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。     

正交胶合木胶合性能研究现状及展望

胶合性能是胶合木制品的重要性能之一。在正交胶合木（CLT）中木材特征、胶黏剂性能以及木材与胶黏剂之间界面性能共同决定了正交胶合木的胶合性能。木材作为一种天然各向异性材料,其纹理方向不同,造成组坯方式对于胶合性能影响巨大。在胶合性能测试中,取样尺寸、取样形状对于胶合性能的测试结果都有一定的影响。胶合界面性能表征方面的研究正逐渐兴起,但是针对CLT胶合界面性能表征的相关研究报道并不多。有关CLT胶合的研究多集中在胶黏剂和胶合工艺方面,而针对不同锯材单元的特性对胶合性能尤其是耐久性影响的研究尚少有报道。文中基于现有研究对CLT胶合界面性能影响因素进行总结,梳理对比CLT胶合性能测试方法以及胶合界面性能表征技术,并对今后研究方向提出意见和建议。     

刨花与胶粘剂界面结合强度的研究

界面结合强度是界面力学研究中的重要参量。建立可定量表征刨花与胶粘剂界面结合强度的测试技术 ,分析影响界面结合强度的因素 ,将界面微观特性与人造板宏观力学性能联系起来 ,从而实现制板工艺的优化控制具有重要意义。确立的微观力学模型可正确描述刨花与胶粘剂界面结合的情况。由有限元法分析可分离剪应力和正应力 ,从而论证了界面的破坏是由剪应力所致 ,结合薄弱处在受拉刨花受力一端的胶层界面处 ,确立的界面结合强度测试方法是可行的。     

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。     

基于纳米压痕技术的木材胶合界面力学行为

【目的】研究木材胶合界面的静态和动态力学行为,探讨树脂渗透对木材管胞壁层力学性能的影响,为木质复合材料制造工艺优化和增强改性提供理论依据。【方法】采用纳米压痕静态和动态力学测试技术(Nano-DMA),对针叶材火炬松与酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)胶黏剂所形成胶合界面区域各相材料的静态弹性模量、硬度、蠕变性能以及储能模量和损耗模量等力学行为进行分析。【结果】静态力学行为方面,在界面区域,PF和UF渗透进入管胞壁层后,木材管胞壁的弹性模量( E r)和硬度( H )提高;经PF渗透后,木材管胞壁的 E r和 H 分别增加7%和26%;Burgers蠕变力学模型可有效描述胶合界面区域管胞壁的纳米压痕蠕变特性,经树脂渗透后,木材管胞壁的瞬时弹性模量增加,黏弹性模量和黏性系数减小;在保载初期,PF界面区域木材管胞壁的蠕变柔量约下降60%,UF界面区域木材管胞壁的蠕变柔量约下降58%。动态力学行为方面,随着加载频率增加,界面材料的储能模量( E ′ r)逐渐增大,而损耗模量( E ″ r)和损耗因子(tan δ)呈减小趋势;当加载频率为10 Hz时,PF和UF树脂渗透使得管胞壁层的储能模量分别增加16%和29%。【结论】胶合界面区域胶黏剂进入管胞壁层,对木材管胞的静态力学性能具有增强作用,同时胶黏剂可提高管胞壁的短期抗蠕变能力;木材管胞壁具有较高的储能模量和损耗模量,而树脂的储能模量和损耗模量较低,经树脂渗透后,木材管胞壁的储能模量增加,但损耗模量和损耗因子呈下降趋势,可能对界面传递和分散应力产生不利影响。     

基于规格竹片的胶合界面研究现状及建议

胶合界面对竹质复合材料的整体性能起着非常关键的作用,在制备或使用过程中,胶合界面是应力应变传递的必经通道,是决定材料使用强度和使用寿命的关键因素。为提升和改进新开发的竹材弧形原态重组材料的胶合性能,从规格竹片表面特性和处理、竹材用胶黏剂改性处理及胶合界面表征等方面分析了胶合界面的研究现状,并结合存在的问题提出了建议。不同物理和化学方法处理后竹材表面润湿性的研究较多,且主要集中在矩形规格竹片,而胶黏剂改性研究对象和方法相对单一;现有规格竹单元多为矩形竹片,其胶合界面呈平面结构,而弧形竹片间的曲面胶合界面影响应力和应变的传递,胶合界面表征技术在微观尺度上较好地体现了界面微观特性,但未能体现界面的几何效应。因此,弧形曲面胶合界面的观测空间有待提升。此外,界面形态和微观力学性能的独立表征未能体现界面整体性能,应发展多维设备联用,实现多性能同步表征。     

木材抽提物与木材胶合性能浅析

木材抽提物是指木材中除了构成细胞壁的纤维素、半纤维素和木质素以外,由中性有机溶剂或水抽提出来的物质的总称。尽管它们不是木材组织的结构物质,且大多含量不高,但木材抽提物成分和数量的变化,对于木材的材性有着重要的影响。笔者仅就抽提物对木材胶合性能的影响和生产工艺中应采取的措施作一分析。一、抽提物污染了水质材料界面水质材料界面特性性对予木材胶合性能的好坏,影响极大。木质材料界面的污染物,常常妨碍涂胶时咬液向木材表面扩散,导致胶层固化不良,降低胶合强度。抽提物质是引起太质材料界面污染的主要来源。     

胶合成材（续四）

胶合成材（续四）李黎１５成材胶合胶合是胶合成材生产过程中一个极其重要的环节，涉及到木材的性质、胶粘剂的种类和性能及胶合工艺条件、胶合过程等各方面因素。胶合的成功与否往往决定产品质量的优劣和最终用途。要生产出合格的胶合成材产品，就必须十分注意胶合这个关...     

纤维素纳米纤维增强增韧酚醛树脂及其竹材胶合界面性能研究北大核心

针对酚醛树脂胶黏剂固化后脆性大,极易在竹材-树脂胶合界面形成应力集中,进而导致竹材胶合界面开裂问题,以纤维素纳米纤丝(CNF)和纤维素纳米晶须(CNW)为填料,通过用量的调控,以增韧酚醛(PF)树脂,改善竹材胶合界面性能,进而提高界面胶接强度。采用差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等技术手段对改性前后酚醛树脂的性能和微观结构进行表征,并对竹胶合试件进行了胶合强度测试和胶合界面破坏形貌观察。结果表明:添加CNF和CNW虽不参与酚醛树脂胶黏剂固化过程,但对固化行为有一定影响,且对酚醛树脂有良好的增韧效果,进而能有效提高PF树脂与竹材界面胶接强度。当添加酚醛树脂胶黏剂固体含量0.5 wt%的CNF时,改性效果最优,PF树脂胶接试件的干、湿强度达到最大值,分别为13.56 MPa和7.61 MPa。本研究所采用的方法可有效改善竹材胶合制品界面性能,防止竹材胶合界面开裂,为提高竹材耐久性、拓展其应用范围提供良好的思路和借鉴。     

短周期工业材层板等级区分与胶合木强度性能之关系

短周期工业材层板等级区分与胶合木强度性能之关系宋润惠郝金城高云龙（黑龙江省林产工业研究所１试验目的结构胶合木是通过合理配置不同等级的层板径胶合而成的木质材料，与天然木材相比，它具有较大的规格尺寸和较高的力学强度，尺寸稳定性好，耐久性强。根据建筑设计要...     

木材干燥质量对胶接强度的影响

笔者主要探索了木材干燥质量和表面性质的变化,从微观的角度分析这些变化对胶接界面产生的影响,从宏观的角度建立胶接界面的情况与胶接力学强度的关系。从而说明干燥质量对胶接力学强度的影响,结合数学分析方法进而提出改善胶接界面性能的理论依据,来优化木材的干燥工艺和干燥过程的控制,使干燥质量能够满足胶接设计的要求。     

Air-coupled ultrasound as an accurate and reproducible method for bonding assessment of glued timber

Glued timber products are widely used in construction; therefore, it is necessary to develop non-destructive bonding quality assessment methods for long-term structural health monitoring. Air-coupled ultrasound (ACU) inspection is a novel technique, with phenomenal improvements in reproducibility compared to traditional contact ultrasonics, unlimited scanning possibilities, and a high potential for delamination detection in wood products. As part of an ongoing project, glued timber samples of 10 mm thickness with artificial glue line defects were inspected. A normal through-transmission set-up with 120 kHz transducers allowed for successful and accurate imaging of the geometry of glued and non-glued areas in all inspected objects. The influence of wood heterogeneity and the reproducibility of ACU amplitude measurements were analysed in detail, identifying the main sources of variation. Future work is planned for the inspection of more complex glued timber objects.     

结构用竹集成材物理力学性能研究

测定结构用竹集成材及其竹指接集成材的主要物理力学性能,并将测试结果与几种人工林单板层积材以及常见建筑用材种的相关性能进行比较.结果表明:竹集成材的水平剪切强度、静曲强度以及弹性模量等力学性能非常优越,浸渍剥离性能较差.     

ACQ防腐处理对马尾松木材胶合强度的影响研究

采用铜氨(胺)季铵盐(ACQ-D)防腐剂处理马尾松木材,以水性高分子异氰酸酯(API)、聚氨酯(PUR)和间苯二酚-苯酚-甲醛树脂(RPF)为胶黏剂制备防腐材胶合试样,研究胶黏剂种类和防腐剂处理浓度对马尾松胶合强度的影响。结果表明:API、PUR、RPF适用于ACQ处理马尾松的胶合,平均剪切强度和木破率均达到GB/T 26899—2011《结构用集成材》要求。胶黏剂种类对防腐材胶合强度有显著影响,表现为PUR和RPF的剪切强度优于API。与未处理材相比,ACQ处理对API胶合有负面影响,对PUR胶合有增强效应,对RPF胶合没有显著影响。在ACQ浓度为0.1%～1.0%范围内,胶合强度没有显著变化。     

等离子体改性热塑性树脂薄膜制备环保胶合板试验

为获得无甲醛释放的环保胶合板,将热塑性树脂薄膜(低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC))用作胶黏剂,并利用空气介质阻挡等离子体对热塑性树脂薄膜进行表面改性处理以提高薄膜与杨木单板的界面相容性,从而获得性能良好的环保胶合板。研究了等离子体处理对胶合板胶合性能的影响,并从等离子体处理对热塑性树脂薄膜表面化学组分及其对胶合板界面形貌的影响分析其胶合机理。结果表明:在等离子体处理功率为4.5 kW、处理时间为8 m/min的条件下处理热塑性树脂薄膜,胶合板的胶合强度得到显著提高,LLDPE/杨木胶合板的胶合强度从0.49 MPa增至0.81 MPa,PP/杨木胶合板的胶合强度从0.65 MPa提高到0.84 MPa,均达到Ⅱ类胶合板标准要求。其中用等离子体处理后PVC与杨木制备的胶合板能满足Ⅰ类胶合板的标准要求,胶合强度达到0.79 MPa。XPS分析表明,等离子体改性热塑性树脂薄膜的表面发生了氧化反应,引入了含氧官能团,提高了薄膜表面极性,有利于提高薄膜与杨木单板之间的相互作用,从而使得胶合板的界面胶合更为紧密,说明等离子体处理后树脂与杨木单板的相容性提高,树脂能在单板表面更好地附着。热塑性树脂薄膜与杨木单板制备的胶合板仅有极微量甲醛释放,其主要源于木材自身,远低于国家标准对人造板甲醛释放限量的要求。研究证明等离子体处理能明显改善热塑性树脂薄膜与杨木单板的界面相容性。     

胶合木胶合质量影响因素浅析

本文分析了胶合木用胶粘剂的适用期，木材含水率、环境温度等因素对胶合木胶合质量的影响。     

Mechanical behaviour of finger joints at elevated temperatures

Finger joints are commonly used to produce engineered wood products like glued laminated timber beams. Although comprehensive research has been conducted on the structural behaviour of finger joints at ambient temperature, there is very little information about the structural behaviour at elevated temperature. A comprehensive research project on the fire resistance of bonded timber elements is currently ongoing at the ETH Zurich. The aim of the research project is the development of simplified design models for the fire resistance of bonded structural timber elements taking into account the behaviour of the adhesive used at elevated temperature. The paper presents the results of a first series of tensile and bending tests on specimens with finger joints pre-heated in an oven. The tests were carried out with different adhesives that fulfil current approval criteria for the use in load-bearing timber components. The results showed substantial differences in temperature dependant strength reduction and failure between the different adhesives tested. Thus, the structural behaviour of finger joints at elevated temperature is strongly influenced by the behaviour of the adhesive used for bonding and may govern the fire design of engineered wood products like glued laminated timber beams.     

竹席胶合板标准件圆桶性能

竹席胶合板是竹材人造板生产中历史最长,工艺最成熟、用途最广的一种板材。竹席胶合板的胶合强度一般是木材胶合板的1—1.5倍,其价格仅为木材胶合板的1/2—1/4;竹席胶合板弹性、韧性大,易弯曲,用其制造的出口标准件包装圆桶强度大,耐破性能好,破损率低,使用寿命长;击穿、压溃、自由跌落等指标均优于木材胶合板标准件圆桶;其缺陷为:印刷性能差,吃墨浅,干燥慢,字迹欠清。     

预压缩处理施胶技术提高杨木重组木尺寸稳定性的研究

高性能重组木制造技术可将速生材制造成具有高强度和天然木材纹理结构的新型木材,从而提高速生材的附加值。然而,采用此技术制备的重组木虽然尺寸稳定性显著高于传统工艺制备的重组木,但是仍不能满足室外用材的需求。为提高室外用重组木的尺寸稳定性,采用预压缩处理施胶技术对木单板施胶后制备高性能重组木,通过扫描电镜、压汞仪、激光共聚焦显微镜和超景深显微镜,研究了预压缩处理施胶技术对木单板和重组木的形貌和胶液分布的影响,及其对重组木尺寸稳定性和力学性能的影响。研究结果表明:预压缩处理施胶技术增大了木单板的比表面积,使胶液在单板和重组木中分布更均匀,而且显著降低了重组木的吸水厚度膨胀率(TSR)和吸水宽度膨胀率(WSR)。在63℃/24 h的水煮测试中,TSR和WSR相比未处理材分别降低43.34%和12.82%;在28 h循环测试中,TSR和WSR相比未处理材分别降低50.94%和51.48%。因此,采用预压缩处理施胶技术制备的重组木尺寸稳定性相比未处理材显著提高。同时,重组木的静曲强度、弹性模量和剪切强度相比未处理材分别提高1.63%,12.15%和21.34%。     

Three mechanisms affecting the mechanical properties of spruce wood dried at high temperatures

Wood drying experiments are conducted in which the temperature and the drying rate are controlled independently. In relationship to drying processes, at least three mechanisms are believed to contribute to the properties of dried wood. However, only two of these are found to affect the properties of macroscopic specimens, the third mechanism being observable in microtomed earlywood sections, and possibly in specimens loaded in the radial direction. Degradation of structural components and irreversible hydrogen bonding (hornification) are found to contribute to both the hygroscopicity and the mechanical properties of macroscopic wood specimens. Mass loss from thermal degradation occurs predominantly in slow high-temperature drying processes. Irreversible hydrogen bonding takes place in high-temperature drying, in particular with high ultimate dryness. Regarding the effect on strength and stiffness, mass loss and hornification appear to compete. The third identified mechanism, microscopic cell wall damage caused by incompatible drying shrinkage of cell wall elements, does not seem to affect the mechanical properties of macroscopic wood specimens. Consequently, slow high-temperature drying processes do not provide much benefit regarding the mechanical behavior of dried wood. The reasons for this are discussed.