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        乙?;幚韺Σ煌静男阅苡绊懙难芯?/h1>
        2021-10-08 05:48:44方錫武汪海風(fēng)薛明李幸運(yùn)江李貝
        遼寧化工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:楓木乙酸酐木粉

        方錫武,汪海風(fēng), ,薛明,李幸運(yùn), ,江李貝, *

        (1.浙江順虎德邦涂料有限公司,浙江 麗水 323000; 2.浙江加州國際納米研究院,浙江 杭州 310000)

        木材作為一種重要建筑和工業(yè)用料,干縮濕漲是其主要缺點,木材的高度各向異性又使干縮濕漲過程中木材各向尺寸變化不一,導(dǎo)致其翹曲、變形甚至開裂,極大地限制了木材在建筑領(lǐng)域的使用[1-3]。此外,木材是一種吸濕性極強(qiáng)的材料,隨著水分的增加,木材強(qiáng)度降低,易于發(fā)生腐朽,而木材易吸濕、易干縮濕漲是由于木材纖維結(jié)構(gòu)中含有大量醇羥基造成的,它們具有強(qiáng)極性和吸水性。因此,改善木材尺寸穩(wěn)定性和降低竹木材吸濕性對實現(xiàn)木材高效利用具有重要意義[4-7]。

        國內(nèi)外對木材乙?;难芯亢芏?,乙?;^程一般分為:①用有機(jī)溶劑提取木材中有機(jī)小分子;②往木材中注入醋酸鉀作催化劑;③在一定溫度和壓力下乙?;磻?yīng);④烘干處理后木材;⑤回收乙酸酐,分離乙酸等步驟[8-10]。本文通過化學(xué)“裁剪-接枝”工藝,對木材進(jìn)行乙?;幚?,以憎水性乙?;〈剂u基,來降低木材吸水性,提高木材尺寸穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。

        1 實驗部分

        1.1 實驗原料

        木粉,浙江元森態(tài)家具有限公司;乙酸酐、醋酸鉀、甲苯、乙醇,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;楓木,瑞澄公司,加工后尺寸約為32 mm×12 mm×5 mm;丙酮,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 實驗步驟

        1.2.1 木材乙酰化工藝優(yōu)化

        使用孔徑為60~80 目(0.18~0.25 mm)的篩子篩選木粉,置于鼓風(fēng)烘箱中110 ℃烘干4 h。稱取10 g 烘干后的木粉放入燒瓶中,加入丙酮/乙醇/甲苯混合溶液(體積比1∶1∶4)600 mL,回流6 h 后木粉過濾干燥。稱取上述處理過的木粉6 g,減壓下浸漬到20%醋酸鉀溶液中2 h,然后木粉過濾,110 ℃烘干備用。

        分別稱取兩份醋酸鉀溶液浸漬的木粉各2 g,浸入到20 mL 乙酸酐中,減壓下浸泡1h 后,在120 ℃下分別反應(yīng)2 h 和4 h,反應(yīng)后,降溫,木粉經(jīng)水洗至無乙酸酐氣味后在110 ℃烘干備用。為了進(jìn)行比較,未經(jīng)醋酸鉀浸漬的木粉也做了相同的酰化處理,處理時間為4 h。

        1.2.2 楓木的乙?;幚?/p>

        楓木乙?;瘜嶒炦^程如下:

        1)將準(zhǔn)備好的楓木放入索氏提取器中,用甲苯、乙醇、丙酮(體積比4∶1∶1)混合溶液提取4 h,除去楓木中有機(jī)小分子,隨后105 ℃烘干4 h;

        2)將烘干后楓木浸入20%醋酸鉀溶液中,時間10~60 min,隨后烘干,稱取重量;

        3)將含有醋酸鉀的楓木塊放入三口燒瓶中,加入乙酸酐(用量能浮起所有楓木塊,具體比例沒做優(yōu)化),100~120 ℃回流3~5 h。反應(yīng)結(jié)束后,取出楓木塊,浸入水中,析出醋酸鉀(試驗中讓水處于流動狀態(tài),有利于滲出醋酸鉀,時間8 h);

        4)除去醋酸鉀后,80 ℃烘2 h,后120 ℃烘4 h,得乙?;瘲髂?;

        5)反應(yīng)后剩余乙酸酐使用索氏提取器回收。

        1.2.3 椴木乙?;幚?/p>

        根據(jù)楓木乙?;?jīng)驗,木頭在乙?;^程中,木頭中有機(jī)小分子物質(zhì)就能提取出來,因此其不需要提前用有機(jī)溶劑提取,所以椴木乙?;^程為:

        1)將加工好的椴木放入烘箱中,105 ℃烘干2 h;

        2)將烘干后椴木浸入20%醋酸鉀溶液中,時間20 min,隨后烘干,醋酸鉀注入量8%~10%;

        3)將含有醋酸鉀的椴木塊放入三口燒瓶中,加入乙酸酐(用量能浮起所有椴木塊,具體比例沒做優(yōu)化),120 ℃回流4 h。反應(yīng)結(jié)束后,取出椴木塊,浸入水中,析出醋酸鉀(試驗中讓水處于流動狀態(tài),有利于滲出醋酸鉀,時間8 h);

        4)除去醋酸鉀后,80 ℃烘2 h,后120 ℃烘4 h,得乙?;材荆?/p>

        5)反應(yīng)后剩余乙酸酐使用索氏提取器回收。

        1.2.4 松木乙?;幚?/p>

        松木乙?;膶嶒炦^程如下:

        1)將加工好的松木放入烘箱中,105 ℃烘干2 h;

        2)將烘干后松木浸入20%醋酸鉀溶液中,時間20 min,隨后烘干,醋酸鉀注入量8%~10%。

        3)將含有醋酸鉀的松木塊放入三口燒瓶中,加入乙酸酐(用量能浮起所有松木塊,具體比例沒做優(yōu)化),120 ℃回流4 h。反應(yīng)結(jié)束后,取出松木塊,浸入水中,析出醋酸鉀(試驗中讓水處于流動狀態(tài),有利于滲出醋酸鉀,時間8 h);

        4)除去醋酸鉀后,80 ℃烘2 h,后120 ℃烘4 h,得乙?;赡?;

        5)反應(yīng)后剩余乙酸酐使用索氏提取器回收。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 乙?;瘲l件的優(yōu)化

        2.1.1 紅外測試

        將未酰化木粉和?;痉圻M(jìn)行紅外測試,結(jié)果見圖1。由圖1 可知,?;竽痉壑谐霈F(xiàn)了強(qiáng)烈的酯羰基峰1 740 cm-1,而未酰化木粉中則沒有,說明發(fā)生了酰化反應(yīng),另外在?;痉壑?,1 236 cm-1指酯基中C—O 鍵的伸縮振動峰,894、1 367 cm-1指甲基上的C—H 鍵平面內(nèi)、平面外彎曲峰,這些都證實了木粉中發(fā)生了?;磻?yīng)。在未?;痉壑谐霈F(xiàn)的1 732 cm-1為醛基中的羰基峰。

        圖1 ?;臀歹;静募t外圖

        2.1.2 催化劑的選擇

        實驗選用醋酸鉀作為催化劑,結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出,無醋酸鉀作催化劑時,木粉與乙酸酐反應(yīng)進(jìn)行了4 h,木粉質(zhì)量增加較小,說明無催化劑時?;磻?yīng)效率較低。當(dāng)以醋酸鉀為催化劑時,?;磻?yīng)進(jìn)行2 h,木粉質(zhì)量增加了7%,反應(yīng)4 h,木粉質(zhì)量增加12%,表明醋酸鉀的加入,可以促進(jìn)木粉的?;磻?yīng)。

        表1 木粉乙?;昂笤鲋?/p>

        2.1.3 醋酸鉀注入量與注入時間關(guān)系

        楓木醋酸鉀注入量與注入時間關(guān)系如表2 和圖2 所示,醋酸鉀注入量在前30 min 隨著注入時間的延長不斷增加,但超過30 min 后,注入量變化不大,說明已達(dá)到飽和。

        表2 楓木醋酸鉀注入量與注入時間關(guān)系

        2.1.4 乙?;鲋乇扰c?;磻?yīng)時間關(guān)系

        楓木乙酰化增重比與?;磻?yīng)時間關(guān)系如表3所示,楓木在相似醋酸鉀注入量和相同反應(yīng)溫度下,反應(yīng)時間從3 h 延長至5 h,對乙酰化增重比影響不大。

        2.1.5 楓木重量增加比與邵氏硬度關(guān)系

        楓木乙酰化后,邵氏硬度發(fā)生增加,變化趨勢如表4 所示。

        因此,確定最佳的乙?;瘲l件為:將木材利用有機(jī)溶劑萃取4 h,隨后在20%醋酸鉀溶液中浸漬10~15 min,保證醋酸鉀注入量為7%左右,若在80 ℃反應(yīng)3 h,則能確保最高增重比為18%左右,而在120 ℃反應(yīng)3 h,能確保最高增重比為22%左右。

        2.2 乙?;瘜﹂材拘阅艿挠绊?/h3>

        2.2.1 椴木重量、體積增加比

        乙?;箝材局亓?、體積增加比如表5 所示。由表 5 可知,椴木乙酰化后,重量增加比為11%~17%,盡管實驗中延長了反應(yīng)時間和增加醋酸鉀注入量,但其增重比還是低于楓木,這可能與木質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。乙?;?,椴木體積增加比在9%~11%之間。

        表5 乙?;箝材局亓?、體積增加比

        2.2.2 椴木飽和吸水率變化

        乙酰化前后椴木飽和吸水率如表6 所示,乙酰化后,椴木平均飽和吸水率從 131.79%下降到91.96%。

        表6 乙?;昂箝材撅柡臀?/p>

        2.2.3 椴木濕漲率變化

        乙酰化前后椴木濕漲率如表7 所示。由表7 可知,乙酰化后椴木濕漲率從17.66%下降到4.11%。

        表7 乙?;伴材緷駶q率

        2.2.4 椴木干縮率變化

        乙?;昂箝材靖煽s率如表8 所示。由表8 可知,乙酰化后椴木干縮率從14.26%下降到7.97%。

        表8 乙?;箝材靖煽s率

        2.2.5 椴木抗壓強(qiáng)度變化

        乙?;昂箝材究箟簭?qiáng)度如表9 所示。由表9所示,乙?;箝材究箟簭?qiáng)度從37.39 MPa 增加到43.69 MPa。

        表9 乙?;昂箝材究箟簭?qiáng)度

        2.2.6 椴木邵氏D 硬度變化

        乙?;昂箝材旧凼螪 硬度如表10 所示。由表10 所示,乙?;箝材旧凼螪 硬度從48.6 MPa增加到57.6 MPa。

        表10 乙酰化前后椴木邵氏D 硬度

        2.3 乙?;瘜λ赡拘阅艿挠绊?/h3>

        2.3.1 松木重量、體積變化

        乙?;笏赡局亓俊Ⅲw積增加比如表11 所示。由表11 可知,松木乙?;?,重量增加比超過28%。

        表11 乙?;笏赡局亓?、體積增加比

        2.3.2 松木飽和吸水率變化

        乙?;昂笏赡撅柡臀嗜绫?2 所示。由表12 可知,乙酰化后,松木飽和吸水率從153.93%下降到125.89%。

        表12 乙?;昂笏赡撅柡臀?/p>

        2.3.3 松木濕漲率變化

        乙?;昂笏赡緷駶q率如表13 所示。由表13可知,乙酰化后松木濕漲率從20.20%下降到2.43%。

        表13 乙酰化前后松木濕漲率

        2.3.4 松木干縮率變化

        乙?;昂笏赡靖煽s率如表14 所示。由表14可知,乙?;笏赡靖煽s率從15.72%下降到8.82%。

        表14 乙?;昂笏赡靖煽s率

        2.3.5 松木抗彎強(qiáng)度變化

        乙?;昂笏赡究箯潖?qiáng)度如表15 所示。由表15 所示,乙酰化后松木抗彎強(qiáng)度從13.87 MPa 增加到20.76 MPa。

        表15 乙酰化前后松木抗彎強(qiáng)度

        2.3.6 松木抗壓強(qiáng)度變化

        乙?;昂笏赡究箟簭?qiáng)度見表16。由表16 可知,乙?;笏赡究箟簭?qiáng)度從18.39 MPa 增加到31.66 MPa。

        表16 乙?;昂笏赡究箟簭?qiáng)度

        2.3.7 松木邵氏D 硬度變化

        乙?;昂笏赡旧凼螪 硬度見表17。由表17所示,乙?;笏赡旧凼螪 硬度從43 MPa 增加到48.6 MPa。

        表17 乙?;昂笏赡旧凼螪 硬度

        3 結(jié) 論

        綜合以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),醋酸酐可以對木材進(jìn)行有效的乙酰化處理,醋酸鉀的加入可提高乙?;潭?,乙?;竽静牡氖褂眯阅艿玫搅嗣黠@的改善,木材的干縮率、濕脹率以及飽和吸水率大大降低,同時,木材的抗彎強(qiáng)度和邵氏D 硬度都有所提高,該文章對木材防腐的研究具有重大參考價值。

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