基于动态热机械分析仪的木材干缩湿胀响应特征研究

探究了动态热机械分析仪(DMA)测试自由缩胀应变的可行性,揭示了影响木材干缩湿胀应变的主要因子。对比干燥器调湿法和DMA测试法获得的一系列平衡含水率下的全干材(0.6%含水率)湿胀应变量,验证DMA测试干缩湿胀的可行性,从而进一步利用DMA分别测试全干材吸湿、湿材解吸和全干材吸湿-解吸循环过程的干缩湿胀形变。结果表明:干燥器调湿法和DMA测试法测得的应变量数据非常相近,但由于干燥器调湿法人工测量过程中存在误差,使得其数据变异性高于DMA测试法。同一含水率下,水分平衡态和非平衡态下的干缩或湿胀应变量近乎相等。对于水分非平衡态(吸着/解吸过程),不同相对湿度水平下的湿胀/干缩应变量-含水率曲线几乎重合。在水分吸着-解吸循环过程中,湿胀-干缩应变量交替出现的峰值和谷值时间节点滞后于湿度变化,随着循环次数的增加,滞后时间有所缩短。因此,DMA作为干缩湿胀应变量测试的方法是可行的,可以实现水分变化过程中干缩湿胀应变量的实时、快速和准确测量。干缩或湿胀应变量与水分平衡态和非平衡态无关。不同湿度水平下,含水率与干缩/湿胀应变量曲线重合,表明干缩/湿胀变形主要受含水率影响,与湿度水平无关;但相比吸着过程,解吸过程较低的应变量揭示了木材干缩湿胀与水分子吸着状态有关。

木材多尺度结构的干缩湿胀研究进展

木材干缩湿胀是影响木材加工利用的关键特性,与木制品尺寸和形状的稳定性密切相关。木材宏观到微观层次分明的多尺度分级结构导致木材干缩湿胀行为的复杂性。将木材干缩湿胀研究从宏观尺度引向介观和微观尺度,建立三者之间的有机联系,有助于阐明木材干缩湿胀行为的发生机制和演变机理,对深入认识木材性质,合理、高效利用木材具有重要理论价值和实践意义。本研究综述木材宏观尺度(无疵试样)、介观尺度(生长轮)和微观尺度(木材细胞)3种层级单元的干缩湿胀行为及其滞后现象,分析木材不同尺度结构的干缩湿胀行为发生和演变规律,介绍基于多尺度结构的木材干缩湿胀测试方法和技术手段。同时,对今后开展木材多尺度结构干缩湿胀行为研究提出建议:1)在介观和微观尺度上系统开展针叶材和阔叶材基于生长轮和木材细胞的干缩湿胀行为研究,建立木材多尺度结构与干缩湿胀行为之间的构效关系;2)揭示基于各向异性、非均质性和细胞类型多样性引发的干缩湿胀行为差异化响应规律及其互作机制;3)阐明木材干缩湿胀行为的时间滞后和湿胀滞后现象;4)引入相关理论模型,如有限元法的应用,构建木材多尺度结构的自由缩胀可视化有限元模型。

木材动态粘弹性的含水率依存性

该文研究了不同含水率平衡态下杉木人工林木材的动态粘弹性质.测定的温度范围为-120~40℃,频率范围为0·5~10Hz.结果表明:①随着含水率增加,木材的贮存模量随温度升高而降低的程度增大.②在测定温度范围内观察到两个力学松弛过程,较高温度域的α力学松弛过程是由低分子量的半纤维素发生玻璃化转变引起的;低温域的β力学松弛过程是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动与吸着水分子的回转取向运动两者叠加而成.③力学松弛过程的损耗峰温度随着含水率的增加而降低,随着测量频率的增加而向高温方向移动.④力学松弛过程的表观活化能随着含水率的增加而减小.

干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性

采用高温干燥、低温干燥和真空冷冻干燥方法对杉木人工林木材进行干燥处理,测定3种干燥处理材在不同含水率平衡态的动态黏弹性质。测定的温度范围为-120～40℃,频率范围为0.5～10 Hz。结果表明：1）随着含水率增加,木材的贮存模量E′随温度升高而降低的程度增大,其中高温干燥处理材的贮存模量降低程度最小;2）在测定温度范围内观察到2个力学松弛过程,较高温度域的α力学松弛过程是由低分子质量的半纤维素发生玻璃化转变引起的,低温域的β力学松弛过程是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动与吸着水分子的回转取向运动两者叠加而成的;3）力学松弛过程的损耗峰温度随着含水率的增加而降低,随着测量频率的增加而向高温方向移动;4）力学松弛过程的表观活化能随着含水率的增加而减小,对于α力学松弛过程,高温和低温干燥处理材的表观活化能低于真空冷冻干燥处理材的表观活化能。

干燥处理杉木木材的干缩湿胀性质

研究分别采用高温干燥、低温干燥和真空冷冻干燥方法对杉木人工林木材进行干燥处理,测定了3种干燥处理材的干缩率和差异干缩,并在33%和85%相对湿度条件下分别测定了3种干燥处理材的湿胀率、差异湿胀和水分吸着率。结果表明:1)3种干燥处理材之间的干缩率、湿胀率和水分吸着率差异显著,均表现为:真空冷冻干燥处理材>低温干燥处理材>高温干燥处理材;2)高温干燥处理材和低温干燥处理材的差异干缩显著高于真空冷冻干燥处理材的差异干缩,前二者之间差异干缩的差异不显著;3)在33%相对湿度下,真空冷冻干燥处理材的差异湿胀显著高于其它2种干燥处理材的差异湿胀,在85%相对湿度下的情况则相反。

干燥处理材的动态粘弹性

该文采用高温干燥、低温干燥和真空冷冻干燥3种干燥方法分别对杉木人工林木材进行干燥处理。用动态力学分析仪测定了3种干燥处理材在温度-120～250℃,测量频率1、2、5、10 Hz的动态粘弹性。结果表明：①储存模量和损耗模量均表现为高温干燥处理材最大,真空冷冻干燥处理材最小。②高温干燥处理材和低温干燥处理材的损耗模量温度谱中,从高温至低温方向可依次观察到3个力学松弛过程,其分子运动归属分别是木材细胞壁非结晶区中聚合物的微布朗运动、木材细胞壁聚合物分子的扭转振动和木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动。③真空冷冻干燥处理材的损耗模量温度谱可观察到4个力学松弛过程,新增加的松弛过程是由木素分子的微布朗运动引起的。这说明木材经过高温干燥或低温干燥处理,由于受到热的作用,木材细胞壁分子链之间可能发生了一定程度的交联,从而限制了木素分子的微布朗运动。

化学处理木材的动态粘弹性研究

为了弄清楚不同化学试剂处理引起木材内部分子构造的变化及其分子的运动状态,该研究针对杉木试材,采用动态粘弹性分析仪,测定了含水率在纤维饱和点状态下脱木素处理木材、DMSO处理木材和非晶化处理木材以及素材,在-100～10℃、0.5～10Hz的动态粘弹性.研究结果表明:①在-100～10℃范围内观察到两个松弛过程,-30℃附近的α松弛过程和-100℃附近的β松弛过程;②频率越高,损耗模量峰值对应的温度越高,贮存模量随着温度的升高而降低;③α松弛过程中非晶化处理木材的活化能最高,DMSO处理木材次之,脱木素处理木材与素材接近;④木材发生α松弛过程的主要原因是吸着水分子的回转取向运动,发生β松弛过程的主要原因是无定形区细胞壁物质中的伯醇羟基基团的运动.

木材动态黏弹性的湿热耦合效应

采用动态热机械分析仪（DMA Q800）,在一系列恒定温湿度场（温度：25-90℃,湿度：0-93%）中测定不同含水率（0-19.39%）人工林杉木木材试样的贮存模量和损耗因子在550 min湿热耦合作用过程中的经时变化,研究湿热耦合作用对木材动态黏弹性的影响。结果表明：湿热耦合作用可以降低木材半纤维素和木质素的玻璃化转变温度。对于全干材试样,没有出现木材软化现象;对于含水率为5.88%-13.36%的木材试样,可在40-60℃温度域内观察到半纤维素的湿热软化现象;对于含水率为9.08%-19.39%的木材试样,当温度高于50℃时可观察到木质素的湿热软化现象。研究表明,升高温度或增加木材含水率均能缩短引起半纤维素和木质素发生软化的热作用时间。

杉木动态黏弹行为的时温等效性

运用时温等效原理研究含水率为0.6%的木材试样的动态黏弹性质。在25～150℃温度范围内,通过频率扫描(0.1～20Hz)试验获得不同恒定温度水平下木材的贮存模量和损耗因子值。将其他温度下的黏弹性曲线通过水平移动因子平移并叠合连接至参考温度(本研究中为135℃)曲线,分别生成一定频率范围内的贮存模量和损耗因子主曲线。通过最小二乘拟合法,采用Arrhenius方程对水平移动因子与温度的关系曲线进行拟合分析。结果表明:贮存模量主曲线的水平移动因子与温度的关系曲线在25～150℃内满足Arrhenius方程,因此利用时温等效原理描述木材的动态刚度性质是适用的;但时温等效原理无法预测木材的松弛转变行为。

木材干燥应力的研究方法与进展

木材干燥应力的研究对丰富和完善木材干燥理论、建立和完善干燥工艺、提高干燥质量和经济效益具有重要 意义,许多研究者从不同角度对木材干燥应力应变进行了试验测定及数值计算。本文对其中的主要研究方法进行了 较详细的归纳,并对今后的研究提出了看法和建议。

红锥和西南桦人工林木材力学性质的研究

为了研究树木南北向与径向位置的变化对人工林木材力学性质与气干密度的影响,该文通过对红锥、西南桦人工林木材南北向、近髓心和近树皮2个不同径向位置的力学性质以及气干密度进行测定,分析了南北向和不同径向位置2个因素对两种木材力学性质和气干密度的影响,以及木材密度与抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度的相关性.结果表明:南北向的不同对红锥和西南桦人工林木材的大多数力学性质测定项目和气干密度无显著影响,仅有红锥的弦面顺纹抗剪强度、径向握钉力和西南桦3个面的表面硬度表现为南北向差异显著.近髓心和近树皮径向位置的不同对红锥的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和气干密度无显著影响,但对西南桦的影响则全部达到差异显著水平.两个树种木材的气干密度与木材力学性质均表现为显著的正相关关系.

杉木和I-72杨人工林木材干缩性质的研究

通过对杉木和I-72杨人工林木材南北向、不同高度位置、不同径向位置横向干缩(弦、径向)的测量,研究上述3个因素对2种木材横向干缩(弦、径向)的影响规律。结果表明:南北向的不同对杉木和I-72杨人工林木材的干缩均无显著影响;高度位置的不同对杉木和I-72杨木的弦向干缩均有显著影响,而对径向干缩则无显著影响;径向位置的不同对杉木和I-72杨人工林木材的径、弦向干缩均有极显著影响:从树皮到髓心,木材径、弦向干缩逐渐减小,与其基本密度的变化趋势一致。

水分吸着过程中杉木黏弹行为的经时变化规律及其频率依存性

[目的]研究木材黏弹行为在水分吸着过程中的经时变化,明确水分对木材黏弹行为频率依存性的影响,补充和完善＂水分-机械力＂耦合作用下木材黏弹行为的变化规律,并为模拟和预测木材在切削、热压、磨浆等实际复杂过程中黏弹行为的变化提供科学依据。[方法]以含水率0.6%的杉木木材为研究对象,采用动态机械分析仪（DMA Q800）在30℃、不同相对湿度条件（30%,60%和90%）下测定木材贮存模量E＇和损耗因子tanδ的变化情况,比较不同频率（1~50 Hz）之间木材黏弹行为的异同。水分吸着过程分为升湿和恒湿2个阶段：在升湿阶段,相对湿度由0以2%·min-1的速率分别升高至30%,60%或90%;在之后的恒湿阶段,相对湿度在30%,60%或90%下分别恒定240 min。[结果]在任一频率下,随着吸着时间的延长,木材贮存模量E＇减小,损耗因子tanδ增大,并且贮存模量的变化率｜ΔE＇｜明显小于损耗因子的变化率｜Δtanδ｜;单位含水率的贮存模量和损耗因子变化率（｜ΔE＇/ΔMC｜和｜Δtanδ/ΔMC｜）随着吸着时间的延长均减小。此外,在水分吸着过程中的任一时间节点处,贮存模量随频率的增加而增大,损耗因子随频率的增加先减小后增大,损耗因子极小值对应的特征频率出现在10~30 Hz范围内,并随着吸着时间的延长向高频方向移动;在1 Hz和20 Hz频率下贮存模量的比值约为0.98,该比值基本不随吸着时间的延长而变化,但损耗因子的比值在升湿和恒湿过程中先增大后减小,并在升湿阶段结束时达到最大值。[结论]在水分吸着过程中,水分子的＂塑化效应＂是引起木材贮存模量减小和损耗因子增大的主要原因,并且单分子层吸着水的＂塑化效应＂最为明显;机械吸湿蠕变效应的存在使得升湿阶段木材黏弹性的变化较恒湿阶段明显;在水分吸着过程中,随着含水率增加,木材细胞壁聚合物分子的运动速度加快,松弛时间减少,并且α力学松弛过程（由半纤维素玻璃化转变引起）和β力学松弛过程（基于木材细胞壁无定形区中伯醇羟基的回转取向运动的力学松弛过程与吸着水分子回转取向运动的力学松弛过程二者叠加而成）的转变向高频方向移动;在水分吸着过程中,含水率的变化可引发木材细胞壁的不稳定化现象,并且相对湿度的变化加剧了这种不稳定化。

木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响

【目的】研究木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响及其规律,为木材超声波无损检测技术的应用提供理论依据。【方法】采用超声波探伤仪Epoch XT对6个树种木材(3种针叶材:杉木、红松和樟子松,3种阔叶材:核桃楸、白桦和蒙古栎)在不同相对湿度环境(20℃,50%RH,65%RH,85%RH和95%RH)达平衡含水率的木材试样轴向声速进行测定,分析木材密度和含水率对其轴向声速的影响,探讨含水率的增加在不同树种木材间引起轴向声速降低量的差异及其原因。【结果】6个树种木材在同一相对湿度下的平衡含水率存在差异,随着相对湿度增加,不同树种木材之间平衡含水率的差异增大。3种阔叶材的绝干密度均高于3种针叶材,但阔叶材与针叶材之间轴向声速的比较没有发现规律性;对于单一树种木材而言,其绝干密度与轴向声速之间的相关性不显著,决定系数R^2均低于0.24;对6个树种木材的绝干密度与轴向声速之间的关系进行统一分析,结果发现木材轴向声速随绝干密度的增加总体上呈降低的变化趋势,但二者之间无显著相关性,决定系数R^2仅为0.42。6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势,线性回归的决定系数R^2均大于0.91;与3种阔叶材相比,3种针叶材之间"单位含水率的轴向声速降低量"的差异程度较小:针叶材中红松与樟子松单位含水率的轴向声速降低量几乎相等,分别为42.6 m·m^(-1)%^(-1)和42.4 m·m^(-1)%^(-1),杉木单位含水率的轴向声速降低量最小,为38.1 m·m^(-1)%^(-1);阔叶材中蒙古栎单位含水率的轴向声速降低量最大,为55.4 m·m^(-1)%^(-1),约为白桦(23.1 m·m^(-1)%^(-1))的2.4倍。【结论】无论是对单一树种木材还是6个树种木材的综合分析,结果均表明,木材绝干密度与其轴向声速之间无显著相关性。超声波沿木材轴向的传播速度不能仅用密度单一因子来预测,其在很大程度上还取决于木材的组织构造特点,如管胞、导管和木纤维的长度以及木射线比率等。在纤维饱和点以下,6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势。吸着水增多使得木材细胞壁实质的声阻增加是引起木材轴向声速与含水率呈负相关的原因。此外,木材组织构造与细胞类型的差异、抽提物含量的高低、侵填体的有无以及木射线比率等均可能是引起不同树种木材之间"单位含水率的轴向声速降低量"存在差异的原因。

木材普通蠕变和机械吸湿蠕变研究概述

木材是一种具有不同细胞类型的天然纤维复合材料,其细胞壁的壁层结构与化学组分具有多样性。在静态恒定应力作用下,木材形变随时间延长而逐渐增大,即产生蠕变。木材蠕变是影响木制品和工程构件质量以及结构设计安全性的一个关键特性。根据木材中的水分状态,木材蠕变可以划分为"含水率平衡态时的普通蠕变"和"含水率非平衡态时的机械吸湿蠕变"。本文分别阐述了木材普通蠕变和木材机械吸湿蠕变的现象和特点;围绕木材的普通蠕变,归纳了木材组织结构、含水率、温度和应力水平等因素的影响;针对木材的机械吸湿蠕变,重点从分子水平、细胞壁层结构、物理老化等方面解释其发生机制,并论述微纤丝角、化学组分、含水率和温度等因素对机械吸湿蠕变的影响。此外,本文还总结了应力/应变本构方程和Kelvin-Voigt模型模拟木材蠕变的研究进展,分别概述了普通蠕变和机械吸湿蠕变的数值模拟过程及其应用。木材蠕变特性受其自身复杂的组织构造和环境条件的影响,且各因素之间又存在一定程度的交互作用,使得木材蠕变的研究仍有较多方面尚未涉及。建议今后的研究重点从以下4个方面展开:1)针对木材正交各向异性的构造特点,采用不同的载荷类型和形变模式进行组合测试,系统表征木材的正交异向蠕变特性;2)解明湿热条件下,水分、温度以及二者的交互作用对木材组分以及蠕变行为的影响,探索温湿度场中蠕变柔量与泊松比的同步实时测定;3)明确单根纤维(管胞、木纤维细胞)的机械吸湿蠕变行为规律,并确定木材组分,尤其是半纤维素在木材机械吸湿蠕变中的作用机制,从分子水平上解释氢键作用对木材机械吸湿蠕变的影响机制;4)构建能够充分解释木材蠕变特性内在机制和外在影响的蠕变模型。

动态力学分析技术在木材科学研究领域的应用

动态力学分析技术(DMA)通过材料的结构和分子运动状态表征材料的力学性能。木质材料的力学性能本质上是分子运动状态的反映,利用DMA可以架构其结构与性能之间的关系,获得木质材料的结构、分子运动及其转变等重要信息。分别总结了DMA在实体木材和木质复合材料中的应用:围绕实体木材,综合评述了DMA在分析木材材性、软化行为、机械吸湿效应以及早期腐朽程度方面所取得的研究进展;针对木质复合材料,重点介绍了DMA在分析其阻尼性能、胶合性能、界面相容性能和耐老化性能等方面的应用。建议今后的研究重点从以下3个方面展开:1)考虑到实体木材自身组织结构的复杂性以及易受环境影响等特点,采用DMA分析仪不同的载荷类型和形变模式进行组合测试,在一定温湿度场中系统研究实体木材的材性与软化行为和机械吸湿效应的关系。2)利用DMA分析仪的单纤维拉伸模式,探索单根纤维(管胞、木纤维细胞)的黏弹行为,进一步明晰木质材料微观黏弹性能的响应机制。3)联用振动光谱(红外光谱或拉曼光谱),实现同步实时观察木质材料形变过程中组成分子的化学键或官能团的变化及响应,进而从分子水平揭示木质材料的形变规律。

基于容积密度计算的X射线法测定木材含水率分布

针对X射线法计算木材含水率的算法进行理论推导及试验研究。首先,介绍X射线法测量木材密度的基本原理;其次,引入多孔材料容积密度的概念,量化分析木材各相(细胞壁物质与水)在体积变化情况下的容积密度,推导出以纤维饱和点为分界线的含水率计算公式;最后,以杉木为试验材料,利用X射线剖面密度仪测量干燥过程中试样密度的经时变化数据。基于这些密度数据,分别采用Cai计算方法与容积密度计算方法计算木材干燥过程中的含水率分布;同时,以传统切片法测量的含水率分布为对照组,将三者之间得到的含水率分布进行比较。结果表明:在整个含水率范围内,容积密度计算方法计算的含水率与切片法测得的含水率之间无显著性差异;当含水率在纤维饱和点以上时,Cai计算方法计算的含水率与切片法测得的含水率之间有显著性差异,当含水率低于纤维饱和点时,二者之间无显著性差异。试验证明,采用容积密度计算方法得到的含水率更为合理,为运用X射线法测量干燥过程中木材内部的含水率分布提供了一个更为精确的计算方法。

不同干燥方法对杉木人工林木材浸注性的影响

采用高频真空干燥、常规窑干和高温干燥3种方法对杉木人工林木材的心、边板材进行干燥处理,用毛细管上升法评价干燥后试样的浸注性能,用半薄切片法测定干燥试样具缘纹孔的闭塞率,最后用扫描电子显微镜观察干燥试样微观构造的变化,比较分析3种干燥方法对杉木人工林木材浸注性的影响机理。结果表明对于杉木边材,经高频真空干燥后试样的浸注性显著高于常规干燥和高温干燥后试样的浸注性,后2种干燥方法对试样浸注性影响的差异并不显著;对于杉木心材,高频真空干燥与高温干燥后试样的浸注性存在显著差异,而高频真空干燥与常规干燥之间、高温干燥与常规干燥之间对试样浸注性的影响差异均不显著;3种干燥方法处理后,杉木边材的浸注性均显著高于心材的浸注性;具缘纹孔的闭塞率较低以及部分具缘纹孔周缘破裂是高频真空干燥后木材浸注性提高的主要原因。

木材快速生长期内早材与晚材密度分布的数学描述初探

对树木生长及早晚材密度的分布规律进行理论研究。首先,利用正弦波函数与分段线性函数分别模拟环境温度与降雨量随年份的周期性变化规律。其次,在分析环境温度与降雨量对树木生长速率影响的基础上,建立以生长时间为自变量、以树干半径为因变量的树木生长速率模型;在分析树木生长速率对木材早晚材的形成及其密度分布影响的基础上,构建早晚材密度分布模型。最后,以人工林杉木为例,一方面,利用有限差分法分别求解树木生长速率模型与早晚材密度分布模型;另一方面,采用软X射线密度分析仪测定木材径向的密度分布值,将密度的试验测量值与模型计算值进行比较,对早晚材密度分布模型进行验证。结果表明:1)可采用正弦波函数量化树木生长环境中温度的周期性变化,函数拟合的决定系数为0.907;树木生长环境中的降雨量周期性变化可用分段线性函数定量描述;2)树木生长速率模型可以定量分析温度与降雨量对树木生长的影响;3)早晚材密度分布模型可准确描述木材快速生长期内的早晚材密度沿径向的分布规律,为木材宏观密度与微观密度的内在联系给出定量的表述。

预干桉木单板热压干燥过程中温度场的分布

采用NR-1000温度采集系统对多张预干桉木单板热压干燥过程中水平方向和竖直方向的温度场进行了测定与分析。工艺为目前企业对多张单板热压干燥的常用工艺,即压力0.2 MPa、温度120℃、干燥时间30min,上下热板间整齐重叠放置10张单板。结果表明:在水平方向上,整个干燥过程中单板的中心温度高于边缘温度,除与热板相近的2层单板(1、10号和2、9号)和初始阶段的3、8号单板外,其余单板水平方向的温度均存在显著差异;在竖直方向上,温度场以5、6号单板为中心呈上下对称分布,靠近热板处的单板温度高,中间单板温度低;按对称位置分成5组后,组间单板温度存在显著差异,组内单板温度差异不显著。结果可为进一步开展多张单板热压干燥机理以及干燥单板质量的研究提供基础数据。