木材细胞壁结构及其流变特性研究进展

木材流变学主要研究木材在应力/应变、温度、湿度等条件下与时间因素有关的变形规律和机制,以研究木材的黏弹性为主要内容。木材发生形变时,其实质承载结构是细胞壁,细胞壁的壁层构造和化学组分对其黏弹行为有显著影响,深入了解木材细胞壁结构及黏弹性质对于实现木纤维/塑料复合材料和制浆造纸工艺的高效设计具有重要意义。本文围绕木材细胞壁S2层超微构造和细胞壁化学组分2个方面对细胞壁结构进行阐述,归纳S2层微纤丝角和化学组分对木材细胞壁黏弹行为的影响规律,并从分子水平上解释其作用机制,总结动态力学分析技术和纳米压痕技术在研究木材细胞壁结构与黏弹性之间关系上的具体应用。木材细胞壁的黏弹性受壁层构造的复杂性、化学组分的多样性和外部环境条件等多种因素影响,并且各因素之间存在一定的交互作用。因此,建议今后从以下几个方面开展研究:1)解明木材细胞生长过程中的微纤丝取向、纤维素结晶区与非结晶区比例的分子控制机制;2)阐明木材细胞壁次生壁Matrix的空间组织排列方式、纤维素聚合体与Matrix之间相互作用的力学行为表达;3)揭示木材细胞壁中半纤维素的含量、种类以及木质素类型对细胞壁黏弹性的影响机制;同时将环境外因(温度、湿度)和载荷类型(静态/动态、拉/压/弯)纳入研究体系,系统揭示"湿-热-力"协同作用下木材细胞壁的机械吸湿蠕变行为规律和响应机制;4)联合运用多种测试技术手段,并引入相关学科的研究方法及理论模型,如有限元法及复合材料的研究方法,构建可以解释木材细胞壁黏弹特性的物理和数学模型。     

木材蠕变模拟研究概述

综述树种和材性变异、应力水平、温度、含水率等因素对木材蠕变的影响,介绍分析含水率稳定和变化条件下木材蠕变模拟预测等方面的研究进展情况.我国木材蠕变特别是木材的机械吸附蠕变研究尚缺乏系统性,应综合考虑不同的影响因素对木材蠕变进行充分研究,以建立不同条件下木材蠕变预测的模型,为国内木材蠕变研究及木结构建筑的安全和可靠性设计提供基础.     

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。     

竹材横纹热压流变学性质的研究

以毛竹为对象,研究了在不同应力水平及不同温度、含水率下竹材横纹压缩的蠕变特性。实验结果表明,竹材横纹压缩蠕变组分与含水率、温度、应力水平密切相关;当压应力在屈服极限以下时,竹材横纹压缩蠕变的三种组分总量均与压应力、温度和含水率成正比,但温度和含水率的升高会使弹性组分的比量下降、粘弹性和粘性组分的比量增大。     

宽温度含水率域桦木横纹拉伸蠕变研究

木材受力会蠕变变形,在实际使用过程中,其蠕变变形往往受环境温度和湿度的双重影响。而精确控制试件含水率一直是研究难点。通过对试件包裹耐高温薄膜(PVDC)并采用带湿度附件的DMA精准控制试件含水率,在宽温度范围内对宽含水率范围的桦木(Betula pendula)进行了横纹拉伸蠕变性能研究。结果表明:桦木横纹拉伸蠕变的瞬时柔量和蠕变柔量均随着温度和含水率的变大而增大,在高温高含水率条件下与低温低含水率条件下有数量级之差。在一定温度和一定含水率水平组合下,桦木横纹拉伸蠕变存在突增的现象,这一现象与玻璃化转变温度有关。温度和含水率对于桦木横纹拉伸蠕变起着一种复杂的交互作用。     

木材流变学特性对板材常规干燥开裂、变形的影响

简述了木材干燥应力数学模型的研究背景,建立了木材常规干燥的干燥应力应变数学模型,模型主要考虑了干燥收缩应变、弹性应变、黏弹性蠕变应变和机械吸附蠕变应变四种因子.通过干燥应力应变数学模型与干燥扩散数学模型的联合分析求解,可以解释板材物理力学特性(如干缩率、含水率、干缩各向异性、横纹静曲弹性模量等)对干燥应力、干燥应变的影响,分析干燥应力的产生、发展和释放的机理,为科学制订木材干燥工艺提供理论依据.     

γ射线辐射杉木压缩木材的固定和蠕变(英文)

为了探讨木材压缩变定固定的机理 ,该研究对杉木压缩木材进行γ射线辐射处理 ,射线辐射剂量分别为 0 (作为对照试材 ) ,10 3 ,5× 10 3 ,10 4 ,5× 10 4 ,10 5,5× 10 5,10 6,5× 10 6Gy ,然后测定和讨论了γ射线辐射杉木压缩木材的重量损失率、平衡吸湿含水率 (EMC)、吸湿回复率 (RSA)和吸水回复率(RSW )、绝干状态下和吸湿解吸过程中的蠕变。该研究表明 :γ射线的辐射剂量对杉木压缩木材的重量损失率、EMC、RSA、RSW有重要的影响 ,当辐射剂量超过 10 6Gy后 ,试材的重量损失率和EMC显著增大 ,RSA和RSW显著下降 ;另外 ,随着γ射线辐射剂量的增大 ,绝干状态和吸湿解吸过程中杉木压缩木材的瞬时柔量和蠕变柔量均呈增大趋势 .从该研究结果可以推测 ,当γ射线辐射剂量较大时 ,特别当辐射剂量在 5× 10 6Gy左右时 ,杉木压缩木材的细胞壁中发生了降解反应或非结晶化反应 .而且 ,该研究证明了压缩木材细胞壁主成分发生的降解反应能够使木材压缩变定得到一定程度的固定     

木材细胞壁与木材力学性能及水分特性之间关系研究进展

阐述了木材细胞壁微纤丝角、结晶度、纹孔和化学组分等对木材力学性能的影响规律,针对木材的水分特性重点归纳了纹孔和抽提物对木材渗透性的影响机制,并对未来细胞壁微观研究发展趋势进行了总结,旨在为木材细胞壁相关研究提供借鉴。     

白橡热压干燥材等温吸湿特性研究

以白橡热压干燥材为研究对象,利用动态水分吸附仪研究了不同热压温度干燥处理后白橡木材和未处理对照材的等温吸湿特性,并采用H-H模型拟合;分析热压干燥对木材吸湿特性的降低机理。结果表明:白橡木材等温吸湿线皆为IUPAC Ⅱ型等温吸湿线。在任意相对湿度下,热压干燥材平衡含水率均明显低于对照材,且热压温度越高,平衡含水率降低越明显。H-H模型对白橡木材等温吸湿数据表现出良好的拟合效果。单分子层和多分子层含水率降低共同作用使得热压干燥材吸湿性降低,且相对湿度越高,多分子层水的减少对吸湿性的降低作用越大。与对照材相比,热压干燥材(140、150 ℃和160 ℃)的纤维饱和点推测值分别降低8.89%、11.76%和13.62%。白橡热压干燥材吸湿性降低机理主要为游离羟基等亲水基团含量减少和细胞壁刚度增加等。     

不同纹理方向栎木微小无疵试样板材蠕变特性

【目的】考察高温高湿环境下不同锯切方向栎木板材的弯曲蠕变行为,为湿热条件下翘曲栎木板材展平整直工艺提供参考。【方法】制备4种不同锯切方向栎木试样(分别对应弦切板纵向、径切板纵向、径切板横向和弦切板横向),利用DMA-Q800型动态热机械分析仪测定不同锯切方向栎木试样在不同温度下的蠕变曲线,采用Burger模型和广义Kelvin模型对栎木短期蠕变曲线进行拟合,分析锯切方向对栎木试样各蠕变参数的影响,并对不同取向栎木板材蠕变特性进行评价。【结果】在70~90℃范围内,不同取向栎木板材蠕变和蠕变恢复均随温度升高而增大。在相同应力作用下,径切板纵向蠕变大于弦切板纵向蠕变,而径切板横向蠕变小于弦切板横向蠕变。Burger模型和广义Kelvin模型都可以较好地模拟栎木短期蠕变过程,Burger模型相关系数(R~2)大于0.90,广义Kelvin模型相关系数(R~2)大于0.99。在试验范围内,相同含水率下栎木试样的普弹模量和本体黏度均随温度升高而降低。在单个滞后时间的Burger模型拟合中,滞后时间随温度升高而增加,90℃时达到最大,栎木在90℃时最接近理想黏性体。不同锯切方向栎木板材本体黏度依次为弦切板纵向径切板纵向径切板横向弦切板横向。【结论】升高温度可以降低栎木本体黏度,随温度升高栎木更易产生黏性形变;栎木板材横向相比纵向更易发生黏性形变;在板材纵向,径切板相比弦切板易发生黏性形变;在板材横向,径切板相比弦切板更难产生黏性形变。     

含水率对木材细胞壁黏弹性性能影响研究北大核心

采用纳米压痕静态和动态分析技术,研究了不同含水率马尾松木材的蠕变性能及动态黏弹性。首先在不同环境条件下调节样品含水率,分别为绝干、5.8%、11.2%和20.1%,然后利用纳米压痕技术测试木材的蠕变性能,并利用伯格斯模型,研究木材细胞壁静态黏弹性性能对水分的依赖关系。根据试验结果计算蠕变柔量,在含水率为20.1%、11.2%、5.8%和绝干时,其保载阶段最后蠕变柔量分别为0.638、0.472、0.387 GPa;和0.325 GPa;。最后,利用纳米压痕动态分析技术,获得木材细胞壁动态黏弹性性能。结果表明:随着含水率降低,细胞壁储存模量逐渐增加,而损耗模量逐渐下降。     

木材横纹压缩应力-应变关系及其影响因素研究进展

木材横向压缩下应力-应变关系对压缩材料热压工艺的设计和最终产品的物理力学性能有着重要的影响。从木材横纹压缩应力-应变关系和屈服点的确定入手,重点阐述从微观到宏观角度的木材自身组织构造特性,以及压缩工艺参数中温度、含水率等因素对木材横纹压缩应力-应变关系的影响,并对今后木材横纹压缩技术研究方向提出了建议。目前木材横纹压缩变形机制的研究多是围绕木材整体压缩开展,缺乏木材应力-应变关系随木材自身特性及含水率、温度交互作用变化规律的系统研究,以及湿热状态下层状压缩木材内部屈服应力差形成机制的研究。要实现层状压缩木材压缩层位置和厚度的可控性,需要在准确确定木材屈服点和掌握木材应力-应变关系的湿热响应规律的前提下,科学构建适用于湿热条件下木材层状压缩应力-应变关系模型。     

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。     

木材的低温膨胀与冷冻收缩

当木材细胞腔中的水分(自由水)、蒸发完毕,而细胞壁中的水分(吸附水)达到饱和状态时木材的含水率称为纤维饱和点。纤维饱和点是木材材性的转折点,并因树种不同和温度的改变而变化。当湿木材由室温冷至水的冰点时,木材的纤维饱和点m_f增高,导致木材膨胀。其原因是,木材细胞壁中水的蒸汽压p随着温度的降低比液态水的饱和蒸汽压p。的降低来得迅速,即p相似文献   

玉米秸碎料无胶模压成型蠕变特性初探

研究了玉米秸碎料无胶模压成型过程中温度、压力和碎料含水率等工艺因素对其蠕变特性的影响,试验结果显示:3个因素均对玉米秸碎料模压成型蠕变特性有显著影响;模压温度120℃、压力5.6 MPa和碎料含水率12%时,玉米秸碎料的压缩蠕变量最大.     

杉木正交异向蠕变行为的时温等效性

【目的】探究时温等效原理在杉木正交异向蠕变行为中的适用性及其特点。【方法】以含水率约0.6%的杉木木材为研究对象,采用动态热机械分析仪DMA 2980,在30～150℃范围内,基于一系列20 min蠕变试验分别获得3个应力水平和不同恒定温度水平下杉木轴向、径向和弦向的蠕变曲线。将其他温度下的蠕变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30℃)曲线,生成一定时间范围内的蠕变主曲线。分析形成主曲线相邻分曲线叠合处的应变量以及应变量斜率是否相同,判定主曲线是否光滑。利用最小二乘拟合法,运用WLF方程和Arrhenius方程对水平移动因子与温度的关系曲线进行拟合。【结果】蠕变应变量随应力水平或温度水平增大而增加;不同方向试样的应变量之间存在明显差异:轴向试样的应变量显著低于横向(弦向和径向)试样,弦向试样的应变量约为径向试样的2倍;叠合生成主曲线时,径向和弦向试样仅使用水平移动因子即可生成光滑的蠕变主曲线,主曲线跨越的时间由103s延长至107s;轴向试样仅通过水平移动因子无法生成光滑的蠕变主曲线,经垂直移动因子修正后的各轴向蠕变曲线能够叠合出光滑的主曲线,与未经垂直移动因子修正的蠕变主曲线相比,其跨越的时间由约105s降低至约104.5 s;三方向试样水平移动因子与温度关系曲线在30～150℃内满足WLF方程,标准误差小于13.41%。【结论】时温等效原理在30～150℃范围内描述木材正交异向蠕变行为是适用的;轴向试样蠕变行为时温等效的构建需通过水平移动因子和垂直移动因子的共同作用,而径向和弦向试样仅使用水平移动因子即可使得时温等效原理适用;三方向试样蠕变主曲线水平移动因子与温度的关系曲线均满足WLF方程。     

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。     

木材吸湿机理及其应用

木材是一种多孔性、吸湿性和各向异性的天然高分子材料,水分影响着木材多方面的性质。文中从木材组分的角度综述了木材对水分的吸湿机理,介绍了木材对水分吸附的基本理论,解释了木材吸湿滞后现象的基本原因;在上述基础上评述了降低木材吸湿性的基本方法及其实现原因,还分析了机理应用方面存在的不足以及测试方法的不统一,并对未来研究趋势进行了展望。     

高温过热蒸汽处理木材的吸湿解吸特性

以日本柳杉为试材,经温度为140,160,180℃,相对湿度为0,60%,100%过热蒸汽处理后,考察并分析其在不同环境温度和相对湿度条件下的吸湿解吸特性和吸湿滞后现象.结果表明:高温过热蒸汽处理木材的水分吸着等温线的类型没有发生变化;吸湿、解吸过程中,在同一环境湿度下,高温高湿处理后木材的水分吸着量低于低温处理后木材的水分吸着量;水分吸着量随处理木材温度和相对湿度的增高呈减少趋势;处理前后的木材均有吸湿滞后现象;高温高湿处理后木材的吸湿滞后现象比低温条件处理木材的吸湿滞后现象明显.     

早材管孔分布对环孔材栎木蠕变特性的影响

在采用生物图像软件(IPP 6.0)表征环孔材栎木横切面管孔组织比量与分布特性的基础上,探究不同温度条件下早材管孔分布对环孔材栎木板材弯曲蠕变行为的影响,利用Burger模型和五参数模型对其蠕变特性进行模拟预测,为木材弯曲加工成型、木质材料热压成型和木结构设计提供参考。利用动态热机械分析仪测试不同温度条件下环孔材栎木试样(试样A为早材管孔带位于试样中部的木材试样、试样B为对照组-无早材管孔带木材试样)的应变曲线,并采用Burger模型和五参数模型对环孔材栎木蠕变应变曲线进行预测模拟,分析温度作用下早材管孔带对环孔材栎木试样蠕变特性的影响。结果表明:所有试样的应变均随温度的升高而增大,且试样A的应变大于试样B,说明早材管孔带的存在一定程度上增大了环孔材栎木的蠕变应变。此外,在20～50℃温度范围内,试样A相对于试样B的应变增量随着温度的升高而增大;而在50～80℃温度范围内,对应的应变增量随着温度继续升高而减小。Burger模型和五参数模型对于模拟预测环孔材栎木的蠕变行为都具有较好的效果,并且Burger模型拟合的决定系数(R~2)均大于0.96;而由于非线性拟合的引入,五参数模型可以更好地预测模拟环孔材栎木蠕变行为,其R~2均大于0.98。