堿處理對桉木纖維擠壓結(jié)合機理的影響

堿處理對桉木纖維擠壓結(jié)合機理的影響

1桉樹木材深加工相關(guān)領(lǐng)域桉樹是世界著名的三大速生豐產(chǎn)樹種之一。它具有樹干直、質(zhì)地美觀、生物量高等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于木基材料、紙漿造紙等領(lǐng)域。其中先進復(fù)合材料、綠色制漿是桉樹木材精深加工研究的前沿領(lǐng)域,需要纖維再結(jié)合,其關(guān)鍵工藝是纖維之間高效結(jié)合,形成足夠的結(jié)合強度。本文以堿處理后的桉木纖維為原料,采用無膠膠合制備板材,探討堿處理對桉木纖維擠壓結(jié)合機理的影響。2材料和方法2.1試驗材料桉木纖維,樹種為尾巨桉,4.5年生,采集于廣東省陽江林業(yè)局林區(qū)。氫氧化鈉(NaOH),分析純;碳酸鈉(Na2CO3),分析純。2.2桉木纖維的制備稱取100g(精確度1.0mg)桉木纖維,共8份,然后分別放入1%NaOH溶液、1%Na2CO3溶液中,在常溫下分別處理5h、10h、15h、20h;堿處理后,過濾、晾干,再在103℃下烘至絕干;放置在干燥器中,備用。稱取90g堿處理后的桉木纖維,手工鋪裝,在壓力為15MPa、溫度為160℃條件下,進行平壓擠焊20min,然后取出,放入干燥器中冷卻、保存。采用固體直接檢測法,進行紅外光譜(NicoletiN10)測定。鍍金試樣在JSM6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀測。按照GB/T11718—2009檢測內(nèi)結(jié)合強度。3結(jié)果與分析3.1內(nèi)結(jié)合強度的測定從圖1可知,隨著處理時間的增加,板材的內(nèi)結(jié)合強度都是呈現(xiàn)先增大然后減小的趨勢;處理時間為10h后制成的板材測得的內(nèi)結(jié)合強度最大;NaOH溶液的影響比Na2CO3溶液大。3.2桉樹纖維的紅外光譜變化規(guī)律根據(jù)相關(guān)文獻[1~5],桉木纖維的紅外光譜特征峰及歸屬見表1。3.2.1堿處理對半纖維素吸收峰的影響比較圖2和圖3可知,a.經(jīng)堿處理后3355.45cm-1附近的羥基特征吸收變寬、變大,表明羥基含量增多,其原因可能是β-芳基醚鍵受到氧化斷裂而產(chǎn)生新的酚羥基;b.2936.39cm-1處C—H鍵伸縮振動的特征吸收峰減少,這說明C—H鍵受到了破壞;c.1736.26cm-1處為乙?；汪然系奶佳蹼p鍵(C==O)伸縮振動吸收峰是半纖維素區(qū)別于其他組分的峰,圖3a該特征吸收峰消失,圖3b該特征吸收峰減少,說明在NaOH溶液處理后半纖維素已經(jīng)被去除,而經(jīng)Na2CO3溶液處理后半纖維素的特征峰并未完全消失,說明半纖維素并未全部脫除;d.從1593.03cm-1、1503.38cm-1、1422.00cm-1處木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征峰看,吸收峰幅度減小說明堿處理使得木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的部分苯環(huán)開環(huán)斷裂而使苯環(huán)振動吸收減少。圖3a,圖3b中1262.81(1265.79)cm-1產(chǎn)生新的吸收峰,而且和圖2相比,1229.94cm-1的吸收峰吸收減小,進一步說明木質(zhì)素在堿處理下發(fā)生了降解作用。3.2.2纖維素的吸收峰及拉伸振動從圖4看到,各譜峰相對吸收程度都有所減小。1590.08cm-1、1503.80cm-1、1417.93cm-1是木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征峰,熱壓成板后相對吸收程度的減弱(見圖4a),表明木質(zhì)素在熱壓條件下參與了轉(zhuǎn)化反應(yīng),生成了新的穩(wěn)定的聚合物。從2902.49cm-1、1371.41cm-1、897.83cm-1纖維素的特征吸收峰看,吸收強度減少表明纖維素也參與了轉(zhuǎn)化反應(yīng)(見圖4b)。在2916.54cm-1和2849.49cm-1處產(chǎn)生了CH2和CH3伸縮振動的吸收峰(見圖4a)。這也可能是因為纖維素、半纖維素降解以及木質(zhì)素相對含量上升而導(dǎo)致的。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后經(jīng)擠壓結(jié)合過程生成了新穩(wěn)定聚合物產(chǎn)生了膠黏劑的作用,使板材自身粘合成板。羥基“自由”基團,也就是未形成氫鍵的—OH伸縮振動,與形成氫鍵的“結(jié)合”基團的—OH伸縮振動相比是有區(qū)別的。“結(jié)合”羥基的伸縮振動較寬而散,而且與“自由”羥基振動相比,會向波數(shù)低的方向移動。NaOH溶液處理后,羥基—OH伸縮振動吸收峰從3343.37cm-1移向波數(shù)較低的3338.25cm-1(見圖4a),而Na2CO3溶液處理后,羥基—OH伸縮振動的吸收峰從3356.54cm-1移向波數(shù)較低的3345.53cm-1(見圖4b),說明在擠壓結(jié)合過程中羥基互相“結(jié)合”形成了氫鍵。在板材壓制過程中,羥基締合形成氫鍵增加了桉木纖維之間的結(jié)合力,有利于桉木纖維粘合成板,同時氫鍵的結(jié)合使得活性自由羥基數(shù)量減少。3.3細胞間隙的體積與數(shù)目圖5與圖6相比較,經(jīng)過NaOH處理后制備的板材結(jié)合界面形貌均勻,結(jié)構(gòu)形態(tài)比較完整,細胞壁之間結(jié)合緊密,細胞間隙的體積與數(shù)目明顯減少。與內(nèi)結(jié)合強度小的桉木纖維斷面相比,內(nèi)結(jié)合強度大的桉木纖維斷面內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密、均勻,在溫度、壓力等作用下,熱量與力量在細胞壁之間易于傳遞,降低甚至消除應(yīng)力集中現(xiàn)象,使其不容易發(fā)生斷裂。4堿處理熱壓板的作用機理1)經(jīng)過強堿處理后半纖維素基本被脫除,經(jīng)過弱堿處理后只有部分半纖維素被脫除