Contributions of Extractives and Lignin to the Fractal Geometry of Inter-nal Wood Surfaces

Internal wood surfaces can be treated as fractals, which are between Euclidean geometry and complete randomness. The fractal dimension Dfs is very informative in investigating the roughness of the internal surfaces of wood. In this study, the water sorption isotherms, including adsorption and desorption isotherm, of untreated, benzene-alcohol extracted and delignified (after benzene-alcohol extracted) spruce (Cuninghamia lanceolata) were measured at 30℃. On the basis of these isotherms, the Dfs values were calculated by FHH equation, which is based on multimolecular sorption. The results showed that both groups of Dfs values (respectively calculated from adsorption and desorption isotherms) of untreated, benzene-alcohol extracted and delignified wood have same order, that is, untreated > benzene-alcohol extracted - delignified. Therefore, the conclusion can be made that the benzene-alcohol extractives have significant contribution to the fractal geometry of internal wood surfaces. Lignin also has influence on the fractal geometry, but this influence is very small while compared with that of the extractives. Moreover, the Dfs values calculated from adsorption isotherms are bigger than those from desorption isotherms.

古代与现代柏木的水分吸附热力学比较研究

【目的】探究考古木材与现代木材在水分吸附热力学方面的不同及原因,旨在提高出土饱水木质文物的尺寸稳定性,可以为出土饱水考古木材的保护研究提供理论依据。【方法】以古代与现代柏木为研究对象,分别采用扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱表征试材的微观形貌和化学基团;利用动态水分吸附分析分别测定25和50℃下的试材吸湿和解吸等温吸附曲线,并基于Hailwood-Horrobin水分吸着理论进行拟合,结合Clausius-Clapeyron公式分别计算试材的微分吸着热Q_(S)、自由能变化ΔG及微分吸着熵ΔS,分析考古试材与现代试材在吸附热力学量的差异。【结果】与现代木材相比,考古木材的细胞壁腐朽明显,产生大量细胞壁孔洞,并有菌丝体的存在。考古木材纤维素、半纤维素降解严重,而木质素相对含量升高,且极性基团−OH、−COOH含量减少。在一定温度下,考古木材的平衡含水率大于现代木材,而Q_(S)、ΔS值均低于现代木材,并在含水率5%处产生拐点,该拐点对应单分子层吸着水达到饱和;另一方面,考古木材和现代木材的ΔG值差异不大;考古木材在吸湿平衡态下Q_(S)、ΔG、ΔS值小于解吸平衡态的值。【结论】考古木材在经历长时间腐蚀后,细胞壁结构产生腐朽;与现代木材相比,考古木材纤维素、半纤维素降解程度最大,考古木材对水分的吸着减少;考古木材的吸湿性大于现代木材,而热力学值偏低;考古木材存在热力学吸湿滞后现象。

ACQ-D防腐处理对速生杨木力学性能和等温吸着特性的影响

采用满细胞浸渍的处理方法,对速生杨木进行氨溶季铵铜药剂防腐改性。对改性前后材料的基本力学性能和等温吸着特性进行测试与分析。结果表明:试验范围内防腐处理对材料的力学性能影响不显著;采用Nelson方程可以较好地表征速生杨木及其氨溶季铵铜防腐改性材的吸着特性,氨溶季铵铜防腐处理对材料的吸着特性影响不显著。

高温热处理木材吸湿特性

【目的】研究高温热处理对人工林樟子松、杉木、美洲黑杨木材平衡含水率和吸湿特性的影响,为科学评价热处理木材吸湿特性提供理论基础,为人工林木材高附加值利用和实际高温热处理木材生产提供参考。【方法】以水蒸气为保护介质,设定180、200和220 ℃3个温度进行高温热处理,采用双室温、湿度控制法,在25 ℃环境中以8种不同类型饱和盐溶液精确控制水蒸气相对湿度进行等温吸附试验,运用Hailwood-Horrobin模型拟合等温吸附曲线,分析高温热处理对木材水蒸气等温吸附曲线线形、平衡含水率、单层分子吸附水和多层分子吸附水的影响。【结果】 180、200和220 ℃处理后,试样吸湿平衡含水率均值相当于素材含水率均值的80%、70%和50%左右;3个树种素材试样和高温热处理材试样均表现为第2类等温吸附曲线形态特征,Hailwood-Horrobin模型能够较好拟合不同树种素材和高温热处理材等温吸附曲线,不同热处理条件试样等温吸附曲线的拟合度均高于0.980 0,处理温度越高,等温吸附曲线越接近直线;高温热处理后代表含有单位摩尔数吸附位的绝干木材质量参数( W )显著增加,不同相对湿度下高温热处理材的单层分子吸附水和多层分子吸附水含量也随之降低;180、200和 220 ℃处理后,木材试样单层分子吸附水含量相较于素材下降20%、30%和50%左右,高温热处理对多层分子吸附水含量影响规律与之相近;高温热处理后单层分子吸附水、多层分子吸附水和吸附水总量的最大值相较于素材明显下降,且处理温度越高,下降幅度越大。【结论】高温热处理可明显降低3个树种试样的吸湿平衡含水率,且处理温度越高,平衡含水率下降幅度越大;高温热处理会一定程度影响木材等温吸附曲线线形,Hailwood-Horrobin模型可用于描述高温热处理材等温吸附曲线,且拟合度较高;高温热处理可明显降低3个树种试样等温吸附过程单层分子吸附水和多层分子吸附水含量,且处理温度越高影响越明显,单层分子吸附水和多层分子吸附水最大含量均明显降低,进而影响吸附水总量最大值。

高温热处理对欧洲云杉和花旗松吸湿特性的影响

研究了高温热处理对欧洲云杉和花旗松平衡含水率及吸湿特性的影响。采用水蒸气作为保护介质,设定160,180,200和220℃4个温度条件下进行高温热处理2 h,以双室温、湿度控制法获得等温吸附曲线,并采用GAB模型拟合,分析高温热处理对木材水蒸气等温吸附曲线线型、平衡含水率、有效比表面积的影响。结果表明:高温热处理可以显著降低2个树种试样的吸湿平衡含水率,处理温度越高,平衡含水率下降值越明显,220℃处理后试样的平衡含水率相较于未处理材的平衡含水率下降可达40%以上;利用GAB吸附模型能够较好地描述高温热处理欧洲云杉木材和花旗松木材的等温吸附过程,等温吸附线拟合度较高(拟合度决定系数均高于0.98)。高温热处理并未改变木材等温吸附线的线型,高温热处理试样和未处理试样均呈现第2类等温吸附曲线特征,但热处理会影响等温吸附曲线斜率;高温热处理后2个树种试样的有效比表面积显著降低,处理温度越高,有效比表面积下降值越明显,且试样高温热处理后比表面积相较于素材的下降比例与平衡含水率受高温热处理的影响相近。本研究可为热处理木材吸湿特性科学评价及实际高温热处理木材生产提供参考。

基于时域核磁共振技术的木材吸湿过程研究

木材吸湿会对其力学性能和尺寸稳定性产生影响,深入了解木材吸湿过程中水分状态的变化有重要意义.利用时域核磁共振(TD-NMR)技术,以美国黄杨木和红橡木作为研究对象,对木材吸湿过程中水分状态和弛豫特性进行研究.结果显示:吸湿过程的前4h,两种木材试件结合水峰面积迅速增大,自由水峰面积无明显增长,说明在吸湿初期,增加的水分主要以结合水为主;在达到吸湿平衡后,红橡木试件内自由水峰面积约为黄杨木试件内自由水峰面积的2倍,这是由于与黄杨木相比,红橡木管孔孔径较大,因此在吸湿过程中,红橡木的自由水吸湿速度较快,吸湿量大于黄杨木.

水分周期性作用下木材的动态吸着和干缩湿胀

为了考察水分周期性作用下木材的动态吸着与干缩湿胀行为,将20mm(T)×20mm(R)×4mm(L)和20mm(T)×20mm(R)×10mm(L)的杨木(populus euramericana Cv)试材置于25℃,相对湿度在45%与75%之间正弦变化的环境中,分别在1、6和24h3个周期下测定了多个循环过程中试材含水率和弦、径向尺寸的变化情况。结果表明,试材的含水率及尺寸亦呈正弦变化趋势,但是二者在相位上均滞后于相对湿度的变化;随着周期的增加,含水率及尺寸的振幅有所增加,相位滞后有所下降,而试材厚度的增加具有相反的作用;在动态条件下,试材亦存在吸湿滞后和膨胀滞后,其水分吸着系数和湿度膨胀系数与周期正相关,与试材厚度负相关;前期研究基于针叶材提出的动态吸着模型,对于阔叶树种及不同的试材厚度,均获得了良好的模拟效果。

木材的水分吸着和干缩湿胀——从静态到动态的研究

较系统地介绍了木材的水分吸着和干缩湿胀从静态到动态研究的发展历程,并归纳了有关恒定温、湿条件和湿度循环条件下及湿度循环过程中3个阶段木材水分吸着和干缩湿胀的研究成果及存在的问题,同时对今后需要研究的课题进行了讨论。旨在帮助木材科学工作者对该领域的研究进行较全面的了解,并希望他们能够从中得到启迪和借鉴,把这方面的研究工作提到一个更新、更高的层次上。

木质包装材料对溴甲烷和硫酰氟吸附的初步研究

在 1 0℃和 2 1 1℃条件下 ,松树和杨树对溴甲烷的吸附量大于柳树 ,杨树对硫酰氟的吸附量大于松树和柳树。随着温度的提高 ,3种木材对溴甲烷的吸附量减少 ;然而杨树对硫酰氟的吸附量在 2 1 1℃条件下比 1 0℃大。

超高温热处理对水曲柳板材尺寸稳定性的影响

分别采用窑式常压和罐式带压过热蒸汽对水曲柳板材进行超高温热处理,研究了两种热处理方式对木材平衡含水率、尺寸稳定性、吸湿滞后及干缩系数的影响,分析了两种热处理方法使木材稳定性提高的原因。结果表明:两种热处理均可降低木材的平衡含水率,但罐式带压热处理可以更有效地降低木材在使用中的平衡含水率,减小木材使用环境的相对湿度变化对木材含水率的影响,降低木材干缩系数,更有利于提高木材的尺寸稳定性。提高处理温度可以减小热处理材的吸湿滞后,罐式带压热处理材比窑式常压热处理材的吸湿滞后小。

基于拉曼光谱分析的热处理松木吸湿机理研究

木材热处理可以显著降低木材的吸湿性,是提高其尺寸稳定性的有效改性方法。以南方松热处理材和对照材为试材进行动态水蒸气吸附试验,并借助拉曼光谱对两种试材的化学组分进行比较,探索热处理对木材吸湿性能的改性机理。结果表明:在本试验条件下,热处理不仅降低了木材的吸湿量,也改变了其吸湿特性,表现为热处理材平衡含水率变化率的降低和吸湿滞后性的增强。在实际应用中,这表明热处理材即使在环境湿度变化较大的情况下也能保持较好的尺寸稳定性。拉曼光谱分析表明,木素的结构变化是热处理材形成其吸湿特性的主要内在原因之一。热处理后木素在细胞壁中的相对含量有所上升,结构发生了重组,使木材细胞壁结构变得更加稳固而缺乏弹性,对木材的吸湿和平衡起到了阻滞作用。

真空热处理人工林落叶松木材吸湿性变化机理研究

热处理是一种环境友好型的木材改性方法,可提高木材的耐腐性和尺寸稳定性。研究以落叶松木材为试验材料,在处理温度200℃的条件下,对其进行了不同时间的真空热处理。利用动态水蒸气吸附(DVS)对热处理前后木材吸湿性的变化进行了表征,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析了热处理前后木材化学组分和结构变化,通过化学变化分析阐明了热处理木材吸湿性变化的作用机制。结果表明:真空热处理落叶松木材的平衡含水率降低,热处理木材的平衡含水率随热处理时间的延长呈逐渐下降的趋势。结合红外光谱和光电子能谱发现,热处理后木材纤维素和半纤维素等化学成分发生降解,木质素发生交联缩合反应,使得吸湿性基团含量减少,碳元素与氧元素含量发生变化,氧碳比降低,从C原子的结合形式来看,热处理材的C1含量增加,C2和C3含量降低,这些化学变化使得热处理材的吸湿性降低。此外,真空热处理未破坏木材的结晶结构,木材的相对结晶度随真空热处理时间的延长而增大,结晶度的增大减少了纤维素分子链上吸水性基团的数量,从而降低了木材的吸湿性。

粗皮桉木材热处理位置对吸热量及升温速度的影响

对粗皮桉Eucalyptus pellita木材采用辐射加热的方式进行真空热处理，研究处理温度及不同测试位置，包括板厚、长度及宽度位置因素，对木材板内单位质量吸热量（Qm）及平均升温速度（VTmean）的影响，用方差分析判定影响真空热处理过程的主要参数，以最小显著差法（LSD）多重比较分析其影响程度。结果表明：影响Qm及Ⅳ‰的主要因素为热处理温度及板材厚度，端距、侧距的影响不大；随热处理温度升高、板材厚度的增加，Qm及VTmean增大，当板材厚度差在20 mm以上时，Qm及VTmean在0．05水平上差异显著，采用真空热处理时需考虑由厚度造成的传热不均问题。若以吸热量衡量热处理效果，在120-240℃的温度段处理，可满足较广泛的热处理效果差异需求。

脱除部分化学成分杨木的动态水分吸着行为

【目的】考察木材主要化学成分对其在动态条件下水分吸着行为的影响,以获得动态条件下化学成分之间相互作用的信息,为解析木材的吸着和变形行为提供理论依据。【方法】以40~60目的杨木木粉为研究对象,对试材分别进行脱抽提物、脱半纤维素及脱matrix(木质素和半纤维素)处理,并采用X射线衍射(XRD)检测脱化学成分处理对试材的影响。将未处理材和各化学处理材分别置于温度为25℃、相对湿度在45%~75%之间正弦变化(周期1 h、6 h和24 h)的环境中,测量试材含水率变化情况,并利用傅里叶法对相对湿度及各试材的含水率变化进行拟合分析。【结果】1)XRD测试表明,化学处理材纤维素结晶区常用衍射峰的位置没有发生变化,脱抽提物材、脱半纤维素材和脱matrix材的结晶度分别为36.4%、41.3%和48.5%;2)在动态条件下,傅里叶法对不同周期下的相对湿度及各化学处理试材的含水率变化均获得了良好的拟合效果;3)各试材的动态等温吸附曲线由多个连续的椭圆形相互叠加而成,可以明显地观察到吸湿滞后现象,滞后率在0.881~0.955范围内;4)当相对湿度循环周期足够长时,未处理材、脱抽提物材、脱半纤维素材和脱matrix材的水分吸着系数分别是0.090 8、0.094 8、0.089 2和0.087 4,仅为静态条件下水分吸着系数的1/2左右。【结论】1)在化学处理过程中,木材的半纤维素被脱除,而纤维素的结晶结构没有受到破坏;2)随着相对湿度的正弦变化,各处理材的含水率也呈正弦变化,在相位上滞后于相对湿度的变化,且随着时间的延长逐渐趋于稳态;3)随着周期的延长,试材的振幅和水分吸着系数均有所增加,相位滞后有所下降;4)将各化学处理材进行比较,对于任一周期下,脱抽提物材的振幅和水分吸着系数最大,其次分别是未处理材、脱半纤维素材和脱matrix材。

非均匀结构花旗松热处理材的制备及性能评价

以花旗松为试材,采用平板加热工艺在温度为180、220℃条件下进行热处理,使试材表层温度达到160℃而芯层温度控制在150℃内,制备一种具有非均匀结构的新型热改性材,并探讨热处理材表芯层吸湿性能及化学组分差异。结果表明:平板加热法可以在木材断面形成层次分明的非均匀结构,试材含水率水平是影响表芯层差异的主要因子,初含水率3.8%木材表芯层温差显著小于初含水率为15.0%试材;动态水蒸气吸附试验表明,处理材表层吸湿性低于芯层,且在高湿条件下两者差异更加显著,试材表面形成了一层低吸湿性外壳;红外光谱分析及X射线光电子能谱分析表明,热处理后表层半纤维素发生降解,木质素质量分数增加,是试材表层吸湿性降低及断面层次结构形成的内在原因。

微波处理对樟子松木材等温吸湿特性的影响

以樟子松木材为对象,使用动态水分吸附仪,借助GAB模型分析微波处理对樟子松试材的等温吸湿特性影响。结果表明,GAB模型能够很好地描述樟子松微波处理材的等温吸湿特性,微波处理没有改变木材等温吸湿曲线线型;微波处理后樟子松木材平衡含水率下降,单层分子饱和吸附量和有效比表面积降低,表明微波处理可以降低樟子松木材的吸湿性能。在低初含水率或高微波功率密度条件下,木材平衡含水率变化量较大,且早材的平衡含水率降幅大于晚材,说明微波处理对早材细胞壁的影响较大。

热处理西加云杉音板用材性能研究

为考察热处理对木材声学性能的调节作用,采用160℃常压过热蒸汽对西加云杉(Picea sitchensis)音板用材分别处理0.5、1.5、2.0 h,测试分析热处理材的声学性能、吸湿性和颜色,并采用动态热机械分析对木材黏弹性和改性机理进行探讨。结果表明:热处理提高了木材的声学性能,与未处理材相比,热处理材的比动态弹性模量提高了30.4%~36.4%,声辐射品质常数提高了19.1%~22.3%,声转换效率提高了44.8%~48.6%。热处理后木材的吸湿性明显下降,有助于提高和稳定木材的声学性能,而热处理材的外观则呈现近似天然老化木材的特征。

热处理辐射松吸湿解吸等温线的测定与分析

为了筛选出适合新西兰辐射松的等温吸湿解吸模型,以新西兰辐射松板材为研究对象,经热处理温度为160,170,180,190,200和210℃,处理时间为2.0 h的热处理后,通过动态水分吸附仪研究热处理材的平衡含水率与热处理温度的关系,同时选用PEK模型及6种吸湿解吸等温线模型对平衡含水率数据进行非线性拟合并对其拟合效果进行评价,以确定最佳拟合模型及其参数。结果表明:在相同湿度条件下,热处理材平衡含水率最高为15.102%,低于对照材16.323%,相同处理温度的木材在相同湿度下,吸湿平衡含水率小于解吸平衡含水率;不同处理温度的木材吸湿解吸平衡含水率随热处理温度的升高而逐渐降低。PEK模型可以预测木材在吸湿和解吸过程中的含水率,其拟合度R^2在0.99以上。在6种吸湿解吸等温线模型中,GAB模型为最优拟合模型,可以预测不同环境湿度下木材的平衡含水率,其拟合度R^2在0.99以上。

木浆纤维素氨基甲酸酯法再生纤维素纤维的制备及性能

使用木浆粕和尿素为原料,以廉价的高沸点非质子极性溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为介质通过固液相法制备了纤维素氨基甲酸酯(CC)。以NaOH为溶剂,采用低温溶解法溶解所制备的CC,通过湿法纺丝在常规黏胶长丝装置上成功制得再生纤维素纤维(CC纤维)。采用红外光谱、X射线衍射、核磁共振、扫描电镜等对纤维进行了表征。并对纤维的力学性能和吸湿性能进行了研究。结果表明,所制备的CC纤维在力学性能和吸湿性能上较已经工业生产的黏胶和Lyocell纤维相差并不太大,后续有望通过改进纺丝工艺达到工业使用标准。因此,通过氨基甲酸酯法制备再生纤维素纤维提供了一种简便且环境友好的方法来克服传统再生纤维素生产工艺的缺陷。

不同含水率状态下木材细胞壁孔径分布变化

【目的】探究由水分所引发的木材细胞壁孔隙结构变化规律与机制,为木材的热质转移、渗透性以及木材改性提供理论指导。【方法】将杨木和杉木分别制成5 mm(径向)×5 mm(弦向)×1 mm(轴向)的木片,基于氮气吸附法、差示扫描热孔计法考察试样在绝干状态、气干状态、纤维饱和状态和饱水状态4种典型水分状态下的孔径分布、比表面积、孔体积等特征参数,并对比不同状态和不同树种间的孔隙结构差异。【结果】木材细胞壁孔径大多在10 nm以下,尤其以4 nm以下为主,10 nm以上孔隙相对较少;随着含水率的提升,木材细胞壁孔径分布曲线显著升高,从气干状态到纤维饱和状态,杨木和杉木的孔径分布最大值分别增加了52.73%和58.62%,而从纤维饱和状态到饱水状态,两者分别增加了435.24%和470.43%。【结论】在木材由绝干状态逐渐吸湿,以及吸水至饱水状态的过程中,木材细胞壁孔隙体积呈明显增大趋势。在木材达到饱水状态后,细胞壁孔隙体积增大至极限,但由于自由水的冰点下降,其在−2℃左右产生大量吸热信号进而干扰测量结果,故此时差示扫描热孔计法所测得的孔径分布参考范围有限。不同树种间孔隙分布差异不明显。