%,23℃下风干处理24 h,在该工艺条件下制备的除臭纤维对氨气和硫化氢的消臭率分别为84.56%和83.11%,吸水量为8.4 g/g,除臭纤维性能达到国家标准GB/T 33610.2—2017(消臭率≥70%)的要求。

木丝水泥填充墙-RC框架抗震性能试验研究

为研究木丝水泥填充墙-钢筋混凝土(RC)框架的抗震性能和破坏机理,共制作五个试件进行低周反复试验,其中一个试件为普通砖填充墙-RC框架对比试件,两个试件为开窗洞的木丝水泥填充墙-RC框架,另外两个试件为添加玻璃纤维网格布的木丝水泥填充墙-RC框架,并分析试件的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能情况与刚度退化等指标。试验结果表明,木丝水泥填充墙-RC框架的抗震性能良好,刚度退化速度远小于普通砖填充墙-RC框架,耗能能力在试件开裂后超过普通砖填充墙-RC框架;在木丝水泥填充墙-RC框架上开窗洞后会削弱其承载力,但破坏时裂缝只是沿四个窗角分别向四个填充墙角扩展,最终形成“X”形裂缝,而木丝水泥填充墙-RC框架与混凝土之间的粘结面未被破坏,在木丝水泥填充墙-RC框架表面加入玻璃纤维网格布后可以减少墙面裂纹的产生,且提高了极限承载力和延性系数,并抑制了刚度的快速下降。

采用复合生物酶处理的小麦秸秆生物机械制浆

制浆造纸行业面临着制浆过程污染控制难、制浆原料供应少、制浆工艺能耗高等问题。通过实验研究了三种生物酶复合后进行制浆,采用生物制浆与机械制浆相结合,同时设计了两次酶制剂处理,对农业废弃物小麦秸秆进行利用。可以很好地应对制浆原材料短缺,木材原料砍伐受限制的问题。在制浆过程中没有添加化学试剂,无制浆黑液的产生,避免了后期污水处理的困难及排放后对环境的污染。对制浆成纸后的纸张性能进行测试,发现相比于单纯的机械制浆和一次酶处理,二次生物酶处理对纸张成纸强度有较大改善。相较于未经过处理的秸秆其中抗张强度提高近一倍,撕裂强度提高了36.5%,保水值提高78.8%。

木质素结构对聚丙烯腈/磨木木质素基碳纤维机械性能的影响研究

从3种典型生物质原料(银杏、麦草、杨木)中提取了3种不同结构的磨木木质素(MWL),利用核磁共振仪对MWL的连键及官能团进行定性及半定量分析;将不同MWL与PAN共混,通过静电纺丝技术制备PAN/MWL基碳纤维,通过SEM、XRD对其表面形貌和结晶度进行表征,并通过拉伸实验测试其机械性能。结果表明,MWL的加入能显著增强碳纤维的机械性能,相比于PAN基碳纤维[拉伸强度为(76±10)MPa],PAN/银杏MWL基碳纤维的拉伸强度可达(134±12)MPa。

木质纤维碱激发地聚物胶凝材料的制备及力学性能研究

地聚物因其较低的碳排放、优异的耐久性和力学性能日益受到关注,但其普遍存在收缩大、易产生脆性破坏现象,限制了其推广和应用。为改善地聚物的收缩性,提高其强度,研究了木质纤维含量对粉煤灰—矿渣地聚物物理性能和力学性能的影响,并对其微观组织进行了分析。研究结果表明,木质纤维含量达12.5 kg/m^(3)时,地聚物试块养护28 d干缩量为0.58 mm,相较于不添加木质纤维的地聚物胶凝材料试块降低了52.5%;木质纤维地聚物胶凝材料试块的抗折强度、抗压强度均随木质纤维掺量的增加先增大后减小,当木质纤维掺量为10 kg/m^(3)并养护28 d时,其抗折、抗压强度最大,分别为6.3、79.8 MPa,抗折、抗压强度分别达到了普通混凝土试块的C60、C80标准;掺入木质纤维可以显著提升地聚物胶凝材料试块的抗收缩性和力学性能,主要得益于其内在水分调节能力,在地聚物基体水化反应需要水分时释放储存的水分,维持反应连续性并促进产物形成,同时,高比表面积的木质纤维易与地聚物基体紧密结合,并使其成为增强相,从而在提高材料的抗收缩性和力学性能中发挥关键作用。

两种木纤维粉尘热解及爆炸特性研究

为了解典型木纤维粉尘的热解及爆炸特性,以红木纤维粉尘和杨木纤维粉尘为研究对象,利用热重-红外联用仪,对两种粉尘的热分解过程、动力学参数及热解气体种类进行计算分析。结果表明:红木纤维粉尘的热解速率高于杨木纤维粉尘,而活化能较低;两种粉尘的热失重主要体现在低温时的热分解和高温时的燃烧反应,热解产物主要为CO_(2)、CO、H2O和少量的烷烃、醇类、醛类、酮类、羧酸类物质,燃烧产物主要为CO_(2)和CO,且红木纤维燃烧产物CO_(2)的量高于杨木纤维,而杨木纤维的热解燃烧过程相对复杂,不完全燃烧程度高。对两种木纤维粉尘的粉尘云最低着火温度和最大爆炸压力进行了测试,发现红木纤维粉尘较杨木更危险,并通过热重-红外探究其机理。研究结果可为涉及此类粉尘场所制定相关政策和措施时提供参考。

宝天曼8种阔叶树木材密度的解剖学决定因素及其与叶性状的协同与权衡

【目的】探究影响木材密度的解剖学机制,揭示茎叶解剖和生理性状的协同与权衡关系,有助于阐明不同树种适应环境的生理生态机制。【方法】选择宝天曼天然林中常见的8种落叶阔叶树,测定木材密度、木质部导管及纤维等解剖性状、叶片压力-容积曲线参数等21个茎叶性状,探究决定木材密度的解剖学性状,分析茎叶性状的协同和权衡关系。【结果】1) 8个树种的木材密度与组成木质部的导管、薄壁组织和纤维组织这3大组织的比例都不相关,更多受到纤维细胞性状的影响。2)对木材密度影响最大的木质部性状是纤维细胞腔占横截面的比例,其次是纤维细胞壁占纤维细胞的比例、纤维细胞壁厚与腔直径比、纤维细胞壁厚度等性状。3)木材密度与叶片单叶面积、失膨压时相对含水量和弹性模量呈负相关。4)失膨压时相对含水量与导管水力直径、最大导管直径、平均导管直径、纤维细胞腔面积、纤维细胞腔直径呈正相关;与导管密度、纤维细胞壁厚与腔直径比、纤维细胞壁占横截面比例呈负相关。【结论】木材密度主要由纤维细胞性状决定,而非导管和薄壁组织性状;高的叶片忍耐失水能力耦合于致密的茎纤维细胞和木材密度。