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。     

利用红外成像和纳米压痕测试技术研究热处理落叶松管胞性能

以我国主要用材树种日本落叶松木材为研究对象,采用物理改性方法真空热处理技术对其材质进行改良。利用场发射扫描电子显微镜和傅里叶变换红外成像显微镜研究不同热处理条件(160～240℃温度范围,处理4 h)下落叶松木材晚材管胞细胞壁形态、化学组分结构和分布的变化规律,并结合纳米压痕测试系统研究热处理木材细胞壁力学性能变化趋势。结果表明：木材热处理过程中,随着热处理温度的升高,晚材管胞细胞壁出现裂纹并增加;半纤维素发生降解,细胞壁红外成像中半纤维素相对高浓度分布区域逐渐减少,木质素高浓度分布区域呈现先增加后降低的趋势,表明该过程中木质素发生了热解并进行了重新分布。木材细胞壁压痕弹性模量和硬度随着真空热处理温度的增加呈先增大后降低的趋势,其中当热处理温度为200℃时,压痕弹性模量和硬度相比素材分别增大54.57%和45.69%,达到最大值,该变化规律与木材细胞壁中木质素分布变化趋势相吻合。以上研究结果有助于深入理解真空热处理木材性能的变化,为真空热处理改性木材工艺优化提供理论依据。     

热解条件对橡木组成结构与纳米压痕测试结果的影响

以阔叶材橡木为对象,研究热解过程中木材组成结构与微观力学性能的转变特征。分别使用傅里叶红外光谱技术(FTIR)、X射线衍射技术(XRD)和纳米压痕技术(NI)分析热解过程中木材化学组成成分、微纤丝结构和细胞壁微观力学性能的转变。研究结果表明,热解温度达到325℃时木材化学组成与微纤丝结构都发生了显著转变,木材化学成分中的纤维素和半纤维素已基本裂解完毕,木质素结构仍有存在,且已有碳素材料特征峰出现;对应XRD图谱分析,由于纤维素的热解,325℃时细胞壁微纤丝构造引起的衍射峰已经消失。NI研究发现热解温度达到300℃时,橡木纤维细胞壁微观力学性能变化显著,弹性模量从未热解处理的(16.6±1.39)GPa下降至(5.78±0.30)GPa。细胞壁硬度与未热解处理木材的(0.46±0.045)GPa相比,当热解温度为250℃和300℃时,硬度值略有上升,分别为(0.54±0.049)和(0.52±0.024)GPa;同时发现300℃热解后木材细胞壁弹性模量和硬度数值的分散度变小,认为是因细胞壁组成与结构变得均一化所造成。     

2种农作物秸秆纤维细胞壁的纳米力学性能

利用纳米压痕仪对2种农作物秸秆纤维细胞壁的纳米力学性能进行研究.结果表明:麦秸纤维细胞壁纵向弹性模量高于稻秸纤维细胞壁纵向弹性模量,其数值分别为20.8和19.4 GPa;2种秸秆纤维细胞壁硬度数值分别为0.65和0.50 GPa.在纳米尺度下,秸秆纤维细胞壁纵向弹性模量低于多数阔叶树材,但高于针叶树材和再生纤维素纤维,其细胞壁硬度的平均值高于木材及再生纤维素纤维.     

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。     

木材多尺度结构差异对其破坏影响的研究进展

木材多尺度结构主要包括纳米级高分子结构、微米级细胞壁多层结构和毫米级生长轮结构。纳米级高分子结构中三大素(纤维素、半纤维素和木质素)性质各异,微米级细胞壁多层结构中细胞壁各层三大素含量和微纤丝角不同,毫米级生长轮结构中细胞类型、大小和排列方向存在差异,这些结构差异均会导致多尺度结构单元之间的力学性质各异。木材破坏过程主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展,裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定。本研究综述木材不同尺度单元间的结构和力学性质差异,并分析结构差异对木材破坏的影响。同时,提出今后有关木材多尺度结构差异对其破坏影响研究的几点建议:1)深入解译木材微纳结构的性质差异,研究木材三大素的排列取向规律以及木材不同化学组分对外部载荷的响应差异,揭示壁层内三大素的变形机制;研究细胞壁各层化学组分分布以及微纤丝取向不同导致的力学性能差异,分析外载荷作用下各壁层之间存在的应力传递规律; 2)研究不同载荷作用下木材生长轮结构和细胞壁结构的裂纹萌生和扩展规律,精准定位木材破坏过程中不同尺度结构的裂纹萌生位置,区分裂纹在不同木材组织内部扩展时破坏断面的细胞破坏模式; 3)借助有限元分析等理论方法,研究木材不同尺度单元间结构差异对木材生长轮结构和细胞壁结构上应力分布规律和应力集中位置的影响,揭示木材多尺度结构差异对木材破坏的影响机制。     

复配碱液处理榆木顺纹压缩应力-应变本构关系

采用复配碱液处理榆木后,对榆木的幼龄材和成熟材顺纹压缩,通过建立的榆木顺纹压缩应力-应变本构关系得出:在榆木顺纹压缩初始阶段,符合线形的弹性虎克定律;在弹塑性阶段,也基本符合线形的力学关系。分析榆木幼龄材在顺纹压缩中体现出较大的差异性、顺纹压缩弹性模量和应力、应变的原因是木材化学组分的降解和抽出;得出复配碱液处理后木材顺纹压缩弹性、弹塑性变化的基本规律,木材在弹塑性阶段呈一段平滑的曲线,细胞壁在此阶段形成褶皱。     

原条木材弹性模量的测定

原条木材弹性模量是进行原条运材机械设备的静力学和动力学理论研究时所必需的主要特性参数之一。本文仅就原条木材弹性模量的测定方法问题,进行初步探讨。一、理论依据在研究原条的木材弹性模量时,我们把原条视为在外力P 作用下的双支座梁(图1)。在断面上,梁的弹性横向位移取决于原条(梁)的几何参数、弹性模量E 和剪切弹性模量G。当梁(原条)的跨度与其横断面高度的比值较大时,其横向力对梁的变形影响可以忽略。     

木材细胞壁力学性能与细胞壁组分和构造的相关性研究

细胞壁是木材的承载结构,是木材最主要的组成和利用部分。基于细胞水平的微观研究,主要分析了木材细胞壁力学性能与其组分及微观构造的相关性,分别从细胞壁木质素、半纤维素、纤维素和微纤丝角四个方面阐述了其对细胞壁刚性、硬度、弹性模量、抗拉强度和断裂伸长率等微观力学性能的影响。并且依据目前细胞壁力学性能的研究现状,对今后的研究方向提出了展望。建议今后加强分子层面机理研究并加强细胞壁力学与实际应用的关系探究。     

木材的软化处理与弯曲技术

木材从力学角度上看是一种弹性材料,在结构上呈多孔状,木材的这个特性,可以使其弯曲。但是如果要攀得较小的弯曲曲率半径,应在弯曲之前对木材进行软化,增大木材的塑性。木材经软化处理后,在顺纹压力的作用下,细胞壁中微纤维之间产生滑移,导致细胞壁的壁层纵向产生褶皱;木材在弯曲力矩的作用下,弯曲时的受压面形成褶皱,受拉面形成展皱,便可获得较小的弯曲曲率半径。1.木材弯曲的原理木材弯曲时,以中性层为分界形成凹凸两面,在凸面产生拉伸应力,使凸面木材有不同程度的伸长;凹面产生压缩应力,使凹面木材有不同程度的压缩,其应力分布是由表面向…     

不同应力状态下榉木弹性常数的研究

采用电测法,对榉木在不同应力状态下的弹性常数进行了研究。分别对榉木在压缩、拉伸以及弯曲3种应力状态下的弹性常数进行了测量,并对其进行了对比分析。结果表明:在拉伸状态下,木材各主轴方向的弹性模量EL、ER和ET均大于压缩状态下的弹性模量,分别为12%,9%和36%,但泊松比均小于压缩状态,并且泊松比URL和UTL大致相同,但ULR与ULT却存在较大差异。而在弯曲状态下,抗弯弹性模量随着跨距的增大而增大,且呈幂函数变化关系,径向、弦向的抗弯弹性模量与跨距拟合方程的相关性系数均达到0.99以上。同时,通过抗弯弹性模量计算得到的剪切模量GLR、GLT与压缩状态下通过电测法测得的结果存在较大差异,误差分别为212%和167%。因此可得出,通过抗弯弹性模量间接计算得到的剪切模量并不准确。在不同应力状态下木材的弹性常数存在较大差异,故在对木制品及木结构进行设计及数值计算时,应充分考虑木材在不同受力状态下弹性力学特性的差异。     

疏水改性对杉木微观力学性能的影响

为提高木材尺寸稳定性,利用烷基烯酮二聚体对杉木进行疏水改性处理,同时运用纳米压痕技术分析评价疏水处理对木材纳米力学性能的影响.结果表明,当处理剂的质量分数为5％、处理时间为30 min时,疏水效果最好,同时最节约成本;疏水处理会降低杉木S2层细胞壁的弹性模量,当处理剂质量分数为5％时影响较小;杉木S2层细胞壁蠕变值会随处理剂质量分数和处理时间的增加呈现上升的趋势.     

动态载荷下基于声发射技术的杨木破坏过程检测

利用声发射检测和力学试验相结合的方法,研究山杨木材在动态载荷下的声发射演变过程;结合木材粘弹性特点,通过声发射参数分析研究在不同受力阶段木材的声发射特点.结果表明:1)声发射信号幅值不连续,是跃迁的;材料断裂前声发射信号的幅值和能量比断裂后小,在断裂点对应声发射信号幅值和能量的局部极大值.2)随时间和载荷的变化,声发射累计撞击数和累计能量增加快慢可以体现杨木在受力条件下的完全弹性、弹性为主的弹塑性共存、塑性为主的弹塑性共存3种状态.3)声发射率和幅值参数可以预测材料纤维开始断裂进入危险期的第一"临界点"和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二"临界点",如果继续加载材料将会破坏断裂.     

表面微织构硬质合金对桦木摩擦特性的影响

微织构是一种改进材料摩擦性能的有效措施。选取桦木为研究对象,在不同载荷和木材含水率条件下,研究了有无织构的硬质合金试样对桦木表面摩擦系数的影响。结果表明,在深度20μm、直径50μm和中心孔间距为150μm的硬质合金表面微织构情况下,其表面的浸润性优于平面,亲水性较强,其表面与桦木间的摩擦系数低于平面与桦木产生的摩擦系数。在木材含水率为40%、载荷为10 N的情况下,平面和微织构的平均摩擦系数分别为0.121和0.043,随着作用载荷的提高,摩擦系数也逐渐提高。合理的微织构形式可以有效降低木材与硬质合金间的摩擦系数。将织构技术应用到木材切削中,可以为木工刀具减磨技术研究提供一条新途径。     

响叶杨细胞壁尺寸参数及其纳米压痕特性

利用原子力显微镜对响叶杨细胞的特征参数与形貌进行分析,并对响叶杨细胞壁表面的纳米压弹性进行测量.结果表明:响叶杨细胞横截面的壁厚平均尺寸为2.230 μm;壁长平均尺寸为9.498 μm;细胞外径为9.023～26.802 μm,平均尺寸为19.723 μm;响叶杨细胞壁S2层(大约位于细胞壁的中部)上的压痕点为有效测试值,其平均弹性模量和硬度可以用来代表细胞壁的纵向硬度和弹性模量,即所选择的响叶杨细胞壁的平均弹性模量和硬度分别为18.52 GPa和478.59 MPa.     

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   

针叶树木材细胞力学及纵向弹性模量计算——纵向弹性模量的理论模型

本文是关于针叶树木材弹性特性研究的理论分析。设定针叶树木材细胞主要由管胞和射线组成 ,根据管胞和射线细胞的解剖构造特征 ,建立了两端劈尖、矩形截面、中空的管胞模型与长方体状、中空的射线细胞模型。沿用MP层 (胞间层 初生壁 )内与 3S层 (次生壁的S1、S2、S3层 )内力学性质相同 ,而MP与 3S层间力学性质相异的假定 ,利用管胞和射线细胞模型 ,导出了管胞和射线细胞纵向弹性模量的计算公式。同时 ,根据管胞和射线细胞在针叶树木材中的排列规律 ,结合线形弹性体串并联的特性 ,进一步给出了计算针叶树木材试件宏观纵向弹性模量的方法。本项研究从木材细胞的结构和弹性特性出发 ,分析研究针叶树木材的宏观弹性行为 ,一方面可以获得关于针叶树木材弹性特性的认识 ,另一方面可以用于针叶树木材纵向弹性模量的计算和预测。     

施肥对湿地松幼林生长和木材物理力学性质的影响

研究了黄红壤立地上湿地松幼林施肥种类、施肥量及施肥配比对生长量、木材物理力学性质的影响 ,结果表明 :(1)施用N肥对湿地松生长有显著的抑制作用 ,K肥处理材积明显下降 ,P肥和P肥与N、K配比施肥及N、P、K配比施肥显著地促进湿地松胸径、树高、材积的生长 ;(2 )施肥处理对木材弦向干缩率、径向干缩率、纵向干缩率、体积干缩率、差异干缩 5个气干干缩性状的影响没有达到差异显著的水平 ,但单施P肥、NP配比施肥使木材差异干缩、纵向干缩率明显减小 ,单施K肥、单施N肥使木材纵向干缩率增大 ;(3)单施P肥或P肥与N、K配比施肥及单施一定量的K肥能明显提高湿地松木材晚材率、基本密度、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量 ,且P肥量与材性提高量成正比 ,而N肥处理显著降低了木材性质 ;(4)施肥处理对生长量与木材性质间相关性的影响因施肥种类而异 ,树高、胸径、材积因子与顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、抗弯强度基本上呈正相关 ;晚材率、木材密度与顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、抗弯强度呈正相关 ;(5 )林分内优势木木材物理力学性质明显优于中庸木 ,中庸木木材性质优于劣势木     

宝天曼8种阔叶树木材密度的解剖学决定因素及其与叶性状的协同与权衡

【目的】探究影响木材密度的解剖学机制,揭示茎叶解剖和生理性状的协同与权衡关系,有助于阐明不同树种适应环境的生理生态机制。【方法】选择宝天曼天然林中常见的8种落叶阔叶树,测定木材密度、木质部导管及纤维等解剖性状、叶片压力-容积曲线参数等21个茎叶性状,探究决定木材密度的解剖学性状,分析茎叶性状的协同和权衡关系。【结果】1) 8个树种的木材密度与组成木质部的导管、薄壁组织和纤维组织这3大组织的比例都不相关,更多受到纤维细胞性状的影响。2)对木材密度影响最大的木质部性状是纤维细胞腔占横截面的比例,其次是纤维细胞壁占纤维细胞的比例、纤维细胞壁厚与腔直径比、纤维细胞壁厚度等性状。3)木材密度与叶片单叶面积、失膨压时相对含水量和弹性模量呈负相关。4)失膨压时相对含水量与导管水力直径、最大导管直径、平均导管直径、纤维细胞腔面积、纤维细胞腔直径呈正相关;与导管密度、纤维细胞壁厚与腔直径比、纤维细胞壁占横截面比例呈负相关。【结论】木材密度主要由纤维细胞性状决定,而非导管和薄壁组织性状;高的叶片忍耐失水能力耦合于致密的茎纤维细胞和木材密度。     

施肥对尾巨桉生长及大径材材性的影响分析

对3种追肥处理1(N300P200K200)、处理2(N200P100K150)和处理3(N100P50K50),从12、27、42、50、62、75、88、99、110、144到192月生的尾巨桉生长量数据进行了统计分析,并在198月生时对每种施肥处理取7株样木进行了木材的基本密度、抗弯强度、弹性模量、硬度、干缩率以及皱缩率等指标开展研究,结果如下:追肥量与生长量成正相关关系.追肥量越多,生长量越大,这种差距从追肥后就开始产生,一直到192月生时都存在;但是,这种差距在大部分时间里都未达到显著水平:达到显著差距的只有施肥处理1和处理3之间,27月生时DBH达到0.01的显著性差异、平均高在12、27和37月生时达到0.05的显著性差异、蓄积量在27、37、42和50月生时达到0.05的显著性差异.材性指标上,大径材木材材性与追肥量的关系密切,增大施肥会影响木材材性,包括降低抗弯强度,增加弹性模量,降低端、径面和弦面硬度,降低基本密度,增加木材含水率等;达到显著差异的有:木材的抗弯强度、径面硬度被显著降低,达到了0.05的显著水平.木材边材基本密度降低更大,达到了0.01的极显著水平.经过多重比较的分析,都是常规施肥处理3与处理2和常规施肥处理3与处理1两两之间差异显著.处理1和2比处理3的抗弯强度平均分别降低了12％和14％、径面硬度分别降低了11.7％和14.1％,而边材基本密度分别降低了8.6％和8.1％;因此,在培育桉树大径材时,一定要考虑合理施肥量.