堿處理對(duì)桉木纖維擠壓結(jié)合機(jī)理的影響

彭萬喜，林 芝，李年存（.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙40004；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州50640）

堿處理對(duì)桉木纖維擠壓結(jié)合機(jī)理的影響

彭萬喜1，2，林 芝1，李年存1
（1.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640）

采用桉木纖維為原料，探討堿處理對(duì)板材擠壓結(jié)合機(jī)理的影響。結(jié)果表明：堿處理對(duì)木質(zhì)素、半纖維素都有不同程度的降解作用；在熱壓制板過程中，經(jīng)過降解作用的木材成分經(jīng)適當(dāng)?shù)臒釅汗に嚹軌虬l(fā)生聚合反應(yīng)從而粘合成板；強(qiáng)堿（NaOH）對(duì)桉木纖維的影響大于弱堿溶液（Na2CO3），且處理時(shí)間為10 h較適宜；堿處理過程產(chǎn)生的活性羥基，熱壓后可以締合形成氫鍵，增加了纖維之間的結(jié)合力，有利于桉木纖維自身粘合成板。

桉木纖維；堿處理；傅立葉紅外光譜；掃描電子顯微鏡（SEM）

1 前言

桉樹是世界著名三大速生豐產(chǎn)用材樹種之一，具有樹干通直、紋理美觀、生物量高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于木基復(fù)合材料、制漿造紙等領(lǐng)域。其中先進(jìn)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(qiáng)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(duì)桉木纖維擠壓結(jié)合機(jī)理的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)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 試驗(yàn)方法

稱取100 g（精確度1.0 mg）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5 h、10 h、15 h、20 h；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90 g堿處理后的桉木纖維，手工鋪裝，在壓力為15 MPa、溫度為160℃條件下，進(jìn)行平壓擠焊20 min，然后取出，放入干燥器中冷卻、保存。

采用固體直接檢測(cè)法，進(jìn)行紅外光譜（Nicolet iN10）測(cè)定。鍍金試樣在JSM6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）上觀測(cè)。按照GB/T 11718—2009檢測(cè)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 堿處理對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響

從圖1可知，隨著處理時(shí)間的增加，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都是呈現(xiàn)先增大然后減小的趨勢(shì)；處理時(shí)間為10 h后制成的板材測(cè)得的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度最大；NaOH溶液的影響比Na2CO3溶液大。

圖1 堿處理對(duì)板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響Fig.1 Effects of alkali treatment on internal bond strength of board

3.2 桉木纖維紅外光譜變化規(guī)律

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1～5]，桉木纖維的紅外光譜特征峰及歸屬見表1。

表1 桉木纖維的傅立葉紅外光譜特征峰及歸屬Table 1 Assignment of bands in Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)spectrum of eucalyptus wood fiber

3.2.1 堿處理對(duì)桉木纖維紅外光譜的影響

比較圖2和圖3可知，a.經(jīng)堿處理后3 355.45 cm-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.2 936.39 cm-1處C—H鍵伸縮振動(dòng)的特征吸收峰減少，這說明C—H鍵受到了破壞；c.1 736.26 cm-1處為乙?；汪然系奶佳蹼p鍵（C====O）伸縮振動(dòng)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 1 593.03 cm-1、1 503.38 cm-1、1 422.00 cm-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(dòng)吸收減少。圖3a，圖3b中1 262.81（1 265.79）cm-1產(chǎn)生新的吸收峰，而且和圖2相比，1 229.94 cm-1的吸收峰吸收減小，進(jìn)一步說明木質(zhì)素在堿處理下發(fā)生了降解作用。

圖2 未處理的桉木纖維傅立葉紅外光譜Fig.2 FTIR spectrum of untreated eucalyptus wood fiber

圖3 堿處理的桉木纖維傅立葉紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of eucalyptus wood fiber after alkali treatment

3.2.2 熱壓對(duì)桉木纖維紅外光譜的影響

從圖4看到，各譜峰相對(duì)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(duì)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2 902.49 cm-1、1 371.41cm-1、897.83 cm-1纖維素的特征吸收峰看，吸收強(qiáng)度減少表明纖維素也參與了轉(zhuǎn)化反應(yīng)（見圖4b）。在2 916.54 cm-1和2 849.49 cm-1處產(chǎn)生了CH2和CH3伸縮振動(dòng)的吸收峰（見圖4a）。這也可能是因?yàn)槔w維素、半纖維素降解以及木質(zhì)素相對(duì)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(tuán)，也就是未形成氫鍵的—OH伸縮振動(dòng)，與形成氫鍵的“結(jié)合”基團(tuán)的—OH伸縮振動(dòng)相比是有區(qū)別的?！敖Y(jié)合”羥基的伸縮振動(dòng)較寬而散，而且與“自由”羥基振動(dòng)相比，會(huì)向波數(shù)低的方向移動(dòng)。NaOH溶液處理后，羥基—OH伸縮振動(dòng)吸收峰從3 343.37 cm-1移向波數(shù)較低的3 338.25 cm-1（見圖4a），而Na2CO3溶液處理后，羥基—OH伸縮振動(dòng)的吸收峰從3 356.54 cm-1移向波數(shù)較低的3 345.53 cm-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(shí)氫鍵的結(jié)合使得活性自由羥基數(shù)量減少。

3.3 堿處理熱壓后桉木纖維斷面SEM觀測(cè)

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(xì)胞壁之間結(jié)合緊密，細(xì)胞間隙的體積與數(shù)目明顯減少。與內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度小的桉木纖維斷面相比，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)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(xì)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。

圖4 桉木纖維熱壓前后的傅立葉紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of eucalyptus wood fiber before or after hot-pressing

圖5 NaOH處理后的桉木纖維斷面SEM圖Fig.5 SEM photos of eucalyptus wood fiber after NaOH alkali treatment

4 結(jié)語

1）經(jīng)過強(qiáng)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。堿處理對(duì)木質(zhì)素也有一定程度的降解作用。

2）在熱壓制板過程中產(chǎn)生的新的穩(wěn)定的聚合物能產(chǎn)生膠黏劑的作用，同時(shí)羥基“自由”基團(tuán)互相結(jié)合形成氫鍵，有助于纖維黏合成板。

圖6 Na2CO3處理后的桉木纖維斷面SEM圖Fig.6 SEM photos of eucalyptus wood fiber after Na2CO3alkali treatment

3）堿處理時(shí)間對(duì)板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有較大影響，10 h較為適宜。

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Effects of alkali treatment on mechanism of extrusion bonding of eucalyptus wood fiber

Peng Wanxi1，2，Lin Zhi1，Li Niancun1
（1.College of Material Science and Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；2.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Eucalyptus wood fiber was prepared to investigate the effects of alkali treatment on mechanism of extrusion bonding of the board.The results showed that hemi-cellulose and lignin were partly degraded during eucalyptus wood fiber were treated with alkali，these degraded substances could be copolymerized during hot-pressing，the influence of alkali(NaOH)on eucalyptus wood fiber was greater than the weak base(Na2CO3)and the processing time for 10 h was more appropriate，and the increased hydroxyl after defibrinating partly formed hydrogen-bonding during hot-pressing，resulting in strengthened fiber self-bonding.

eucalyptus wood fiber；alkali treatment；Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)；SEM

TS652

A

1009-1742(2014)04-0064-05

2013-12-03

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31170532）；華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“桉樹木材纖維干法擠焊機(jī)理與分子鍵合機(jī)制”；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013FJ4104，2013GK3189）

彭萬喜，1974年出生，男，河南駐馬店市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榱謽I(yè)生物質(zhì)資源化加工；E-mail：pengwanxi@163.com