细胞壁化学修饰对木材动态水蒸气吸附性能的影响机制研究

Wood modification aim at improving the quality of wood via chemically modifying the cell wall polymers. One of the important modifying mechanisms is to decrease the hygroscopicity of wood; however, the knowledge on water sorptive behaviour of modified wood is limited and the present wood isothermal sorptive models are not suitable for the modified wood. In this project, wood will be modified at high temperature, acetylated using acetic anhydride, and treated with glutaraldehyde, respectively. The water sorption kinetics of the modified wood will be measured at molecular level using advanced analytic techniques such as neutron radiography, synchrotron radiation-based surface extended X-ray absorption fine structure (SEXAFS), and NMR, combined the traditionally analytic methods such as dynamic vapour sorption (DVS), dielectric frequency spectra (DFS), and differential scanning calorimetry (DSC). The effects of cell wall microstructure and polymer structure on the diffusion and transfer of water molecules will be determined. A new sorptive model will be established to explain the water sorptive mechanism of the modified wood. The establishment of dynamic water vapour sorptive theory for modified wood will provide new ideas in optimizing the present wood modification technologies and creating new environmentally friendly technologies.

木材改性是通过对木材细胞壁进行化学修饰以提升木材品质的一类产业技术，其关键原理是改性导致木材吸湿性能下降。但目前国际上关于改性木材水蒸气吸附机理方面的基础研究缺乏，且现有吸附模型也不适用于改性木材。针对该领域的研究空白和不足，本项目选择热处理、乙酰化和戊二醛处理三种具有不同细胞壁修饰原理的木材改性技术分别处理木材，利用中子成像、基于同步辐射的表面扩展X射线吸收精细结构谱（SEXAFS）、核磁共振等先进技术，结合动态蒸气吸附(DVS)、介电频谱(DFS)、差示扫描量热(DSC)等传统分析方法，对比研究木材改性前后细胞壁微观构造和大分子结构改变对木材吸附性能的影响，从分子水平解析改性木材水蒸气吸附进程中水分子/木材的相互作用，并构建适用于改性木材的细胞壁吸附模型，揭示改性木材动态吸附机理，为优化现有木材改性技术、开发新的高效环保改性技术奠定理论基础和提供新思路。

对木材细胞壁大分子进行化学修饰将对木材细胞壁结合水吸附/解析产生实质影响，是提升木材品质的重要途径。本项目选择酰基酯化接枝（乙酰化）、醚化交联（戊二醛）和细胞壁有机大分子降解（高温热处理）三种具有代表性方法对人工速生林杨木和辐射松进行改性处理，以改性木材细胞壁中的结合水为研究对象，利用核磁共振（NMR）、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TG）、动态水蒸气吸附仪（DVS）等分析技术，从分子水平洞察不同含水率条件下结合水在改性细胞壁微纤丝表面及细胞壁微孔中的状态、含量以及热力学性能，研究木材改性方法及改性水平对细胞壁中结合水的影响，构建了一种适用于获得木材中结合水解吸热的热力学方法从而佐证改性机理。结果显示，三种改性方法均降低了细胞壁内两种结合水（吸附在羟基等亲水基团上以簇形式存在结合水，简称第一类结合水；吸附在细胞壁微纤丝间微孔内的结合水，简称第二类结合水）的含量，在水饱和状态下，乙酰化改性方法增加了两种结合水的横向弛豫时间T2；戊二醛改性降低第一类结合水的T2、增大了第二类的T2；热处理对T2的影响恰好与戊二醛处理相反。在干燥过程中，乙酰化、戊二醛改性和高温热处理改性均增加了两种结合水转变成自由水或水蒸气的难度。乙酰化降低了两种结合水的解吸热；戊二醛处理和高温热处理增大了第一类结合水的解吸热，减小了第二种结合水的解吸热。本项目的研究结果为优化现有木材改性技术、开发新的高效环保改性技术提供理论支撑，并提出了新的研究角度。项目基本按照项目计划书按时展开，经费按照预算合理支出。到目前为止，项目已经发表标注学术论文7篇，其中SCI收录5篇，另外还有3篇在投稿过程中（未列出）、获得国家科技进步二等奖1项、出版国家标准2项（1项主持、一项骨干参加）、参编Wiley著作1部、学术会议报告论文2篇/次、培养科研骨干1名，出站博士后1名，毕业硕士研究生2名，在读博士研究生1名，基本完成了预期研究任务和目标。