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-橡胶功能复合材料的研究进展

橡胶可用于调控传统木质复合材料的黏弹特性,满足阻尼减振、隔音吸声等特殊功能需求.根据木材与橡胶复合的单元形式,将木材-橡胶功能复合材(WRC)分为纤维状单元/橡胶复合材(FRC)、单板/橡胶复合材(VRC)、刨花/橡胶复合材(PRC)、实体木材/橡胶复合材(RSW)等类别.分析了各种木材-橡胶功能复合材的研究进展和技术难点,介绍了橡胶改性木材胶黏剂的研究结果,并对木材-橡胶功能复合材的发展前景进行了展望.     

木基储能材料研究新进展

木材作为一种可再生的天然高分子材料,其特有的结构和理化性质,使木材及其衍生材料在清洁能源、柔性传感和催化工程等领域的应用研究层出不穷,引起了科研工作者广泛关注。除了资源丰富、绿色环保和可生物降解等特点,木材还具备一些独特的优势,如各向异性的分层多孔结构、良好的机械灵活性和可调谐的多功能性等,近年来在电化学能源存储领域表现出令人憧憬的应用前景。笔者从实体木材、木质纤维和木质纳米纤维这3种不同维度的木基材料出发,分别总结了其在储能领域最新研究进展,探讨了这些材料的结构特性与电化学性能间的关联响应机制。基于不同树种实体木材的结构差异,比较分析了直接炭化、炭化后再活化改性的实体木材储能材料性能特征及对电化学储能的影响规律,进一步讨论了实体木材一体化储能器件的思路与创新。在木质纤维储能材料方面,总结分析了以单根纤维及纤维聚集体为起始单元的不同储能材料的结构性能特点,重点探讨了在柔性电极材料方面的应用前景。基于木质纳米纤维天然可控网状结构优势,主要分析了纳米纤维炭气凝胶在储能材料领域的应用特点。最后,展望了木基储能材料所面临的机遇挑战,以及未来需要重点关注的研究方向。     

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。     

我国木材胶黏剂的开发与研究进展

木质原料结构的变化促使木质材料由实体木材向胶接木质材料方向发展,胶接木质材料的发展极大地依托于木材胶黏剂发展和技术进步。笔者从胶接木质材料的发展角度简述了我国木材胶黏剂的开发研究和生产应用状况,以及目前存在的技术问题和今后木材胶黏剂的发展趋势。     

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。     

木材-橡胶功能性复合材料制造工艺主要影响因素的交互作用和相关性(英文)

确定聚异氰酸酯(PMDI)与脲醛胶(UF)混合胶黏剂胶接木材与废旧轮胎橡胶制备功能性复合材料工艺的可行性;研究木材-橡胶功能性复合材料制备工艺的主要影响因素(密度、热压时间和温度)对复合材料力学性能:内结合强度(IB)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)作用的相关性。采用Design-Expert的响应曲面法分析各主要因子密度、温度、时间对力学性能影响的变化规律,优化各因子,并揭示相互影响和作用机制。结果表明:密度对材料的力学强度有显著性的影响,热压温度与时间的交互作用同样对材料的力学性能影响显著;采用低成本的PMDI/UF混合胶黏剂能够很好地胶结木材和橡胶制备功能性复合材料;获得木材-橡胶复合材料最佳优化工艺:密度1000kg·m-3、热压时间300s、热压温度170℃。利用电子扫描电镜(SEM)揭示了木材-橡胶功能性复合材料的微观结构,并进行界面结构分析。对PMDI/UF胶黏剂胶接橡胶和木材的物理化学胶合机制进行全面系统的分析。     

竹纤维/聚丙烯复合材料密度对其保温和力学性能的影响

为促进结构保温材料的可持续发展,以竹纤维和聚丙烯纤维为原料,制备不同密度的竹纤维/聚丙烯纤维保温复合材料,并探讨该材料作为结构保温板(SIPs)芯材的可行性。结果表明:随着密度增加,复合材料的力学性能增加,保温性能呈先升后降的趋势;综合考虑复合材料的保温性能和力学性能,当复合材料密度为0.20 g/cm~3时,可用来代替聚苯乙烯泡沫作为结构保温板的芯材。     

木材纤维/橡胶颗粒复合地板基材的研制

废旧橡胶在木质复合材料领域的应用,既有助于调控木质复合材料的粘弹性能,也有利于合理利用废弃橡胶资源。作者采用全因素方法,试验橡胶的颗粒粒径(15～20目,20～25目,25～30目)及混合比例(10%,20%,30%)对木材纤维/橡胶颗粒复合板材性能的影响。热压条件为:压力4 MPa,时间7 min,温度160℃。研究结果表明,橡胶颗粒的掺入降低了板材的力学性能,但能有效改善复合板材的耐水性和弹性。     

利用废旧橡胶制造弹性强化木地板的初步研究

利用废旧橡胶与木材纤维复合,既为合理利用废弃橡胶资源创造了新的途径,也有助于调控木质复合材料的粘弹性能.笔者尝试了废旧轮胎橡胶在强化木地板中的应用,试验了橡胶颗粒的粒径(15～20目,20～25目,25～30目)及混合比例(0、10％、20％、30％)对复合板材性能的影响.根据国家标准测试和评价了产品的内结合强度(IB)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、厚度回弹率(Sr)、吸水厚度膨胀率(TS)等性能,并重点研究了产品的重复抗压性能和动态热机械性能.研究结果表明,橡胶颗粒的掺入降低了板材的力学性能,但能有效改善复合板材的耐水性和弹性,调控板材的黏弹特性,利用木材纤维与废旧橡胶颗粒复合制造强化地板是可行的.     

改性工业木质素-木纤维复合材料制备工艺及结合性能表征

以木质纤维为基体,Fenton试剂化学改性后的工业木质素为黏结相,采用“高速混合-平板热压”的工艺技术路线制备环保型木质基复合材料.采用正交试验设计及极差分析,探索性能优良的环保型材料的制备工艺,通过傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、动态热机械分析(DMA)、环境扫描电镜(SEM)对材料的化学组分、聚集态结构、动态热机械性能以及微观形貌特征进行表征.结果表明:1)在氧化改性工业木质素填加量25％、板坯含水率20％、热压时间7 min、热压温度170℃的工艺条件下,木质基复合材料的理化性能能够满足GB/T 11718-2009中干燥状态下使用的普通型中密度纤维板(MDF-GP REG)的要求;2)氧化改性工业木质素与木质纤维在热压过程中形成了较理想的化学键结合;木质纤维素的晶形结构保持不变,相对结晶度有所提高;复合材料的刚度和韧性良好,热稳定性降低;复合材料组分之间分布均匀,交织致密,界面相容性良好.该材料在建筑隔板、木质装饰板、产品包装等领域具有广阔的应用前景.     

改性脲醛树脂胶低密度稻壳-木材复合材料制造工艺的研究

采用异氰酸酯(ISO)改性的脲醛树脂胶制造低密度稻壳-木材复合材料。稻壳与木质刨花的混合比例为1:1,施胶量为7%,试验结果表明,异氰酸酯改性的脲醛树脂胶黏剂适用于低密度稻壳-木材复合材料,其物理力学性能明显优于使用传统的脲醛树脂胶黏剂。低密度稻壳-木材复合材料的物理力学性能随着改性剂异氰酸酯用量的增加而提高。密度是稻壳-木材复合材料物理力学性能的重要影响因素,低密度稻壳-木材复合材料的物理力学性能随着密度的增加而提高。在设定密度为0.45g/m~3和0.5g/cm~3的条件下,3:4的ISO/UF的稻壳-木材复合材料的物理力学性能均达到日本刨花板工业标准(JIS A5908)的要求。     

不同改性剂对木塑复合材料性能的影响研究

采用木材纤维分别与PE、PS、ABS、SAN四种塑料制成木塑复合材料，根据物理力学性能的检测，研究了不同改性剂对木塑复合材料性能的影响。结果表明：加入改性剂能改善木材纤维与所用塑料交接性能，改性剂可以提高复合材料的力学强度；不同的改性剂对复合材料的性能产生不同的影响，异氰酸酯胶改性效果比较好。木塑复合材料既保持了木质材料原来的优良品质，又具有塑料的一些特性，其防水性、尺寸稳定性、力学强度等指标均有较大改善。图5参6。     

数字图像相关技术及其在木材科学研究中的应用

数字图像相关方法(DIC)作为一种先进的光学形变(位移和应变)检测方法, 已逐渐成为木材科学领域中一种重要的测试手段。文中概括了DIC的特点与基本原理; 综述了其在木材科学领域中的应用, 主要包括力学性能检测、木材干燥形变测量及其他木质基材料等的相关性能研究; 最后, 对其在木材科学领域研究中遇到的机遇与挑战进行了展望。     

近红外光谱技术在木材材性分析及木质复合材料生产中的应用

近红外光谱技术具有快速、无损、样品易于准备、适合实际生产在线检测等优点,在木材科学研究领域的应用越来越广泛。文中阐述近红外光谱技术在木材纤维素、木质素和抽提物等化学属性预测,生长特性及物理力学特征等物理属性预测,以及在木质复合材料生产中应用的研究进展,分析了其在木材材性分析及木质复合材料生产中的研究趋势。     

黑龙江省木材科学研究所

正黑龙江省木材科学研究所(原名为黑龙江省林产工业研究所)成立于1958年,是以木材科学基础研究和公益研究为主的省级木材科学与技术领域综合性重点研究机构。该所设有人造板研究室、制材技术研究室、木材干燥研究室、家具与复合材研究室、木材胶粘剂研究室和机电研究室6个专业研究室和1个实验中心,负责承担人造板工艺与制造、木材加工工艺与技术、木材物理与干燥技术、木质功能材料、木质结构复合工程材料、木材胶黏     

木质仿生智能响应材料的研究进展

智能响应材料需具备3个基本要素,即感知、驱动和控制,在全球新材料研究领域中,仿生智能响应材料是目前世界各国技术战略发展中的竞争热点。木材是一种天然且可再生的生物质材料,具有良好的结构和功能特性。作为人类使用最早的材料,木材具有轻质、美观、生物调节等优良特性,是绿色环境人体健康的贡献者。木材的纤维素、半纤维素和木质素构成了木材精妙的微结构同时提供了许多官能团,为木材仿生智能材料的合成奠定了优良的基础。本文简要介绍了木质仿生智能响应材料的研究进展,综述了pH值、气体、光、机械力、湿度、温度和双重/多重刺激响应木质材料的制备、性能与潜在应用;重点介绍并总结了以木质材料为基材的仿生智能响应材料的发展现状。     

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。     

黑龙江省木材科学研究所

黑龙江省木材科学研究所(原名为黑龙江省林产工业研究所)成立于1958年,是以木材科学基础研究和公益研究为主的省级木材科学与技术领域综合性重点研究机构。该所设有人造板研究室、制材技术研究室、木材干燥研究室、家具与复合材研究室、木材胶粘剂研究室和机电研究室6个专业研究室和1个实验中心,负责承担人造板工艺与制造、木材加工工艺与技术、木材物理与干燥技术、木质功能材料、木质结构复合工程材料、木材胶黏剂、机电自动化设计与制造7个方向的科研工作。     

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。