木质基N,P共掺杂氧化石墨烯改性泡沫炭制备及电容去离子性能研究

以落叶松木屑为原料,磷酸二氢铵(NH_(4)H_(2)PO_(4))为掺杂剂,氧化石墨烯(GOs)为改性剂,经过液化、树脂化、发泡、炭化以及CO_(2)活化制备出木质基N、P共掺杂氧化石墨烯改性泡沫炭(N,P-GCF)。采用SEM、XRD、Raman、XPS、接触角测量仪分别对N,P-GCF的表面形态、晶体结构、化学性质、亲水性能进行分析,通过改变NH_(4)H_(2)PO_(4)的添加量探究其对泡沫炭孔结构、电化学性能及电容去离子性能(CDI)的影响。结果表明:经GOs改性与NH_(4)H_(2)PO_(4)掺杂后,孔泡尺寸下降,无序性提高。N,P-GCF具有分级孔结构。当NH_(4)H_(2)PO_(4)掺杂量为2 g时,具有最高的比表面积(2684.11 m^(2)·g^(-1))、总孔容(1.42 cm^(3)·g^(-1))和介孔率(49.45%),N、P质量分数分别为2.48%和3.46%。N元素主要以N-5、N-6、N-X形式存在,P元素主要为P-C、P-N。相比于CF,N,P-GCF2.0具有优异的润湿性及力学性能。在1 mol·L^(-1)NaCl电解液的三电极体系中,1 A·g^(-1)的电流密度时N,P-GCF2.0的比电容为256.48 F·g^(-1),当电流密度增加至15 A·g^(-1)时,比电容保持率达72.51%。在500 mg·L^(-1)的初始NaCl溶液、1.2 V的工作电压下,N,P-GCF2.0具有最佳脱盐能力(29.97 mg·g^(-1))及盐吸附速率(1.84 mg·g^(-1)·min^(-1)),10次循环后脱盐能力保留率为90.12%,具有较好的循环稳定性。

木材仿生智能材料研究进展

木材是人类最先注意和最早利用的材料之一,千百年来,一直被用作建筑和家居耗材。面对日益严峻的环境污染和能源枯竭,如何优质和高效利用木材已成为木材工业面向世界科技前沿、面向人民生命健康的“卡脖子”问题。向自然学习,创生具有仿生结构的智能木材,是实现木材的自增值性、自修复性、自诊断性和自适应性,使木材从更高技术层面为社会进步服务的有效途径。本文针对近年来仿生构建先进木基功能材料在能源、环境和智能制造领域发展进程中出现的新理论、新技术和战略性作用开展论述,梳理代表性功能木材开发研究的现状和发展趋势,凝练木材仿生智能材料在加工技术和应用方面的问题,提出木材仿生科学发展的重点方向。

3D打印成型工艺及材料应用研究进展

系统阐述了当前几种主流的三维打印成型工艺的技术特点,着重介绍了三维打印所用材料的特点、改性研究及应用领域。最后结合国内外研究的最新进展,对三维打印材料及相关技术进行了展望。对进一步研究3D打印的成型工艺技术,拓展3D打印材料的种类及应用范围具有指导意义和参考价值。

轴向压缩载荷下的音板木材振动和声学响应特性研究

为了探究轴向压缩载荷对音板木材的振动和声学响应特性的影响,深入研究木质材料的发声机理。本研究模拟音板木材在实际装配中受到的约束和轴向压缩载荷,利用双通道快速傅里叶变换(FFT)频谱分析仪对200~1600 N轴向压缩载荷作用下音板木材的振动和声学性能进行检测。分析发现:在弹性形变范围内,随着轴向压缩载荷的增大,木材的共振频率呈下降的变化规律;轴向压缩载荷与音板木材的各声学参数呈显著的线性相关。通过SEM扫描电镜观察发现,正常、通直的细胞壁由于轴向压缩出现不同程度的褶皱,这是音板木材振动和声学性能变化的重要原因。研究结果表明,轴向压缩载荷对音板木材的振动和声学性能的影响具有较强的规律性,因预应力的存在以及微观构造的改变,其整体振动和声学性能呈下降趋势。

AgNO_(3)真空浸渍制备杀菌银缓释椰壳活性炭研究

对椰壳活性炭在真空条件下浸渍硝酸银(AgNO_(3)),制备具有杀菌作用的银缓释椰壳活性炭(Ag/AC)。以大肠埃希杆菌(E.coli)为实验菌种考察Ag/AC的抑菌杀菌作用,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、比表面积分析仪分别对Ag/AC表面形态、晶体结构、比表面积和孔结构进行分析。结果表明:银离子在AC表面被还原成粒径为200~800 nm的单质银;随着AgNO_(3)浸渍浓度的增加,银担载量上升、粒径增大,Ag/AC的比表面积、总孔容、平均孔径减小,杀菌性能与抗银流失性能提高。当AgNO_(3)溶液浸渍浓度为8.0 g·L^(-1)时,载银量最大(0.44%),杀菌性能最佳(99.26%);在水中振荡15 d,银流失率为30%,对比相同条件下常压浸渍得到Ag/AC银流失率为94.23%,真空浸渍制备的载银椰壳活性炭在保持高杀菌率的同时实现了银缓释。

硫化铟锌/纸浆纤维复合纸的制备与光催化除甲醛性能研究

本研究以硝酸铟为铟源,硫代乙酰胺为硫源,硝酸锌为锌源,将硫化铟锌(ZnIn_(2)S_(4))原位负载于纸浆纤维(PFs)上,制得ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸,对其光催化除甲醛特性进行了分析。X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析表明ZnIn_(2)S_(4)被成功负载于PFs上,紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析表明ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸具有光催化活性。研究发现,随着硝酸铟用量的增加,ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸的甲醛去除率先增加后降低。当硝酸铟用量4 mmol时,所制ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸的甲醛去除率最高(73.14%)。将ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸放置于自然环境中30天,其抗张指数仅下降了5.1%,说明ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸具有很好的环境稳定性。ZnIn_(2)S_(4)/PFs复合纸经3次光催化循环后,甲醛去除率下降了26.94%,表明具有较好的循环使用性能。

整板结构的古筝共鸣面板振动模态的研究

【目的】古筝的演奏效果除了与演奏者的技艺有关,与古筝本身的结构也有密不可分的联系。其中共鸣面板接收琴弦的振动并引起共振发声,是古筝发声过程中至关重要的一部分。本研究以整板结构古筝共鸣面板为研究对象,利用不同分析方法探讨其声学振动性能。【方法】采用ZSDASP信号采集分析软件对整板结构共鸣面板进行实验模态分析,得出各阶次共振频率及对应模态振型的特点和规律;并建立整板结构共鸣面板的三维模型,对其进行计算模态分析,验证计算模态分析应用于本研究的可行性。【结果】通过实验模态分析和计算模态分析均得出,随着振动阶次的升高,整板结构共鸣面板模态振型均趋于复杂,且对应的共振频率也逐渐增大;在实验模态结果中,(0,n)、(1,n)和(2,n)等阶次的共振频率较易识别;(0,n)阶对应的模态振型相对清晰易识别,但(1,n)、(2,n)中较低阶次对应的模态振型不明显;计算模态能够识别到的各阶频率所对应的振型为(1,n)和(2,n)阶,与实验模态结果相比缺少(0,n)阶,但计算模态分析得到的结果更具连续性,能够识别到(1,n)和(2,n)的所有阶次,而实验模态分析时个别阶次不够明显。【结论】将计算模态求解结果与实验模态结果进行对比分析得出,计算模态分析应用于整板结构古筝共鸣面板的振动模态研究具有一定的可行性。

木材表面耐久性超疏水涂层的制备及性能研究

木材表面疏水处理是提升木材使用寿命的一种有效途径。研究采用喷涂法在木材表面构建十八烷基三甲氧基硅烷-无机颗粒-环氧树脂复合超疏水涂层,采用扫描电子显微镜、超景深三维显微系统、傅立叶变换红外光谱和接触角测试等方法对涂层表面进行分析和表征,对比不同种类、粒径无机颗粒(二氧化钛、二氧化硅)和环氧树脂预聚物用量的涂层样品性能,优化涂层制备工艺。结果表明,优化工艺制备的涂层在经历20个周期的砂纸(1000目)磨损或20次胶带剥离后水接触角仍大于150°,超疏水性能稳定,涂层的大部分微纳结构得以保留,表现出良好的机械耐久性。

拼板结构的古筝共鸣面板振动模态研究

【目的】古筝共鸣面板的结构是影响其振动性能的重要因素之一,不同结构的共鸣面板发出的音质与音色会有所差异,迄今很少有学者就拼板古筝共鸣面板的振动发声特点展开研究。【方法】本研究以拼板古筝共鸣面板为研究对象,利用两种模态分析方法探讨其声学振动性能。采用实验模态分析法,运用数字信号处理技术对采集到的激励力信号和振动响应信号进行分析,经过数据转换求得系统的频响函数,进而得出各阶次共振频率及其对应模态振型;采用计算模态分析法,建立拼板结构共鸣面板的三维模型,运用有限元法对其进行离散,通过近似方法求解出各阶次共振频率及其对应模态振型。【结果】实验模态结果显示:拼板共鸣面板能够识别到的阶次有(0, n)和(1, n)阶,且多集中在(0, n)阶,(1, 4)、(1, 6)、(1, 7)和(1, 10)阶为沿横纹理方向和顺纹理方向弯曲振动叠加的复合振动,识别较困难。从振型上看,拼板共鸣面板各阶的模态振型相对清晰易识别。与实验模态结果相比,计算模态分析能够识别到选定阶次范围的所有阶次,所得振型图更加均匀且理想,而实验模态分析时个别阶次较难识别。拼板共鸣面板计算模态结果与实验模态结果呈显著的线性相关性,相关系数为0.999 6。【结论】从模态分析结果来看,相对整板结构,拼板共鸣面板各阶共振频率对应的模态振型整体清晰易识别,振动频率更高;从木材利用率方面来讲,相对于制作整板,拼板共鸣面板更有利于节约木材资源。通过两种模态分析结果综合对比,验证了计算模态分析应用于拼板结构古筝共鸣面板的振动模态研究具有可行性。

木质纤维的冷冻活化及其制备无胶板材

利用氢氧化钠-聚乙二醇-尿素混合溶液对木质纤维进行冷冻活化处理,然后制备无胶纤维板,通过对比无胶胶合纤维板力学性能,确定木质纤维较佳冷冻活化工艺,并利用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射分析、差式扫描量热分析、热重分析、X射线光电子能谱分析对木质纤维的冷冻活化效果进行表征。研究结果表明:木质纤维较佳冷冻活化工艺为氢氧化钠、聚乙二醇、尿素的质量比7∶4.2∶12,活化剂质量(以氢氧化钠与尿素的总质量计)与木质纤维的质量比1∶12,冷冻温度-15℃,冷冻时间45 min;以此工艺活化处理的木质纤维为原料,所制备纤维板的吸水厚度膨胀率、内结合强度、静曲强度、弹性模量分别优于GB/T 11718—2009《中密度纤维板》性能要求(各指标数值分别提升了45%、238%、177%和129%);冷冻活化处理会破坏木质纤维中纤维素间的氢键,提高羟基的反应活性并增加活性羟基的数量,在扩张纤维素晶格的同时产生新的结晶并且降低木质纤维的热稳定性。

MXenes复合材料的发展:界面调控及结构设计

MXenes作为一类新兴的二维材料,因具有独特的亲水性、优异的力学性能、丰富的表面官能团、高导电率、光热以及光电效应等性能而成为研究热点,广泛应用在电磁屏蔽、电化学储能、生物医药、分离、传感器和海水淡化等领域.虽然MXenes具有这些优异的性能,但是其存在的与疏水性高分子相容性差、带负电的官能团阻碍电解质运输及易氧化等问题限制了其实际应用.近年来,通过对MXenes进行界面调控以解决其固有缺陷,并在此基础上对MXenes进行针对性的结构设计以提升界面稳定性,其性能得到了进一步提升.本文对MXenes复合材料发展过程中在界面调控和结构设计方面的研究进展进行总结,并重点介绍了MXenes的结构和性质及MXenes在复合材料中的界面调控手段,对MXenes复合材料的结构设计进行了阐述,并对MXenes复合材料的发展前景进行了展望.

基于YOLOv5的锯材表面缺陷检测算法

锯材表面缺陷检测是锯材加工的重要环节,随着深度学习和卷积神经网络的发展,越来越多的目标检测算法被引入并应用于锯材表面缺陷的检测。然而,目前的锯材表面缺陷检测算法仍存在检测速度慢、检测精度低等问题。为了解决这些问题,设计了一种基于YOLOv5的锯材表面缺陷检测算法,针对该算法设计了可重参数化的主干网络,改进了聚类算法和损失函数,使用了多种数据增强方式并且设计了解耦的检测头。将改进后的算法在NVIDIA RTX3090 GPU上进行训练和测试,在本研究使用的橡胶木和松木锯材表面缺陷数据集上的平均精度均值(mAP)分别达到了98.02%和98.37%,推理时间分别为6.79和6.58 ms。将本研究改进的算法与改进前的算法以及Faster R-CNN、YOLOv3等常用算法进行对比,结果表明,本研究改进的YOLOv5在速度和精度方面都有显著提高。此外,还将本研究使用的橡胶木和松木数据集进行了融合,本研究改进的算法在融合后数据集上的mAP达到了94.88%,推理时间为6.89 ms,相比对比算法仍有明显优势。最后,对相关研究成果进行了对比分析,结果表明本研究改进的算法在检测速度上也具有较大优势,验证了该算法的有效性。

间歇时长对大断面樟子松髓心方材干燥特性的影响

为了探索间歇干燥时长对大断面樟子松髓心方材干燥特性的影响,通过对断面尺寸为120 mm×120 mm的樟子松方材进行连续、间歇干燥试验(间歇时长分别为8、12、16 h,含水率约30%时开始间歇),研究间歇时间对含水率及其分布、应变及干燥质量的影响。结果表明:不同间歇时长对干燥周期影响不明显,各工艺干燥耗时约为240 h。相比连续干燥,间歇干燥可明显提高含水率分布的均匀度,连续及间歇8、12、16 h时,工艺最终含水率分布标准差分别为3.39%、1.97%、1.92%、1.78%。相比连续干燥,间歇干燥可缓解干燥应力,含水率约30%、20%时,间歇工艺弹性应变小于连续工艺;含水率约20%时,各工艺的弹性应变差异明显,此时连续及间歇8、12、16 h工艺时,拉伸弹性应变峰值分别为0.53%、0.45%、0.40%、0.31%,含水率约20%时,间歇与连续工艺间机械吸附蠕变差异明显,各间歇工艺拉伸机械吸附蠕变峰值约为1.50%,而连续工艺为0.68%,应力缓解是由含水率均匀程度的提高与木材发生机械吸附蠕变共同导致。间歇工艺也利于黏弹性蠕变的恢复,最终时刻间歇工艺黏弹性蠕变峰值小于0.31%,而连续工艺为0.92%。间歇可提高干燥质量,且间歇时长越长效果越好,连续及间歇8、12、16 h时,工艺纵裂度分别为73.48%、14.44%、18.39%、12.32%,扭曲度分别为1.87%、0.80%、0.78%、0.64%,厚度含水率偏差分别为4.66%、2.52%、2.29%、2.06%。

高熔点石蜡处理木材的抗紫外光老化性能

采用两种不同熔点费托蜡(FTW2120和FTW1105H)在熔融状态下对人工速生林杨木和辐射松进行真空-压力浸渍处理,系统评价了两种费托蜡对处理材抗紫外老化性能的影响。结果表明:两种费托蜡处理木材密度均较素材提高近2倍,表明费托蜡在熔融状态下能充分渗透进入木材。紫外照射过程中木材表面颜色变化主要发生在前120 h,未处理材表面颜色由浅黄色向黄褐色变化,而费托蜡处理材则由浅棕色向黄棕色变化,处理材的色差明显小于未处理材。紫外光照射期间,处理材比未处理材的含水率低、接触角高,这有助减少户外应用时由水导致的劣化。FTIR与XPS分析结果显示,费托蜡处理虽然并不能从化学防护角度保护木质素等细胞壁组分免于紫外光降解,但蜡在木材细胞腔中均一沉积可以起到物理屏蔽作用,阻隔紫外光到达木材细胞。综上所述,人工老化结果显示,费托蜡处理的人工林杨木和辐射松木材具有户外应用的潜能。

低盐和低碱活性红染料在柞木单板染色中的应用

【目的】明确低盐和低碱活性染料应用于单板染色的适用性,可降低染液废液污染水平和生产成本。【方法】选择新型低盐活性大红(SNE)染料和低碱活性红(LA)染料对渗透性较差的柞木Xylosma japonicum单板进行染色,以应用较广的活性红(M-3BE)染料作为对照,测试3种染料染色柞木单板的直接性、反应性、固色率和染色效果,利用傅里叶红外光谱(FTIR)、热重分析仪(TG)和扫描电镜(SEM)分析其官能团、组分和细观结构的变化。【结果】与M-3BE染料相比,SNE染料硫酸钠用量降至1/2和LA染料碳酸钠用量降至1/8时,SNE染料固色率提高了15.33%、色差降低了1.35%,LA染料固色率降低了3.37%、色差提高了2.03%。染色处理后,木材表面羟基含量减少,其中低盐染料染色柞木单板羟基含量最低,除出现较弱的硫酸盐S=O吸收峰外,无新吸收峰产生。3种活性染料与木材的结合机理和产生的官能团结构相似,但因染料母体结构差异较大,导致热分解曲线略有不同。染料分子可从木材表面扩散到木材内部,扩散程度从大到小依次为SNE、M-3BE、LA。【结论】SNE染料具有较高的上染率,LA染料具有优异的颜色提升性,可用来染色木材单板,从而降低电解质盐和碱的排放。

纤维素纳米晶/金纳米粒子复合虹彩薄膜的制备与表征

以滤纸为原料,采用浓硫酸水解法制备纤维素纳米晶(CNCs),以柠檬酸钠还原法制备金纳米粒子(GNPs),并将GNPs与CNCs以不同质量比共混制备CNCs/GNPs复合虹彩薄膜;并在CNCs/GNPs体系中添加果糖,研究了果糖对等离子吸收共振效应的影响。采用透射电镜、反射光谱、扫描电镜、偏光显微镜、红外光谱、X射线衍射、紫外-可见光谱和圆二色谱对复合薄膜进行分析,探讨了GNPs与CNCs以不同质量比复合时的结构与性能,以及果糖对体系的影响。研究结果表明:CNCs在成膜过程中发生了自组装,形成了左旋的手性层状液晶结构;复合薄膜具有明显的虹彩颜色,具有周期性层状结构和指纹织构,添加GNPs没有改变CNCs本身的官能团,但复合膜具有明显的等离子共振吸收峰并发生蓝移。添加果糖会使薄膜颜色产生红移现象的同时促进GNPs更加均匀地分散,从而增强GNPs的等离子共振吸收效应。GNPs和果糖的加入不会改变CNCs的晶型结构,对纤维素的结晶度也没有影响。

碳纤维增强面板的制备及其力学性能

为增强木质基面板的力学性能,采用在外侧单板内侧铺设平行或垂直于单板的定向碳纤维布的方法,以二苯甲烷二异氰酸酯为胶黏剂,在热压条件下制备7层碳纤维增强面板,研究增强后面板的弯曲、拉伸和剪切等力学性能。结果表明,碳纤维布平行铺设的胶合板面板胶合剪切强度是垂直铺设的1.3倍,抗拉强度是垂直铺设的2倍,静曲强度是垂直铺设的1.5倍。铺设碳纤维布的增强结构面板具有良好的比强度,力学性能得到较大提高,在生产应用中具有广阔应用前景。

杨木锯材间歇加热常规干燥过程中的含水率和应力变化

为了研究间歇加热干燥对干燥应力的缓解作用及不同间歇率(非加热阶段与循环周期之比)对干燥过程的影响,以24 h为1个循环周期,设定0、33%、66%3种间歇率对杨木锯材进行常规干燥。采用分层切片及图像解析等方法分析不同间歇加热干燥过程中的分层含水率、干燥速率、弹性应变的变化趋势以及干燥质量。结果表明:间歇加热干燥方式在减少加热时间的同时,平均干燥速率比理论值提高28.9%、44.12%。间歇加热干燥过程中含水率梯度随间歇率的增加而变小,木材内部水分下降趋于一致,干燥应力减小,3种间歇加热干燥锯材均达到二级标准。当含水率为92.8%~60.0%,选取间歇率为33%干燥处理;当含水率为60.0%~30.0%,选取间歇率为66%干燥处理;含水率30.0%以下,选取间歇率为0干燥处理的干燥效果最好。

静电纺CNC增强PMMA纳米复合纤维的制备与性能

为了提高聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)纳米纤维的力学强度,以纳米纤维素晶体(cellulose nanocrystals,CNC)为增强体,采用静电纺丝技术制备了CNC/PMMA纳米复合纤维,考察了CNC添加量对CNC/PMMA纳米复合纤维的微观形貌、力学性能和热学性能的影响,结果表明CNC可均匀分布在电纺液和PMMA基体中,所制备的CNC/PMMA纳米复合纤维表面光滑,形貌规整.随着CNC添加量的增大,纳米复合纤维直径从1.37μm减小到0.48μm,表明添加CNC可显著提高CNC/PMMA纳米复合纤维的力学性能.随着CNC添加量的增加,拉伸强度呈现先增大后减小的趋势;当CNC添加量为16%时,CNC/PMMA纳米复合纤维的力学性能最优,最大拉伸强度为0.31 MPa,比纯PMMA纳米纤维提高107%.此外,添加CNC可小幅提高CNC/PMMA纳米复合纤维的玻璃化转变温度和热稳定性.

用于湿度响应的手性向列纤维素纳米晶体/单糖复合虹彩薄膜的制备与性能

以滤纸为原料,采用浓硫酸水解法制备纤维素纳米晶体(CNC),将果糖、葡萄糖和甘露糖分别与CNC以不同质量比共混,通过蒸发诱导自组装方法制备了CNC/单糖复合虹彩薄膜。紫外-可见反射光谱分析结果表明,复合薄膜具有明显的虹彩颜色,随着每种单糖含量的增加,薄膜的结构色发生了明显的红移。偏光显微镜和扫描电子显微镜表征结果表明,CNC在成膜过程中发生了自组装,复合虹彩薄膜保留了CNC原有的指纹织构和周期性层状结构。红外光谱和X射线衍射分析表明,添加单糖没有改变CNC本身的官能团,单糖与CNC通过物理作用相结合。单糖的加入也不会改变CNC的晶型结构,对纤维素结晶度的影响十分有限。加入单糖有助于提高薄膜的湿度响应性能,复合薄膜在相对湿度为37%和98%的环境之间表现出从绿色到红色的可逆结构色变化。