木质素分离及主要物理和力学性能的研究进展

木质素是木材细胞壁的重要组成成分,其吸湿特性、热特性、力学特性等在木材的微宏观尺度相互影响,并对其高值化应用起决定性作用。本文从分子结构、分离方法、吸湿特性、热特性、力学特性五个方面综述了木材木质素的研究进展。木材木质素是高异质、不规则的三维网状高分子结构,相比原位木质素,不同分离方法的分离木质素有不同程度的解聚缩合,导致分离木质素分子结构、吸湿性、热特性、力学特性存在差异性。木材木质素具有近似S型等温吸附曲线且存在吸湿滞后现象,平衡含水率在20%(质量分数)以下,可用BET,GAB理论定性描述和定量分析单层水分子吸附量。木材木质素在低温时具有高分子塑性特征,玻璃化转变温度为90~160℃,高温度时具有热固性特性并发生热分解,先后发生α-O-4、β-O-4、脂肪烃碳碳键、5-5、4-O-5键断裂,类原位木质素活化能为82~150 kJ/mol。木质素在力学特性上各向同性,弹性模量总体随含水率的增大而减小,弹性模量为2.8~9.0 GPa,剪切模量为1.1~2.3 GPa,但研究范围局限在弹性阶段。在原位木质素绿色高效分离方法、木质素分子结构序列和木质素弹塑性力学性能等方面有待进一步深入研究。

热处理对木材多尺度结构及力学性能影响的研究现状

热处理是一种改善木材尺寸稳定性的重要方法,同时会引起木材多尺度结构变化,进而影响热处理材的微宏观力学性能。本文从纳米、微米、毫米三个尺度总结了热处理对木材结构单元及力学性能的影响。在纳米尺度,热处理过程中木材半纤维素大量降解导致其作为界面偶联剂的基质特性被破坏;纤维素的羟基与半纤维素降解产生的有机酸发生酯化反应,其分子间氢键以及与半纤维素连接的氢键大量断裂,引起分子链断裂,削弱了半纤维素与纤维素之间的结合强度;多糖解聚引起木质素相对含量变化,木质素自缩聚反应以及与多糖降解产物发生的交联反应是热处理后细胞壁基质力学性能发生变化的重要因素。在微米尺度,热处理木材细胞壁胞间层出现裂缝,各细胞间产生分离,微纤丝的定向排列规律性下降、倾角增大,沿微纤丝长度方向断裂,进而引起细胞壁力学强度明显下降。在毫米尺度,早晚材的横切面上由方形、圆形变成椭圆形,其中早材开裂较多;径切面上管胞和导管的胞壁变形开裂,随着热处理程度增加,胞壁出现垂直轴向断裂、纹孔破坏、木射线开裂等现象,射线薄壁细胞被大量破坏,进而引起木材的载荷承载能力下降。本文可以为深入研究热处理对木材各尺度结构及力学性能的影响机制提供参考。

桦木酶解磨木木质素分子结构及其拉伸力学性能研究

为弥补木材类原位木质素拉伸力学性能相关数据的缺失,研究采用球磨、弱碱预润胀以及酶解相结合的方法提取三种桦木(Betula platyphylla)酶解磨木木质素,分别为:双酶解木质素(dual-enzyme lignin,DEL)、预润胀三酶解木质素(alkaline-treated triple-enzyme lignin,ATEL)和双预润胀双酶解木质素(dual-alkaline-treated dual-enzyme lignin,ADEL),并测试木质素的纯度、分子结构、抗拉强度、弹性模量、泊松比和剪切模量。结果表明:DEL、ATEL、ADEL的纯度分别为48.2%、99.29%、97.79%。ATEL和ADEL对桦木原位木质素的化学结构破坏较少,其表现出阔叶树材木质素典型的红外光谱特征,具有代表性连接键β-O-4键和β-β键,可以视为原位木质素。在含水率为5%的条件下,DEL、ATEL和ADEL的抗拉强度分别为17.14、5.38和5.62 MPa,弹性模量分别为7.97、6.36和6.23 GPa,泊松比分别为0.31、0.34和0.34,计算的剪切模量分别为3.04、2.39和2.33 GPa。DEL中存在大量纤维素和半纤维素,其拉伸力学性能偏高,ATEL和ADEL测试数据可用于评估桦木原位木质素的拉伸力学性能。

棉秆束/高密度聚乙烯定向复合板制备

为了有效利用废弃棉秆资源,该文采用热塑性高密度聚乙烯塑料作为填充料,将疏解的棉秆束定向铺装热压制成复合板。利用热重分析仪分析了棉秆的热解特性,采用正交试验的方法分析了复合板密度、塑料质量分数、热压温度、热压时间对复合板力学性能的影响;用扫描电镜观察到棉秆纤维与高密度聚乙烯复合界面存在机械啮合结构。通过试验得到制备定向复合板的较优热压工艺参数为:复合板密度0.8g/cm3,塑料质量分数50%,热压温度168℃,热压时间17min。在此工艺条件下,复合板的静曲强度、弯曲弹性模量和内结合强度分别达到31.51、4561.25和0.52MPa,超过定向刨花板OSB/1的标准值。

塑料含量和分布对定向木塑复合刨花板性能的影响

为制备耐水性能优良且绿色环保的木质复合材料,以高密度聚乙烯塑料（HDPE）为主要黏接剂制备定向木塑复合刨花板,研究HDPE含量（0%-16%）和分布对定向木塑复合刨花板物理力学性能的影响。研究结果表明：定向木塑复合刨花板的弹性模量、静曲强度和内结合强度随HDPE含量的增大而增大,当HDPE含量达到12%时,上述性能在试验范围内达到最大值;塑料含量继续增加则力学性能均有降低的趋势。HDPE添加量越多,定向木塑复合刨花板的吸水厚度膨胀率越小,且均低于8%。HDPE在板坯中均匀分布时静曲强度最高,当HDPE仅分布在上下表面时内结合强度最大,且吸水厚度膨胀率较低。

魔芋粉-壳聚糖-聚乙烯醇共混胶黏剂的性能及其胶合机理

为了提高魔芋粉的利用价值,开发环境友好型木材胶黏剂,以魔芋葡甘聚糖、壳聚糖为胶黏剂主料,添加聚乙烯醇制备三元共混胶黏剂。通过差示扫描量热法(DSC),分析共混胶的热特性,确定了热压温度参数;采用正交试验法,探讨热压工艺参数对胶合板强度的影响,并进一步对比了二元共混胶和三元共混胶的强度;通过红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)进行了微观结构分析。结果表明:在热压温度130℃,热压时间15min,压力4MPa,胶存放时间24h的条件下,用该胶黏剂压制的胶合板,干湿状胶合强度最大;FTIR分析发现3种高分子之间存在着氢键等强烈的相互作用;SEM分析表明三元共混胶黏剂中存在网状结构,使胶合强度得到提高。研究结果为加速环保木材胶黏剂研发进程和完善加工工艺条件提供了科学依据。

夹持式棉花精密穴播轮改进设计与试验

针对夹持式棉花精密穴播轮作业引起的振动脱种问题,改进了取种器的结构,增设了护种装置。应用二次回归通用旋转组合试验方法,建立了穴播轮排种性能指标与取种器夹种口主要尺寸间的回归方程。分析了试验因素对穴播轮排种性能指标的影响规律,对于新陆早-26号棉种在单粒率最大、重播率和空穴率在一定范围内的条件下,优化得出夹种板长度为4.50 mm、夹种口宽度为5.70 mm、夹种口开度为7.50 mm。试验表明,改进后的穴播轮减小了振动对精密取种的影响。

库尔勒香梨不同膨压水平下的动态粘弹特性

对经过不同浓度蔗糖溶液渗透处理后具有高、低和正常3种膨压水平的库尔勒香梨果肉进行振荡剪切试验和蠕变试验,以考察膨压水平对香梨果肉组织粘弹特性的影响。结果表明,不同膨压香梨果肉在各频域内的储能模量(G′)均远大于损耗模量(G″),且变化都不受频率影响,但均随膨压提高呈增大趋势。同时,不同膨压香梨果肉的蠕变响应可采用六元件广义Kelvin-Voigt模型精确拟合,模型中的瞬时弹性柔量(J0)、延迟弹性柔量(J1和J2)和稳态粘性柔量(1/η0)均随着膨压下降而增大。果肉组织扫描电镜观察表明,各粘弹参数(G″、G′、J0、J1、J2、1/η0)的显著变化与膨压调控引起的细胞结构和胞间隙变化有直接关系。

木材微生物变色与调控研究现状和展望

木材变色是一种木材材性的缺陷,木材调色是木材变色现象的逆利用。利用微生物调控木材材色环保无污染,具有较好的发展前景。综述了易变色的木材种类、易使木材变色的菌种、微生物控制木材变色和腐朽以及微生物诱导木材调色的研究现状,并对今后木材微生物变色与调控的发展提出建议。

轻质空心木质复合材料热和力学性能分析

将PVC空心塑料管嵌入至木质纤维板坯中,通过热压法制备轻质木质复合材料(HWC),分析了PVC管空气体积比对HWC的力学性能和热性能的影响,并对热性能进行仿真分析。结果表明,通过嵌入PVC空心塑料管,可以制备密度0.3g/cm3的轻质木质复合材料,HWC断面密度呈双"M"型分布,表层密度最小。随着PVC管内空气体积比的增加,HWC静曲强度、弯曲弹性模量有增大的趋势,内结合强度减小,对24h吸水厚度膨胀率和吸水率影响较小。PVC管内空气体积比对HWC的导热系数影响较小,且均<0.07 W/(m·K),并可通过合并Series模型和Parallel模型进行预测。PVC空心塑料管的嵌入阻碍了木质复合材料的热量传递,热传递测试降温1h后HWC表面温度平均比对照组高0.93℃。

夹持式棉花精密穴播轮作业振动对取种的影响

为了提高夹持式棉花精密穴播轮对作业地表的适应性,通过分析穴播轮作业时的主要振动形式及其振动加速度值得出穴播轮作业时存在失重和超重现象。穴播轮的作业振动对种子的可靠夹持影响较大,分析得出在超重状态下种子可以被可靠夹持,在失重状态下重块会产生反向转动,夹种口张开,种子不受夹持力,处于不稳定状态,依据研究结果改进了穴播轮的取种机构,经试验改进后的穴播轮在振动条件下作业时空穴率由9.3%降低到2.6%,穴播轮对地面的适应能力有明显提高。

玉米秸秆定向茎丝板的制备及性能研究

以玉米秸秆为原料,对其进行皮瓤分离得到玉米秸秆茎皮,经疏解机疏解为丝状,添加异氰酸酯(MDI)胶黏剂,经热压制备玉米秸秆定向茎丝板。采用单因素法研究了施胶量、板材密度、热压温度以及铺装层数对板材性能的影响。在试验研究范围内,玉米秸秆定向茎丝板的优化工艺参数为施胶量4%、热压温度160℃、板材密度为0.6 g/cm^3和3层铺装。

路易斯酸预处理对木材热降解特性的影响

【目的】引入外源酸可解决热处理温度高、时间长的问题,提高热效率。本研究旨在明确外源酸对木材组分的影响以及不同木材的热降解特性。【方法】以两种针叶材(落叶松、杉木)和两种阔叶材(桉木、杨木)为研究对象,以路易斯酸中的AlCl_(3)为外源酸,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)和Flynm-Wall-Ozawa法研究了不同浓度AlCl_(3)溶液(0、0.1、0.3 mol/L)处理后木材的热降解特性。【结果】AlCl_(3)处理可对木材化学结构产生显著影响:半纤维素的特征峰显著降低并发生红移,木质素特征峰的峰值增加,总结晶度指数减少,OH/CH_(2)比值下降,以及氢键强度增加。其中,0.3 mol/L AlCl_(3)溶液处理试材的总结晶度指数减少了29.17%~52.67%,OH/CH_(2)比值降低了23.18%~51.01%,氢键强度增加了2.86%~13.27%,纤维横向有序度减少低于8%。在热解过程中,AlCl_(3)处理后木材降解温度均降低,降解速率增大,活化能降低。0.3 mol/L处理浓度下,木材起始降解温度均降低至110℃以下,且针叶材出现明显肩峰,在快速热降解阶段针叶材的活化能比阔叶材显著降低。【结论】引入AlCl_(3)能显著降低木材的热降解温度,从而有效提升木材热改性效率,且其对针叶材的催化作用相较于阔叶材更为显著。本研究可为路易斯酸在木材低温热处理领域的应用提供理论支持。

杉木纤维素的热稳定性及热分解动力学参数

杉木纤维素的热稳定性和热分解动力学参数是模拟杉木高温热处理的重要参数,研究采用化学方法分离得到木材各主要化学成分的含量,采用热重分析仪在不同升温速率下测试了纤维素的热稳定性,并采用FWO法、Friedman法和ASTM E1641法计算得到纤维素的活化能和指前因子。研究结果表明,杉木纤维素、半纤维素、Klason木质素和苯醇抽提物的含量分别为48.5%、19.9%、33.5%和2.6%。纤维素的热分解峰值在1、5、10、15、20℃/min升温速率下对应的热分解温度分别为293.8、320.4、332.4、340.3℃和346.0℃。杉木纤维素热分解活化能和指前因子随转化率的变化有波动,不同计算方法得到的活化能和指前因子数值具有一定差异,在转化率为0.3至0.6期间时,FWO法、Friedman法和ASTM E1641法计算得到的活化能平均值为167.3、160.9 kJ/mol和164.4 kJ/mol,计算得到的指前因子自然对数平均值为33.2、32.4 min^(-1)和34.5 min^(-1)。

基于概率密度演化方法的古建筑残损木构件可靠度研究

【目的】建立随时间变化的古建筑残损木构件多因子强度退化模型,验证基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析的适用性,提高古建筑残损木构件可靠度分析的计算精度和效率,为古建筑保护中构件力学性能的量化和评估提供科学依据。【方法】综合考虑长期荷载、腐朽、虫蛀和干缩开裂对木材损伤的影响,借助已有模型和理论,建立木构件多因子损伤时变模型并推导出强度退化模型。以某古建筑木结构的典型柱为例,根据强度退化模型确定影响参数,对残损影响参数进行灵敏度计算及排序,通过设定阈值确定影响构件残损的关键参数,将非关键参数常数化以实现参数的初步降维。通过拉丁超立方法在关键参数的参数域内选点得到1000组代表点,基于强度退化模型计算残余强度变化率,根据概率密度守恒构建概率密度演化方程,利用差分法求解得到残余强度比与随机参数的联合概率密度函数,在随机参数域内积分求得残余强度比随时间变化的概率密度函数,最后将概率密度函数在安全域内积分得到构件可靠度;同时基于蒙特卡罗法随机抽样产生10000组参数数据对残损木柱进行可靠度分析,对比分析两种方法计算出木柱服役时间为1~1000 a时的失效概率。【结果】随服役时间增加,木柱损伤变量逐渐增大,服役时间为1000 a时1000组不同参数值的构件几乎都达到失效界限;概率密度演化曲面中概率最高的残余强度比逐渐减小;构件失效概率随时间增大,即可靠度降低;服役时间为100、300、500、700、900 a的5个节点,蒙特卡罗法和概率密度演化方法计算所得的木柱失效概率差值分别为9.48%、3.92%、6.10%、8.40%、4.40%,在蒙特卡罗法参数取样量更多、计算用时更长的前提下,两者计算所得失效概率差值不超过10%。【结论】建立的多因子强度退化模型可用于木柱残余强度的评估和预测,但仍需要进一步的修正。基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析是可行的,与蒙特卡罗法相比具有更高的效率。

预处理方法对玉米秸秆人造板性能的影响

采用HCl、NaOH、热水、羧甲基纤维素钠(CMC)及果胶对玉米秸秆进行预处理,并通过热压法制备轻质玉米秸秆人造板,研究单一预处理和复合预处理对玉米秸秆表面润湿性、表面微观形貌、热稳定性以及板材力学性能的影响。结果表明:各个单一预处理条件均能降低玉米秸秆纤维与水的接触角,预处理后玉米秸秆束外皮表层形貌由平滑变为粗糙,表层破裂脱落,表面硅元素质量分数明显下降,NaOH处理对玉米秸秆表面润湿性改善最佳。热稳定性分析表明:在热压温度150℃下,预处理玉米秸秆纤维结构稳定,无明显热分解趋势。各个预处理条件均能改善玉米秸秆人造板的力学强度,复合预处理条件不能在单一预处理的基础上进一步提高板材的力学性能。HCl、NaOH及水热预处理会减弱玉米秸秆纤维结构强度,使得秸秆纤维结构强度对人造板力学性能的影响大于界面胶合强度。水热处理后秸秆人造板力学性能改善最明显,IB值提高了700.0%,MOR值提高了112.5%,MOE值提高了87.5%。

铺装结构及密度对玉米秸秆轻质复合板性能的影响

为充分利用玉米秸秆并制备性能优越的轻质复合材料,通过对玉米秸秆内外表面特性的分析,采用机械疏解重组其胶合结构单元,以脲醛树脂为胶黏剂,制备定向和均向2种玉米秸秆轻质复合板。本文研究了不同铺装方式和密度对板材静曲强度(MOR)、弯曲弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)、吸水厚度膨胀率(TS)、吸水率(WA)的影响。结果表明:定向铺装结构可以增强复合板材的MOR、MOE、IB,相同密度下定向玉米秸秆复合板(OCSB)的纵向静曲强度(MOR∥)和纵向弹性模量(MOE∥)约为均向玉米秸秆复合板(HCSB)的3倍,IB约为4~5倍。OCSB的MOR∥、MOE∥明显大于横向静曲强度(MOR)、横向弹性模量(MOE);OCSB密度为0.3 g/cm^3时,MOR∥约为MOR的3.5倍,MOE∥约为MOE的5倍。OCSB的MOR均大于HCSB的MOR(密度0.3 g/cm^3除外),OCSB的MOE均小于HCSB。OCSB和HCSB的MOR、MOE在试验范围内都随着密度的增加而增加;当OCSB密度为0.6 g/cm^3时,MOR∥为25.24 MPa,MOE∥达到4 216 MPa,其物理力学性能够满足在民用建筑中的使用。此外,OCSB的TS、WA均小于HCSB。

热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响

[目的]热处理可以改善木材的尺寸稳定性,同时会降低木材质量并影响木材力学性能,有必要探明热处理对木材质量和力学性能的作用机制。[方法]本研究选用人工林杉木薄片作为试验材,在160、180、200、220℃及氮气环境下分别处理1、2、3、4、5、6h,测试处理后木材的质量损失率(mL)和静曲强度(MOR),采用ATR-FTIR、TGA进行表征,并建立热处理杉木质量损失率和静曲强度的预测模型。[结果]热处理温度低于200℃时,温度比时间对杉木质量损失率和力学性能的影响更显著。当热处理温度高于200℃时,温度和时间对质量损失率和力学性能均有显著性影响。热处理杉木的质量损失率随热处理温度升高和时间延长呈非线性增加,质量损失率范围在0.2%~17.6%之间,其预测模型为lnmL=0.8lnt+9.35lnT-53.67(t为时间,T为温度),R2为0.99,试验测试值与模型预测值基本一致。杉木的MOR随热处理温度升高和热处理时间延长线性降低,与未处理杉木相比,MOR降低了4.4%~74.8%,其预测模型为MOR=-2.57t-0.82T+220.44,R2为0.93,该模型总体预测效果较好。热处理杉木MOR随质量损失率增加呈指数下降,两者关系模型为MOR=65.4e^-20mL+16.4,R2为0.95,此模型能够预测MOR随质量损失率的非线性变化趋势。[结论]通过试验数据建立了杉木的质量损失率与热处理条件,MOR与热处理条件,质量损失率与MOR之间的经验方程,可预测热处理木材质量损失和MOR的变化趋势,为木材热处理工艺的优化和热处理木材性能预测提供参考和依据。

可可球二孢的培养及其侵染橡胶木表面性能的研究

【目的】可可球二孢是导致橡胶木蓝变的主要菌种之一,对蓝变的研究大多以防治为主。本研究利用蓝变颜色的多样性将防治转化为诱导,以提高蓝变现象的利用价值。【方法】通过分析不同配比的察式培养基对可可球二孢菌落在培养基和橡胶木表面生长速度的影响,优选菌落适宜生长环境,并探究不同时间条件下菌落对橡胶木表面性能的影响。【结果】可可球二孢菌落的适宜生长环境为酵母膏9 g/L、葡萄糖20 g/L、pH值弱酸性、硫酸镁1.0 g/L、硫酸亚铁0.03 g/L、氯化钾0.2 g/L;随着时间的增加,橡胶木表面的染色面积比逐渐提高,颜色逐渐由红黄到蓝绿色系,整体颜色逐渐变暗,耐光色牢度逐渐提高,静态接触角提高了13.04%,动态接触角显著变大,表面粗糙度和耐磨性能逐渐降低。【结论】本研究制备出可可球二孢调色橡胶木,并利用不同时间梯度对橡胶木表面纹理和颜色进行调控,证明了生物方式加工木材的可行性,扩大了微生物在木材加工中的利用价值。

北京林业大学国际合作办学项目对学科建设的作用——以木材科学与工程(中加合作办学)项目为例

北京林业大学木材科学与工程(中加合作办学)项目经教育部批准于2013年正式招生,参与该项目的学生的国际视野和国际竞争力大大提升,毕业生继续深造人数占比为43.7%,国外就业人数占比为41.4%。通过中加合作办学项目,中加双方在教学和科研合作方面均取得了丰硕的成果。该合作办学项目在汇聚优质教学资源、促进林业工程学科内专业之间的融合发展、促进教学内容和方法的优化、开设双语和英文课程推动国际化教育、提升学科国际影响力等方面促进了学科建设发展。在后续的国际合作办学中,将学科人才培养模式从“走出去”逐渐转变为“引进来”。木材科学与工程学科通过举办和承办国际本科生赛事、国内外联合开设在线专业课程等方式,提升了国际影响力和竞争力。