微观力学表征技术的发展及其在木材科学领域中的应用

微观力学表征技术是表征材料微纳米力学性能的重要技术手段,目前已被广泛用于表征材料的超微构造和解析材料的力学行为。随着材料科学研究尺度缩小,微观力学表征技术逐步从纳米向超纳米、从分子向超分子甚至粒子水平发展。按照试样信息的不同方式,微观力学表征技术主要包括纳米力学测试技术(探针技术)和超纳米力学测试技术(显微镜技术);其中,纳米力学测试技术包括准静态纳米压痕技术、动态纳米压痕技术和动态模量成像技术,超纳米力学测试技术包括原子力显微镜技术和基于原子力显微镜技术的新型微观力学表征技术。木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料,其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成。细胞壁是决定木材和木质纤维材料性能的主要因素,是木材的实质承载结构;细胞壁的力学性能是由壁层结构、化学组成的分布与结合方式决定的。开展木材和改性木材细胞壁纳观尺度的力学性能、分布及影响对实现木基复合材料的高效设计具有重要意义。自Wimmer等首次将纳米压痕技术应用于天然木材细胞壁微观力学后,国内外学者主要采取准静态纳米压痕测量技术和动态纳米压痕测量技术对不同树种木材以及化学改性和生物改性木材细胞壁的硬度、弹性模量、蠕变特性与黏弹性等力学性能进行了研究。木质材料界面作为纳米级厚度的界面相或者界面层,不仅影响木质材料的强度、刚度,而且影响木质材料的断裂韧性等。界面力学是决定木基复合材料整体力学性质的关键,是引起材料变形、强度下降的主要原因。研究界面的属性和特征对于木基复合材料整体属性的评价以及结构的优化设计有一定参考价值,研究内容涉及有胶合界面、纤维增强聚合物界面以及木制品涂层的微观力学。随着研究尺度逐渐缩小,微观力学表征技术趋向高分辨率及数据定量化,如今已能在纳米级分辨率下进行力学信息成像,为木材科学领域的研究提供了方便。微观力学表征技术在木材科学领域中的应用尚具有较大潜力,但仍有较多方向尚未涉及,还应在以下3方面展开研究:一是需要开展微观力学技术在木材科学领域应用的标准化研究,规范测试过程,确保测试结果的可靠性和一致性;二是建立木质材料宏观到微观的完整力学体系,从本质上剖析木质材料的力学行为,在纳米尺度上表征木质材料的性质和失效机制;三是随着木材科学领域研究的深入,需建立微观力学与微观化学、微观物理、微观环境学的联系,丰富木材及木基复合材料在微纳尺度的研究。

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。

《木材天然耐腐性实验室试验方法》的修订研究

为配合GB/T 13942.1-1992《木材天然耐久性试验方法-木材天然耐腐性实验室试验方法》的修订,参照美国标准,在试验菌种中增加了密粘褶菌,同时试验用培养器皿中,增加了具螺纹盖的广口圆瓶进行试验。验证试验结果表明,可在新修定的标准中补充相关的试验内容。

木材超高温热处理技术的研究及应用进展

从研究背景、生产工艺及应用前景等方面,介绍木材超高温热处理技术在国外的发展、应用及研究状况。资料表明,木材经热处理改性后,尺寸稳定性增强、平衡含水率降低,且耐候性及抗生物降解能力增强。此技术的研究及应用,对扩大人工林木材的加工利用可起到积极的促进作用。

木材湿热软化压缩技术及其机制研究进展

木材压缩是提高软质木材密度、强度和硬度,改善木材物理力学性能,扩大木材应用范围的有效方法。本文针对湿热软化下的木材压缩问题,从木材软化机制、软化特性、软化点的确定、热板加热下的传热传质特性、层状压缩的形成和压缩变形固定等方面分析木材压缩技术的研究现状、进展以及存在的问题。木材细胞壁的成分和组织构造是影响木材软化和压缩变形的主要内在因素,而湿和热则是影响木材压缩变形的外在因素。木材是一种具有弹塑性的天然高聚物。干燥木材缺乏塑性,水分和热量都能对木材组分起到增塑作用,特别是在湿热共同作用下增塑作用更加显著。木材细胞壁主要成分纤维素、半纤维素和木质素的特性及所占比例直接影响木材的可塑性,其中木质素的含量和软化特性是木材软化的主要影响因素。玻璃化转变温度和应力屈服点是表征木材软化最常用的参数。在木材弹塑性分析中,应力屈服点控制了木材在塑性区域的应力-应变关系,同时也决定了塑性变形潜能,但由于木材成分和结构非常复杂,应力-应变关系的拐点并不明显,因此应力屈服点和屈服应力的确定是木材塑性变形表征的关键点,也是一个难点。木材的组织构造主要影响木材的传热传质过程。利用木材3个断面渗透性的显著差异,通过干燥、浸水、放置、热板加热等处理,可使木材内部各个层面上形成差异显著的含水率梯度分布和屈服应力差,压缩后形成层状压缩木材。层状压缩木材压缩层的密度可达0.8 g·cm-3以上,未压缩层仍然保持原有的密度,而且压缩层的形成部位是可控的。层状压缩技术可以解决整体压缩木材损失大的问题,但目前木材压缩变形机制的研究都是围绕木材整体压缩开展的,缺乏木材软化点和屈服应力随含水率变化规律以及热板加热下木材内部屈服应力差变化规律的基础研究。要实现层状压缩的可控性,还需要在热板加热下的传热传质规律及木材湿热梯度分布的形成与调控等方面开展深入研究。

木材染色用计算机配色技术

引进瑞士Datacolor公司的DC配色系统和颜色控制系统,根据木材染色的特点,开发出木材染色用计算机配色方法和技术。配色流程包括木材试样颜色的测定、确定染色组、基础色样的制备及测定、数据库建立、配方计算和修正等。该技术计算速度快、准确度高,能够在保证配色精度的同时,计算出最经济的木材染色方案。

西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术(二)

木材干燥和防腐是古建筑维护中的重要措施,对西藏三大重点文物防腐工程中,各类木构件干燥防腐工艺、干燥防腐质量要求和质量控制措施等进行了总结,为古建筑木结构的维修和保护提供参考。

西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术(一)

西藏三大重点文物保护维修工程是我国规模较大的古建文物修缮工程。其中的防腐防虫工程是基本环节,包括三大文物建筑的木结构虫蛀腐朽勘测、腐朽虫蛀木构件的修缮和更换、木材树种选择和性能测试、木材干燥和木材防虫防腐处理等内容。对西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术的总结,将为我国古建筑木结构的维修和保护技术发展与应用提供参考。

高频、微波加热技术在日本木材工业的应用

日本从欧洲引进高频、微波加热技术后,以实用化为目的进行了大量开发研究,并在众多领域推广和应用。本文介绍了高频、微波加热处理技术的原理和方式,以及在日本木材胶合、干燥、可塑化处理、热处理等加工领域的利用现状和应用实例,分析展望了两项技术在我国木材加工领域的应用和发展前景。

木材的塑化技术及应用

木材塑化改性,可使木材转化为热塑性材料,并使木材性能得到改善。改性产物可以代替部分石油制品或用于人造板生产,有利于木材加工剩余物的充分利用,扩大木材的加工利用途径。本文总结木材主要塑化方法,如酯化、醚化的研究及应用现状,塑化产物的性能及用途,指出现存的主要问题,探讨今后木材塑化的发展方向。

木材胶合界面微观结构样品制备新方法--激光烧蚀技术

【目的】分析激光烧蚀技术对木材胶合界面样品表面及微观结构的影响,为木基复合材料样品微观结构检测等相关领域研究提供一种简单可行的样品制备方法。【方法】以柳杉木材/脲醛树脂(UF)胶合界面和柳杉木材/聚醋酸乙烯酯(PVAc)胶合界面为研究对象,采用切片制样和激光烧蚀2种方法对样品进行处理,利用扫描电镜观察处理后的样品表面及微观结构。【结果】切片制样过程中的机械切割使得样品表面出现毛刺和刀痕,细胞形态发生变化甚至破碎。柳杉/UF样品胶层发生断裂,并且胶层附近的管胞出现破碎现象,既不利于观察胶层形态,也不利于检测胶黏剂与木材细胞壁之间的结合。柳杉/PVAc样品胶层有撕扯现象,但对于观察和分析界面结构的影响程度不大。激光烧蚀样品表面出现一些木材或胶黏剂小颗粒溅射的痕迹,尤其以胶黏剂区域和晚材区域较为明显。除划痕缺陷外,激光烧蚀还会导致部分离胶层一定距离的早材管胞破碎且有碎屑残留在细胞腔内,但这些缺陷并不影响胶合界面微观结构的观察,如胶黏剂在木材细胞中的分布、胶层区域的形貌以及胶黏剂与细胞壁之间的界面相容性等。激光烧蚀方法还适用于研究不同压力下胶合界面微观缺陷的变化规律,随着压力增加,柳杉/UF胶合界面上的胶层孔洞以及胶黏剂与木材细胞壁之间的缝隙数量逐渐减少,尺寸逐渐减小,但当压力增至1.2 MPa时,木材细胞壁开始出现细微裂纹,胶黏剂与细胞壁之间也开始出现裂隙。【结论】与切片制样方法相比,激光烧蚀方法不需任何预处理,并且对样品尺寸没有限制,所耗时长与样品尺寸及其密度呈正比,适用性广,可为其他木基复合材料胶合界面微观结构的研究提供技术支持。

我国高性能重组木材料制备技术开发与应用及未来发展

在总结回顾我国高性能重组木材料的开发历程、研发进展和生产现状的基础上,提出了高性能重组木今后的研究方向和重点内容及未来重组木材料产业的发展建议。

国内外木材防腐新技术的开发与应用

对国内外木材防腐技术的研究动态、轻有机溶剂型木材防腐剂(LOSP)处理工艺、新防腐剂以及处理工艺的开发与应用进行了概述,并对国内的木材防腐工业发展提出建议。

桉树木材的浸渍增强热处理技术

木材热处理是当前木材改性的发展方向。木材经热处理后,其平衡含水率下降,耐久性及尺寸稳定性增加,但力学强度有所下降,在很大程度上限制了热处理木材的应用范围。采用先经三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)浸渍,再进行热处理的工艺,不但处理材的尺寸稳定性改善,而且其力学强度与素材相比无降低,甚至略有提高。

木材柔性真空干燥技术的发展与应用

介绍国内外木材柔性真空干燥技术的研究进展和应用现状,在分析现存问题的基础上,提出完善柔性真空干燥技术的建议,以期解决珍贵木材、大规格材、异型材等的干燥难题,实现这些木材的高质量、快速干燥。

木材声学-超声波分等检测技术及工业应用

介绍了在应力波-超声波技术基础上发展起来的木材声学-超声波分等检测技术。通过测量超声波的传播速度以及一定时域内的传播能量,建立关系模型,对木材的抗弯弹性模量(MOE)和抗弯强度(bσ)进行评估。该技术可在木结构建筑设计、木结构建筑现场调查、森林质量控制和管理等领域广泛应用。

基于RS-232的触摸屏技术在实验压机上的应用

介绍了基于RS-232的触摸屏与基于ATmega128的实验压机控制器通过串口通信实现对实验压机整个自动过程进行设置与监控的方法,使木材加工中的热压过程输入与显示更加简单明了,摆脱了上位计算机、下位机与执行部件之间繁琐的控制模式,将触摸式液晶屏直接嵌入到实验压机的控制柜上,实现实验压机的高度集成化。

木材微波预处理技术研究进展

对木材微波预处理技术的原理和特点进行了综合评述,回顾了近年来国内外木材微波预处理技术的研究进展,分析了该领域中存在的不足,并对该技术在我国的应用前景进行了展望。

国外木材热处理工艺进展及制品应用

就目前国外常用的几种热处理工艺,分别对其工艺路线、工艺参数和其产品的性能及应用进行阐述。对比化学方法处理的浸渍材而言,热处理后的木材产品更加符合环保要求。采用热处理工艺来处理我国人工林木材,不但可以有效提高其尺寸稳定性、耐候性和防虫性等,而且还能拓宽人工林木材的使用领域。木材热处理将是我国木材工业未来发展的重要方向。

高温热处理对毛白杨木材化学成分含量的影响

以毛白杨人工林木材为研究对象,采用蒸汽介质热处理方法,在氧气含量低于2%的密闭干燥箱内进行木材热处理,研究了处理温度170～230℃、处理时间1～5h的热处理条件下,木材的化学成分含量及成分变化。结果表明:随着处理温度的提高和处理时间的延长,综纤维素和α-纤维素含量降低,而木质素含量表现出增加的趋势;处理温度比处理时间对毛白杨化学成分含量的影响更显著;综纤维素和α-纤维素含量发生显著变化的临界温度为200℃,处理时间为2h。另外,采用傅立叶红外变换光谱分析木材主要组分变化的原因,发现表征木材纤维素和半纤维素的官能团特征吸收峰强度减弱,而表征木质素的官能团特征吸收峰强度增强。采用多元回归分析方法,建立了毛白杨木材综纤维素、α-纤维素、木素含量损失率与处理温度、处理时间之间的数学回归模型,其决定系数均在0.9以上,在0.01水平上显著相关。可见,该模型可以预测出不同处理条件下热处理材化学成分含量的变化。