堿處理對桉木纖維擠壓結合機理的影響

彭萬喜，林 芝，李年存（.中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙40004；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州50640）

堿處理對桉木纖維擠壓結合機理的影響

彭萬喜1，2，林 芝1，李年存1
（1.中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙410004；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州510640）

采用桉木纖維為原料，探討堿處理對板材擠壓結合機理的影響。結果表明：堿處理對木質素、半纖維素都有不同程度的降解作用；在熱壓制板過程中，經過降解作用的木材成分經適當的熱壓工藝能夠發生聚合反應從而粘合成板；強堿（NaOH）對桉木纖維的影響大于弱堿溶液（Na2CO3），且處理時間為10 h較適宜；堿處理過程產生的活性羥基，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用材樹種之一，具有樹干通直、紋理美觀、生物量高等優點，可廣泛應用于木基復合材料、制漿造紙等領域。其中先進復合材料、綠色制漿是桉樹木材精深加工研究的前沿領域，需要纖維再結合，其關鍵工藝是纖維之間高效結合，形成足夠的結合強度。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，探討堿處理對桉木纖維擠壓結合機理的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

桉木纖維，樹種為尾巨桉，4.5年生，采集于廣東省陽江林業局林區。氫氧化鈉（NaOH），分析純；碳酸鈉(Na2CO3)，分析純。

2.2 試驗方法

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。

采用固體直接檢測法，進行紅外光譜（Nicolet iN10）測定。鍍金試樣在JSM6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）上觀測。按照GB/T 11718—2009檢測內結合強度。

3 結果與分析

3.1 堿處理對內結合強度的影響

從圖1可知，隨著處理時間的增加，板材的內結合強度都是呈現先增大然后減小的趨勢；處理時間為10 h后制成的板材測得的內結合強度最大；NaOH溶液的影響比Na2CO3溶液大。

圖1 堿處理對板材內結合強度影響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律

根據相關文獻[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 堿處理對桉木纖維紅外光譜的影響

比較圖2和圖3可知，a.經堿處理后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生新的酚羥基；b.2 936.39 cm-1處C—H鍵伸縮振動的特征吸收峰減少，這說明C—H鍵受到了破壞；c.1 736.26 cm-1處為乙酰基和羧基上的碳氧雙鍵（C====O）伸縮振動吸收峰是半纖維素區別于其他組分的峰，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被去除，而經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處木質素的結構特征峰看，吸收峰幅度減小說明堿處理使得木質素結構中的部分苯環開環斷裂而使苯環振動吸收減少。圖3a，圖3b中1 262.81（1 265.79）cm-1產生新的吸收峰，而且和圖2相比，1 229.94 cm-1的吸收峰吸收減小，進一步說明木質素在堿處理下發生了降解作用。

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 熱壓對桉木纖維紅外光譜的影響

從圖4看到，各譜峰相對吸收程度都有所減小。1590.08cm-1、1503.80cm-1、1417.93cm-1是木質素的結構特征峰，熱壓成板后相對吸收程度的減弱（見圖4a），表明木質素在熱壓條件下參與了轉化反應，生成了新的穩定的聚合物。從2 902.49 cm-1、1 371.41cm-1、897.83 cm-1纖維素的特征吸收峰看，吸收強度減少表明纖維素也參與了轉化反應（見圖4b）。在2 916.54 cm-1和2 849.49 cm-1處產生了CH2和CH3伸縮振動的吸收峰（見圖4a）。這也可能是因為纖維素、半纖維素降解以及木質素相對含量上升而導致的。纖維素、半纖維素、木質素降解后經擠壓結合過程生成了新穩定聚合物產生了膠黏劑的作用，使板材自身粘合成板。

羥基“自由”基團，也就是未形成氫鍵的—OH伸縮振動，與形成氫鍵的“結合”基團的—OH伸縮振動相比是有區別的。“結合”羥基的伸縮振動較寬而散，而且與“自由”羥基振動相比，會向波數低的方向移動。NaOH溶液處理后，羥基—OH伸縮振動吸收峰從3 343.37 cm-1移向波數較低的3 338.25 cm-1（見圖4a），而Na2CO3溶液處理后，羥基—OH伸縮振動的吸收峰從3 356.54 cm-1移向波數較低的3 345.53 cm-1（見圖4b），說明在擠壓結合過程中羥基互相“結合”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合力，有利于桉木纖維粘合成板，同時氫鍵的結合使得活性自由羥基數量減少。

3.3 堿處理熱壓后桉木纖維斷面SEM觀測

圖5與圖6相比較，經過NaOH處理后制備的板材結合界面形貌均勻，結構形態比較完整，細胞壁之間結合緊密，細胞間隙的體積與數目明顯減少。與內結合強度小的桉木纖維斷面相比，內結合強度大的桉木纖維斷面內部結構更加致密、均勻，在溫度、壓力等作用下，熱量與力量在細胞壁之間易于傳遞，降低甚至消除應力集中現象，使其不容易發生斷裂。

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 結語

1）經過強堿處理后半纖維素基本被脫除，經過弱堿處理后只有部分半纖維素被脫除。堿處理對木質素也有一定程度的降解作用。

2）在熱壓制板過程中產生的新的穩定的聚合物能產生膠黏劑的作用，同時羥基“自由”基團互相結合形成氫鍵，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）堿處理時間對板材的內結合強度有較大影響，10 h較為適宜。

[1] Wen Jialong，Sun Zhaojun，Sun Yongchang，et al.Structural characterization of alkali-extractable lignin fractions from bamboo[J].Journal of Biobased Materials and Bioengergy，2010，4：408-425.

[2] Schwanninger M，Rodrigues J C，Pereira H，et al.Effects of short-time vibratory ball milling on the shape of FTIR spectra of wood and cellulose[J].Vibrational Spectroscopy，2004，36：23-40.

[3]曹忠榮，閻昊鵬，郭文莉.干法無膠纖維板粘合機理的研究：Ⅱ.干法無膠纖維板的紅外光譜分析[J].木材工業，1996，10（5）：3-6.

[4]歐國隆，謝益民，伍 紅，等.馬尾松磨木木素以及LCC的仿酶降解[J].中國造紙學報，2000（S1）：68-74.

[5]Peng Feng，Ren Junli，Xu Feng，et al.Fractionation of alkali-solubilized hemicelluloses from delignified populus gansuensis：Structure and properties[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58：5743-5750.

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

國家自然科學基金面上項目（31170532）；華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金項目“桉樹木材纖維干法擠焊機理與分子鍵合機制”；湖南省科技計劃項目（2013FJ4104，2013GK3189）

彭萬喜，1974年出生，男，河南駐馬店市人，教授，博士生導師，主要研究方向為林業生物質資源化加工；E-mail：pengwanxi@163.com