Ultrasonic–microwave-assisted impregnation of aspen wood with waterborne epoxy resin: process-structure-property relationships
本研究表明，将超声波-微波协同浸渍技术与水性环氧树脂结合使用，通过改善树脂渗透、降低吸水率并提高尺寸稳定性和强度，显著增强了加拿大白杨木的物理、机械和热学性能。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
木材是一种卓越的材料，由树木构建而成，既坚固又轻盈，但它有一个根本性的缺陷：它极度亲水。由于木材是由微小的、中空的细胞以及相互连接的微观通道组成的，它就像海绵一样，会吸收空气中的水分，并在空气干燥时将其释放。这种不断的“呼吸”导致木材在潮湿时膨胀，在干燥时收缩。随着时间的推移，这种反复的扩张与收缩会导致变形、开裂以及结构完整性的丧失，从而限制了木材在建筑和制造业中的应用范围。几十年来，科学家们一直试图通过用驱避水的化学物质处理木材，或用合成树脂填充其孔隙来解决这一问题。然而，许多传统的处理方法依赖于释放有害烟雾的剧烈有机溶剂，这在提高木材耐用性与保护我们呼吸的空气之间造成了冲突。
来自南京林业大学和中国林业科学研究院的研究团队开发了一种新方法，旨在同时解决这两个问题。他们专注于一种特定的木材——加拿大白杨，并使用一种水性环氧树脂对其进行处理。这种水性环氧树脂是一种通常与水混合而非有毒溶剂混合使用的粘稠、类塑料物质。挑战在于如何让这种水性的混合物深入到木材微小且复杂的细胞网络中，而不是仅仅停留在表面。为了克服这一难题，研究人员结合了两种强大的物理力量：声波和微波能量。他们利用高频声波使液体发生振荡并辅助其移动，同时利用微波加热木材内部的水分，从而产生内部压力，将树脂推向材料的核心深处。
该过程首先是将木材样本浸泡在含有不同浓度水性树脂的溶液中，浓度范围从完全不含树脂到百分之二十五不等。随后，样本被放入一台特殊的机器中，先接受十分钟的超声波冲击，接着是二十分钟的微波加热，将液体加热至九十摄氏度。在经过这种强化处理后，木材被置于真空条件下，以进一步将树脂吸入其孔隙，随后进行仔细干燥，最后通过高温烘烤使内部的树脂硬化。结果令人瞩目。随着树脂浓度的增加，木材变得明显更重且更致密，最高浓度的树脂使木材重量增加了近百分之四十。这种额外的重量来自于树脂填充了木材细胞内的空隙，并与细胞壁结合在一起。
然而，最重要的变化在于木材在暴露于水和应力时的表现。经过处理的木材吸收的水分远低于未经处理的木材，并且能够抵抗通常困扰木材的膨胀与收缩现象。在树脂含量最高的样本中，木材在径向方向的膨胀倾向降低了近一半，而在切向方向的收缩倾向下降了百分之三十。这意味着即使湿度发生变化，木材在尺寸上也保持了更高的稳定性。此外，材料也变得更加坚固。木材在不折断的情况下进行弯曲的能力提高了近百分之三十，且表面变得更加坚硬，特别是在受到端面纹理挤压时。表面也变得更具疏水性，使水滴呈现出滚珠状而非渗入其中，不过一旦表面覆盖了一定量的树脂，这种效应似乎会达到极限。
为了准确了解木材内部发生了什么，研究人员利用强力显微镜观察了材料，并分析了其化学成分。他们发现，这种处理并没有破坏木材的天然结构，而是涂覆了细胞内部并填充了一些较大的间隙，形成了一层光滑、硬化的树脂层。在较低的树脂浓度下，这种涂层薄且不连续；而随着浓度的增加，树脂形成了更厚、更连续的层，衬在细胞壁内并部分填充了中空的中心部分。化学测试证实，树脂已成功在木材内部发生反应并硬化，创造了一个与木材天然纤维相互作用的新型稳定网络。用于固化树脂的热处理过程还增强了木材的耐燃性，使其开始在比未经处理的木材更高的温度下分解。
这项研究表明，只要能将树脂驱动到材料深处，利用清洁的水性系统制造高性能木材是完全可能的。声波与热量的结合被证明是迫使液体树脂进入木材最深处 recesses 的有效方式，使其能够在内部硬化并由内而外地强化结构。这种方法为创造耐用、尺寸稳定的木材产品提供了一条路径，而无需依赖于长期以来在行业中作为常态的挥发性溶剂。通过证明利用物理能量可以将水性树脂成功整合进木材中，研究人员展示了木材改性的未来可以既更坚固，又更环保。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。