不同处理竹材的表面性能分析

为了揭示不同处理方法对竹材表面性能的影响规律,该文以毛竹为研究对象,采用ESCA和FTIR分析技术,对不同部位和不同处理条件竹材表面的碳氧比和C1s4种结合形式的分布情况,以及红外光谱的谱峰位置和相对吸收强度进行了分析.结果表明:不同部位和不同处理条件下竹材表面的碳氧比有很大差异;竹材表面主要以木素和各种抽提物为主;高温干燥导致竹材表面易挥发的抽提物分解,使部分纤维素和半纤维素的结构特征得以显露,而硼酸处理效果不明显;高温处理和硼酸处理后竹材表面的自由羟基减少,活性降低;竹黄表面的活性自由羟基的数量高于竹青表面.      

应用聚类分析与响应面法对毛竹材梯度结构理化性能分析

以毛竹材为研究对象,从竹黄至竹青逐层制备厚度为1 mm的薄竹篾,通过环境扫描电镜(ESEM)、X-射线衍射(XRD)仪等对其梯度结构的力学性能、化学成分和维管束分布进行表征;利用聚类分析和响应面法对影响力学性能的主要因子进行研究.结果表明:竹黄至竹青的维管束占比逐渐增加,化学成分中纤维素和木质素质量分数增高3％和5％,半纤维素质量分数下降4％,纤维素结晶度呈先增后降并趋于稳定的变化规律.聚类分析毛竹材力学强度与化学成分和维管束分布存在线性关系,呈梯度分布;响应面分析各因素对毛竹材抗拉强度的影响顺序由大到小为维管束占比、结晶度值、木质素质量分数,且模型预测误差值低于1.83％,为竹基复合材料体系配比和结构设计的优化提供基础理论和科学依据.     

慈竹、毛竹木质素的化学官能团和化学键特征研究

用有机元素分析、红外光谱仪(FTIR)、核磁共振波谱仪(1H-NMR)研究了从慈竹和毛竹的竹青、竹黄中提取的4种磨木木质素的结构特征。结果表明:4种磨木木质素具有不同的C9经验式,但均主要由愈创木基、紫丁香基和对羟苯基3种芳香环结构组成,符合禾本植物木质素的结构特征。在毛竹的磨木木质素中未发现归属愈创木基环加CO伸缩振动的特征峰。在2种竹材的竹黄磨木木质素中未发现在仲醇中的C—O变形和脂肪醚特征峰。慈竹竹青与竹黄磨木木质素中脂肪族羟基(OHaliph)和游离酚羟基(OHph)占总羟基数的比例存在较大的差异;慈竹竹黄的磨木木质素中OHaliph含量较高,而OHph含量较低。毛竹竹青与竹黄磨木木质素中OHaliph和OHph占总羟基数的比例基本相同。慈竹的2种磨木木质素结构单元主要由β-O-4键和β-1键2种化学键构成,毛竹磨木木质素结构单元主要由β-O-4键、β-5键和β-1键3种化学键构成,未检测出β-β键型结构。     

毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

  目的  探明毛竹Phyllostachys edulis竹青、竹黄及竹肉不同部位的纤维形态、力学性能以及干缩性能等差异,为毛竹材高效利用提供基础数据。  方法  通过纤维离析与显微观察、力学性能与尺寸稳定性测试,分析比较毛竹材不同部位性能差异。  结果  毛竹材竹黄、竹肉与竹青不同部位中,纤维长度和宽度以及纤维占比差异极显著(P＜0.01)。竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近,且极显著小于竹肉(P＜0.01)。竹青密布维管束,对毛竹材抗弯强度、弹性模量贡献最为大,其次为竹肉和竹黄。就顺纹抗压强度而言,从大到小依次为竹青、竹黄、竹肉。竹材横向干缩性明显大于纵向,全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向。竹材不同部位中,径向和弦向气干干缩率的大小关系略有差异。  结论  毛竹材不同部位性能差异明显,竹黄抗压力学性能优于竹肉,可将竹黄保留用于制备新型竹木复合材料,有助于提高竹材利用率。图2表5参37     

温度变化对酚醛胶在竹材表面动态润湿性的影响

为了探讨温度变化对酚醛胶在竹材表面润湿性的影响,该文采用测量动态接触角方法,用润湿模型分析了酚醛胶在20、60、80和100℃环境下,对层积材用竹片青、黄表面的润湿性和铺张渗透系数k值的影响. 结果表明:酚醛胶在竹青和竹黄表面的润湿性差异不显著;随着温度的升高,接触角(起始和平衡接触角)增大,k值减小,竹材表面的润湿性、铺张和渗透性变差;但温度变化对竹青和竹黄表面k值影响的规律不同;随着温度的升高,竹材表面的酚醛胶会出现收缩、干瘪现象,温度越高,出现干瘪、收缩时间越短.      

利用X-射线衍射法测定竹材纤维素结晶度

应用X-射线衍射法对毛竹发育过程中的纤维素结晶度,以及不同造林方式和不同竹种的纤维素结晶度测定分析,结果表明:毛竹材成熟过程中,随竹龄增加纤维素结晶度的变化没有呈现明显的规律性,介于51%～54%之间。纤维素结晶度的比例是从竹青到竹黄逐渐降低,在竹干高度上的变化规律与竹龄有关。竹龄、竹干高度和竹壁径向位置对纤维素结晶度的影响差异不显著。对比两种造林方式的纤维素的结晶度,各个竹龄竹鞭侧芽育苗的纤维素结晶度均小于实生苗的相应值。6种竹材纤维素结晶度以孝顺竹的最大,毛竹的最小,介于43%～52%之间。     

毛竹材动态热机械特性分析

对不同部位、不同竹龄的毛竹材进行动态热机械特性分析,结果表明：在40～300℃的温度范围内,毛竹材的存储模量随温度升高呈逐渐减小的趋势;损耗模量则先增大后减小,当温度达到玻璃化转变温度时,毛竹材损耗模量达到峰值。在竹壁径向上,毛竹材的存储模量和损耗模量沿着竹壁径向由内而外依次增大。随着竹龄的增大,毛竹材的存储模量和损耗模量也逐渐增大。4.5年生毛竹的玻璃化转变温度从竹黄到竹青,逐渐增大,在210.4～222.8℃范围内;0.5年生、2.5年生和4.5年生毛竹材竹肉部分玻璃化转变温度无明显差异。     

枫香木材化学成分及其在高度上的变异规律

对枫香木材纵向化学成分进行测定。结果表明:(1)枫香木材的苯醇抽提物、热水抽提物、综纤维素和木质素平均含量分别为2.35%、4.14%、82.02%和24.84%,方差分析显示,以上指标在其纵向上均不显著;冷水抽提物、1%Na OH抽提物和纤维素平均含量分别为2.60%、17.64%和46.58%,在纵向上达到1%显著性水平。(2)枫香木材纵向变化规律各异,沿树基到树梢方向上,冷水抽提物呈两端高、中间低的变化规律;苯醇抽提物、热水抽提物、1%Na OH抽提物和木质素含量呈逐渐降低的变化规律;综纤维素和纤维素含量分别呈逐渐升高和先升高后降低的变化规律。     

毛竹材玻璃化转变温度的影响因素

利用动态机械热分析仪(DMTA)研究毛竹Phyllostachys edulis材在不同初含水率、径向部位、竹龄和高度等条件下的玻璃化转变温度(Tg)并分析其变化规律,旨在为竹材的软化和展平提供理论依据。结果表明:1在温度50.0~250.0℃范围,随初含水率增加(0%,15%,30%,60%和饱水),毛竹材的玻璃化转变温度显著降低,从绝干材的217.3℃降低到饱水材的113.0℃,毛竹材在较低含水率(15%)范围内比高含水率(15%)范围内变化对毛竹材的玻璃化转变温度影响更明显,表明提高毛竹材初含水率对竹材软化有益。2在相同竹龄、初含水率和高度条件下的毛竹材沿竹壁径向的竹青、竹肉和竹黄的玻璃化转变温度有差别但不显著,两两之间最大和最小分别相差12.0℃和0.5℃。3在相同径向部位和含水率条件下,不同竹龄和不同高度的毛竹材玻璃化转变温度均无明显差异,相差在5.0℃以内。这有助于实际生产中最大化利用原材料。     

氧冷等离子体处理对竹材表面润湿性的影响

采用氧冷等离子体处理方法对毛竹的竹青、竹肉和竹黄分别进行表面处理,利用液滴法测定等离子体处理前后酚醛树脂胶(PF)在其表面的接触角,并通过扫描电镜SEM观察其表面形貌以及傅里叶红外光谱技术(FTIR)分析等离子体处理竹材表面化学组分,探究等离子体处理改善竹材表面润湿性的机理。结果表明:竹肉的润湿性最好,竹黄和竹青较差,经氧冷等离子体处理后,其平衡接触角分别下降43.59%、48.32%和61.15%;氧冷等离子体处理会刻蚀竹材表面,提高了其比表面积,明显改善其表面润湿性;氧冷等离子体处理在竹材表面引入大量自由基,生成O-H、C=O和C-O等含氧极性官能团,使其表面润湿性提高;氧冷等离子体处理可有效提高竹材表面的润湿性,为竹材涂饰、浸胶等后期加工提供有效改性手段。     

竹榫旋转焊接工艺参数及机理探究

  目的  木榫旋转焊接是木结构、家具中的一种新型绿色连接技术,国内外对于竹榫旋转焊接研究较少,其最佳焊接工艺参数未知,竹榫、木榫旋转焊接之间的差异也有待研究。  方法  使用毛竹榫旋转焊接云杉基材,通过测试焊接形成的连接节点的抗拉拔性能,探究竹榫旋转焊接较优的工艺参数。选取基材预钻孔与竹榫直径比值（孔径比）、竹榫转速、竹榫含水率、竹榫进给速度为参数,进行正交试验,并基于正交试验的结果设计孔径比、竹榫转速、竹榫进给速度的单因素试验。对比山毛榉木榫,对焊接层进行温度监测、扫描电镜观察和红外光谱分析,探究竹榫旋转焊接的机理。  结果  综合正交和单因素试验得到竹榫旋转焊接较优工艺参数:竹榫含水率12%、孔径比7/10、进给速度600 mm/min、转速1 270 r/min,该方案平均抗拉拔力为4 588 N。单因素试验中各因素影响顺序为孔径比 > 进给速度 > 转速。竹榫旋转焊接节点的抗拉拔力较木榫旋转焊接提高了49.3%。温度监测结果表明竹榫焊接层温度峰值大于木榫焊接层。扫描电镜结果表明:焊接层中的竹纤维相较木纤维更长更完整,焊接层中的竹纤维会发生相互缠绕,而在木榫焊接层中未发现这一现象。红外光谱结果表明:竹榫在旋转焊接过程中半纤维素发生明显热降解,木质素相对含量有所提升,纤维素含量几乎不变。  结论  单因素试验相比正交试验进一步优化了焊接工艺参数,并得出了竹榫最佳焊接工艺参数;竹榫旋转焊接机理同木榫旋转焊接相似,但竹榫在旋转焊接时能产生更高的温度,且焊接层有独特的纤维互相缠绕,竹榫在焊接过程中半纤维素降解较少;使用竹榫替换木榫进行旋转焊接可以极大提高连接节点的抗拉强度。      

竹材纤维增强材料的特性

着重考察不同竹龄、不同部位毛竹(Phgllochysheterocyclavar.pubscense)竹材剪切强度、抗弯强度和弹性模量的差异,并用电子扫描镜观测断面破坏特征。结果表明:竹材具有明显的纤维增强材料特性,采用纤维增强材料相关的标准进行测试是可行的;不同竹龄的竹材力学性能的变化是由纤维的成熟度引起;竹材力学性能与维管束呈正相关关系,竹材纵向力学性能的差异主要是单位面积维管束的数目差异引起;竹材径向力学性能的差异是由维管束分布和组织构造不同引起;竹材抗弯破坏主要发生在细胞壁的胞间层,破坏特征为单根维管束拔出型;竹材剪切破坏主要发生在次生壁并横穿细胞壁,破坏特征为维管束呈簇状拔出型,并且纤维束从基体中拔出后的表面具有明显的破坏迹象。     

毛竹销（钉）的高速旋转摩擦焊接性能研究

选取毛竹销钉替代木榫在1 500 r/min的情况下与榉木基材进行旋转摩擦焊接，对其抗拉强度和焊接机理进行研究。重点研究不同形状的预钻孔和不同榫径与孔径比值下的竹销钉焊接抗拉拔强度，并将其与木榫焊接和PVAc胶接的抗拉强度进行对比。结果表明:1）当采用恒定直径孔10/9、10/8、10/7、10/6 4种榫径/孔径比的焊接强度均高于PVAc胶接强度，但低于木荷榫和榉木榫的焊接强度，其中10/8的榫径/孔径比的焊接强度相对最高，达到了5.54 MPa；2）当采用渐变直径孔，竹销钉的焊接强度得到明显提高。其中10/8-6的榫径/渐变孔径比值取得了最高的焊接强度，达到6.42 MPa，比10/8比值的强度提高了15.6%，超过了木荷榫的焊接强度，但不及榉木榫的焊接强度；通过对竹销钉的焊接界面温度进行监测，发现焊接界面能在2 s内达到300℃以上的峰值高温，且维持了一定的高温时间（通常约2～3 s），随后随着竹销停止旋转摩擦，温度逐步下降；不同的榫径与孔径比值下，焊接界面的升温速率、峰值温度和高温持续的时间不同，它们是产生强度差异的主要原因；SEM观察结果显示，竹销旋转摩擦焊接界面由竹销或基材中的胞间层物质软化、熔化和流动并与作为增强材料的竹纤维包裹，形成了犹如“钢筋水泥土”结构般的致密、连续和坚固的焊接界面；FTIR分析结果表明，摩擦产生的高温会导致竹销中半纤维素发生一定程度的降解，纤维素的降级十分有限，木质素发生一定程度的缩合反应，木质素的含量相对提高。试验结果表明，将竹销钉代替木榫用于木材的旋转摩擦焊接是可行的。     

木材表面自由基波谱

本文在室温条件下对木材表面自由基波谱进行了研究。结果表明:室温条件下,木材表面存在着几种自由基,它们来自木材中的高聚分子——木素、纤维素和半纤维素,其中以木素自由基浓度为最大。相同条件下,针叶材自由基浓度大于阔叶材,这是由于前者木素成分大于后者的缘故。     

阻燃处理木材燃烧残余物的热分解特征

为了弄清楚阻燃处理木材燃烧残余物的热分解特征,将阻燃处理木材在模拟的典型火灾中燃烧后,取距燃烧表面不同位置的试样,采用热失重法研究了阻燃处理木材燃烧残余物的热分解过程,结果表明:①阻燃处理木材及其燃烧残余物的热分解开始温度没有明显的差别,未处理木材燃烧残余物的热分解开始温度比未燃烧木材高;②阻燃处理木材中阻燃剂的热分解峰值温度为200℃,随着燃烧过程的进行,归属于阻燃剂的峰消失;③阻燃处理木材燃烧残余物热分解温度曲线中,在230℃附近归属于半纤维素的峰消失,在210～240℃出现了一个缓慢的肩;④阻燃处理木材及其燃烧残余物的质量损失速度曲线主峰温度比未处理木材及其燃烧残余物降低100℃,质量损失速度大幅度减少;⑤阻燃处理木材在600℃时的热分解残存质量比未处理木材显著增大,随着燃烧时受热温度的增高,燃烧残余物热分解的残余质量显著增大;⑥阻燃处理木材及其燃烧残余物的热分解温度区间,与未处理木材及其燃烧残余物存在显著差异.      

不同生物质材料的表面自由能

采用临界表面张力法、几何平均法、调和平均法和酸碱作用的试验方法,通过SIGMA 701(KSV)仪器测量麦秸表层、麦秸内层、狼尾草表层、狼尾草内层、福建柏薄木和杨木的表面自由能.结果表明,麦秸、狼尾草内层表面自由能均比其表层高,福建柏薄木和杨木的表面自由能比狼尾草与麦秸高,且杨木的表面自由能高于福建柏薄木.