【摘要】：真空高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中木材顏色會(huì)發(fā)生一定的變化,從淺色逐步變?yōu)闇\褐色、深褐色甚至黑色,這一處理手段為美化木材表面顏色提出了一種新的思路。然而,如何控制真空高溫?zé)崽幚聿念伾兓菄?guó)內(nèi)外學(xué)者所面臨的一大難題。因此,系統(tǒng)研究真空高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中木材的傳熱傳質(zhì)行為,揭示木材化學(xué)成分和顏色變化規(guī)律,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)木材顏色的控制,為優(yōu)化真空高溫?zé)崽幚砉に嚭吞嵘静钠焚|(zhì)提供科學(xué)指導(dǎo),具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文以云南省常見(jiàn)商品材西南樺(Betula alnoides)木材為研究對(duì)象,構(gòu)建了真空熱處理過(guò)程中西南樺木材傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型;在不同的熱處理溫度(160~200℃)、不同的熱處理時(shí)間(0~4h)、絕對(duì)壓力為0.02MPa的工藝條件下,獲取了真空熱處理過(guò)程中西南樺木材綜纖維素含量差(△HOLO)、纖維素含量差(△CELL)、半纖維素含量差(△HE MI)和木質(zhì)素含量差(△LIG)等與熱處理溫度(t)和時(shí)間(τ)的二元回歸方程;將傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和化學(xué)成分變化二元回歸方程聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱處理木材化學(xué)成分變化的控制;獲取了真空熱處理過(guò)程中西南樺木材明度差(△L*)、總體色差(△E*)以及色飽和度差(△C*)等與t和τ的二元回歸方程;將傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和顏色變化二元回歸方程聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱處理木材顏色變化的控制;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了木材顏色變化與各化學(xué)成分變化的關(guān)系,并采用紫外光譜(UV)、紅外光譜(FTIR)、X-射線光電子能譜(XPS)等先進(jìn)儀器揭示了真空高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下木材顏色變化機(jī)理。本文的主要結(jié)論如下:(1)構(gòu)建了真空高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中西南樺木材傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,比較了數(shù)學(xué)模型值和試驗(yàn)值計(jì)算的木材溫度和含水率,模型值和試驗(yàn)值之間的決定系數(shù)(R2)在0.98以上,且回歸關(guān)系均為極顯著。該數(shù)學(xué)模型沒(méi)有考慮自由水的遷移,僅適用于初始含水率在纖維飽和點(diǎn)(F.S.P)以下的木材。(2)系統(tǒng)分析了熱處理溫度、初始含水率、厚度、輻射換熱系數(shù)(hR)、換質(zhì)系數(shù)(hm)等對(duì)真空高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中西南樺木材傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的影響規(guī)律。熱處理溫度越高,木材升溫速度則越快,含水率降得則越快。初始含水率對(duì)含水分材的溫度影響較小,但絕干材的溫度上升較含水分材溫度的上升要明顯快得多,初始含水率越高,含水率降得則越慢。木材厚度越薄,木材升溫速度則越快,含水率降得則越快。hR和hm對(duì)木材溫度的上升影響均不明顯,但對(duì)含水率的降低均有較大的影響,hR和hm越大,木材含水率降得越快。(3)隨著處理溫度升高和處理時(shí)間延長(zhǎng),西南樺木材的綜纖維素、纖維素、半纖維素、冷水和熱水抽提物含量則降低,而木質(zhì)素和苯~醇抽提物含量則增加。建立的△HOL O、△CELL、△HEMI和△LIG與t和τ的二元回歸方程的R2均高于0.86,且回歸關(guān)系均為極顯著。(4)通過(guò)聯(lián)合求解傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和化學(xué)成分變化回歸方程,獲得了木材化學(xué)成分變化控制模型,并將模型與試驗(yàn)值的吻合效果進(jìn)行了對(duì)比,木材△HOLO、△CELL、△HEMI和△LIG與試驗(yàn)值的吻合效果均較好,模型值和試驗(yàn)值之間的R2在0.97以上,其中,△HOLO和△LIG的回歸關(guān)系均為極顯著,△CELL和△HEMI的回歸關(guān)系均為顯著。(5)隨著處理溫度升高和處理時(shí)間延長(zhǎng),西南樺木材的明度(L*)則降低,紅綠軸色品指數(shù)(a*)變化規(guī)律不明顯,紅綠軸色品指數(shù)(b*)先降低而后增加,△L*減小,△E*增加,△C*呈現(xiàn)出增大趨勢(shì),色相差(△H*)和光澤度(Ag*)變化規(guī)律不明顯。建立的西南樺熱處理材L*、△L*、△E*、△C*分別關(guān)于t和τ的二元回歸方程的R2均高于0.78,且回歸關(guān)系均為極顯著。(6)通過(guò)聯(lián)合求解傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和顏色變化回歸方程,獲得了木材顏色變化控制模型,并將模型與試驗(yàn)值的吻合效果進(jìn)行了對(duì)比,木材△L*、△E*和△C*與試驗(yàn)值的吻合效果均較好,模型值和試驗(yàn)值之間的R2在0.93以上,且回歸關(guān)系均為極顯著。(7)建立了木材顏色變化指標(biāo)和化學(xué)成分變化指標(biāo)的回歸方程,試驗(yàn)得到的西南樺熱處理材△L*、△E*、△C*與△HOLO、△CELL、△HEMI和△LIG的回歸方程的R2均在0.88以上,且回歸關(guān)系均為極顯著。(8)抽提物的顯色反應(yīng)、UV、FTIR、XPS分析均表明在熱處理過(guò)程中半纖維素含量的降低以及木質(zhì)素相對(duì)含量的增加,半纖維素含量的降低說(shuō)明有一些諸如糠醛、甲基糠醛的芳香結(jié)構(gòu)的有顏色物質(zhì)的形成,從而使得木材顏色的加深。
【圖文】：

圖 2-1 試件的幾何形狀Fig.2-1 The geometry of sample型的構(gòu)建至絕干狀態(tài)試件的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型傳遞控制方程程中會(huì)引起的熱量遷移以及汽化潛熱所帶走的熱量，所部分考慮進(jìn)去。熱量傳遞控制方程的三維形式可寫(xiě)成式[ ( ) ( ) ( )]x y z[ c c c x y zc t t t tx y zW t W t W D D D

型號(hào)XSL-A08ES2V0），用于溫度數(shù)據(jù)的顯示、提取及傳輸；c、溫度記錄存儲(chǔ)儀（即計(jì)算機(jī)），安裝數(shù)據(jù)采集管理軟件（北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司，型號(hào)M400），，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與存儲(chǔ)。具體連接見(jiàn)圖2-2。（4） 分析天平，用于試件質(zhì)量的測(cè)定。圖 2-2 設(shè)備連接圖Fig.2-2 Skecch map for device connection2.3.3 熱處理工藝根據(jù)干燥室內(nèi)木材含水率的不同、木材體積的不同、木材厚度的不同，則真空干燥箱的熱源（即輻射板）溫度升到設(shè)定溫度的時(shí)間也不同。本試驗(yàn)的木材含水率較低、厚度較薄，放入箱內(nèi)的木材的量也較小，所以輻射板溫度升到目標(biāo)溫度的時(shí)間大概需要60min。熱處理工藝見(jiàn)表 2-1，加熱過(guò)程中絕對(duì)壓力均保持為 0.02MPa。試件編號(hào) 1~5 用于比較不同熱處理溫度對(duì)木材溫度變化的影響，試件編號(hào) 5~6 用于比較不同初始含水率對(duì)木材溫度變化的影響，試件編號(hào) 7~8 用于比較?
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S781


本文編號(hào)：2553421