生物質(zhì)燃?xì)鉄崽幚砟静钠焚|(zhì)與微觀力學(xué)性能研究.pdf

1、目前木材高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)主要是利用氮?dú)?、真空、蒸汽或植物油等作為保護(hù)介質(zhì)，而對(duì)于生物質(zhì)燃?xì)鉄崽幚砟静牡难芯肯鄬?duì)比較缺乏。與其他傳統(tǒng)的工業(yè)化木材熱處理技術(shù)相比，生物質(zhì)燃?xì)飧邷馗男蕴幚碓谏a(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和污染排放等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)我國(guó)木材產(chǎn)品市場(chǎng)日益突出的供需矛盾，針對(duì)生物質(zhì)燃?xì)飧邷責(zé)崽幚砑夹g(shù)的研究，對(duì)于拓展生物質(zhì)燃料的應(yīng)用領(lǐng)域，豐富熱處理工藝和改善人工林速生材的利用率、產(chǎn)品附加值具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以落葉松(L

2、arix gmelinii(Rupr) Kuzen)為試材，熱處理溫度分別為150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃和210℃，保溫時(shí)間分別為2h、4h、6h和8h的條件下，對(duì)高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。研究了各種熱處理工藝條件對(duì)木材物理性能、化學(xué)組分、燃燒性能、人工老化性能和細(xì)胞壁微觀力學(xué)性能的影響，并系統(tǒng)性的比較了生物質(zhì)燃?xì)夂偷獨(dú)鉄崽幚聿男阅艿牟町愋?。其中主要的研究結(jié)果包括:
　　1、隨著處理溫度的提高

3、和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，熱處理落葉松心邊材的各向及體積干縮率及濕脹性、吸水性、心邊材明度值L*均顯著降低，同時(shí)其尺寸穩(wěn)定性也隨著逐漸增加。處理溫度和時(shí)間對(duì)熱處理材性能有決定性影響，其中處理溫度的影響更大。相同熱處理工藝，氮?dú)夂蜕镔|(zhì)燃?xì)馓幚砺淙~松吸濕膨脹性基本相同。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到190℃，處理時(shí)間為6h時(shí)，落葉松心材和邊材顏色（特別是明度值L*）基本一致，克服了心邊材顏色不均勻的問(wèn)題，熱處理材可部分代替珍貴木材使用。
　　2、紫外照射

4、和濕氣噴淋人工加速老化條件下，木材表面趨于灰白色，細(xì)胞壁出現(xiàn)裂痕。在短期老化條件下，210℃熱處理木材顏色較為穩(wěn)定;而長(zhǎng)期老化條件下，熱處理材與未處理材顏色穩(wěn)定性差異不大。
　　3、錐形量熱儀CONE用于測(cè)試木材燃燒性能參數(shù)。由于熱處理造成木材組分含量的變化和微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，210℃熱處理材燃燒過(guò)程的MLR失重峰值和平均熱釋放速率峰值分別降低46％和42％，對(duì)于減少火災(zāi)危害有積極的作用。
　　4、通過(guò)木材化學(xué)組分分析，熱處理

5、過(guò)程使落葉松邊材半纖維素和α-纖維素含量分別由33.3％和38.8％降低到11.24～23.3％和33.7～38.3％，而木質(zhì)素相對(duì)含量則由26.4％增加到36.7～49.3％;熱處理后落葉松心材半纖維素和α-纖維素含量分別由32.7％和37.9％降低到11.2～22.6％和33.6～37.2％，而木質(zhì)素相對(duì)含量則由26.9％增加到37.5～48.7％。生物質(zhì)燃?xì)鉄崽幚砗竽静母鹘M分含量變化與實(shí)驗(yàn)室氮?dú)鉄崽幚砘疽恢隆?br>　　5、高溫

6、熱處理過(guò)程中，半纖維素乙酰基斷裂形成乙酸，進(jìn)一步促進(jìn)半纖維素和無(wú)定形區(qū)纖維素酸性條件下的水解反應(yīng)，分子鏈斷裂聚合度降低，從而形成低聚糖、二糖甚至單糖。熱重-紅外聯(lián)用儀TG-FTIR檢測(cè)到木材熱解過(guò)程中的大量溢出氣體，如水、CO、CO2、甲醛等羰基類(lèi)物質(zhì)、酚類(lèi)物質(zhì)和甲烷等。熱處理后，木材熱解逸出氣體的演變曲線(xiàn)發(fā)生明顯變化。熱解溫度在250℃以下時(shí)，非共軛C=O鍵發(fā)生裂解從而形成CO2;當(dāng)熱解溫度達(dá)到250～340℃時(shí)大量β-O-4鍵發(fā)生斷

7、裂并迅速釋放CO2。當(dāng)熱解溫度超過(guò)260℃，醚鍵和二芳基醚鍵的斷裂從而形成CO。高溫?zé)峤膺^(guò)程木質(zhì)素發(fā)生二苯基甲烷的縮聚反應(yīng)和脫甲氧基的反應(yīng)，脫去大量甲氧基，芳環(huán)活性點(diǎn)數(shù)量增加，木質(zhì)素反應(yīng)活性提高。由于木質(zhì)素所具有的復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)，通常酚類(lèi)物質(zhì)包括愈創(chuàng)木酚、二甲氧基苯酚以及其衍生物。熱重-氣質(zhì)聯(lián)用儀TG-GC-MS檢測(cè)到大量熱裂解產(chǎn)物，包括酸類(lèi)、酯類(lèi)、醇類(lèi)和呋喃類(lèi)物質(zhì)。熱處理后木材熱解溢出氣體明顯減少，同時(shí)其逸出氣體的成分更為復(fù)雜多樣。

8、r>　　6、裝備熱平臺(tái)的納米壓痕儀對(duì)熱處理木材細(xì)胞壁微觀機(jī)械性能的溫度響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。室溫下熱處理材S2層細(xì)胞壁彈性模量由20.8GPa降低到18.8～19.2GPa，而其硬度則由0.61 N/mm2增加到0.69～0.74N/mm2。高溫環(huán)境下，熱處理材細(xì)胞壁彈性模量和硬度較穩(wěn)定。利用Burger模型J(t)=J0+J1t+J2[1-exp(-t/τ0B)]可以良好的擬合木材細(xì)胞壁的蠕變行為。熱處理木材細(xì)胞壁表現(xiàn)出更低的蠕變率

9、，這主要是與木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的再冷凝和交聯(lián)反應(yīng)以及纖維素結(jié)晶性提高等因素有關(guān)。
　　7、本試驗(yàn)中，比較了多種保護(hù)介質(zhì)（氮?dú)?、空氣、生物質(zhì)燃?xì)夂椭参镉停┫聼崽幚砟静牡牟男?。結(jié)果表明，隨處理溫度的提高木材降解反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，質(zhì)量損失率隨之增加。氮?dú)夂蜕镔|(zhì)燃?xì)鉄崽幚聿募?xì)胞壁出現(xiàn)少量細(xì)小裂痕，而空氣下熱處理細(xì)胞壁產(chǎn)生更多更嚴(yán)重的裂痕。油熱處理木材細(xì)胞壁彈性模量和硬度的標(biāo)準(zhǔn)差較大，與植物油浸漬入木材細(xì)胞壁內(nèi)部有關(guān)?？傮w上看，不同熱處理介質(zhì)下木