木材吸湿水分变化的核磁共振分析

利用核磁共振自由感应衰减(FID)曲线研究青皮杨吸湿过程中木材水分的变化,以及木材含水率与核磁共振T2信号量之间的关系。以水分子中的H质子作为探针,在40℃恒温状态,相对湿度分别为(96.4±0.4)%(硫酸钾饱和盐溶液)、(82.3±0.3)%(氯化钾饱和盐溶液)和(74.7±0.2)%(氯化钠饱和盐溶液)条件下,探讨青皮杨在吸湿过程中木材含水率与核磁共振自由衰减曲线的关系。将采集的T2信号量反演成横向弛豫时间,结果表明:木材在吸湿过程中核磁共振T2的信号量与其含水率呈高度线性相关,相关性均超过99.5%;虽然吸着发生在纤维饱和点以下,但木材中仍然存在微量弛豫时间很长的自由水;在木材中水分子与木材结合得越紧密,则横向弛豫时间就越短,反之,横向弛豫时间越长。     

低场NMR技术测定竹材的纤维饱和点

以4年生毛竹为试材,利用低场核磁共振(LF-NMR)技术研究了毛竹中的质子H在室温和-3℃条件下的自旋-自旋驰豫时间(T_2)特性,以分析竹材水分分布特征。由于固态冰与液态水的弛豫时间和竹材自由水和结合水凝固点的差异性,本试验采用仅冻结竹材细胞腔内自由水来获取结合水信号的方式,通过对比冷冻前后T_2弛豫信号反演峰的面积,可确定结合水准确含量。结果表明:在室温条件下,T_2分布峰大致为3个,-3℃温度下T_2分布峰为1个,根据毛竹细胞壁内吸着水所处空隙较小、T_2弛豫时间较短可以判断,峰1为结合水弛豫,峰2和峰3为自由水的弛豫。毛竹的纤维饱和点(FSP)均值约为35%,测试结果高于传统外推法结果,与差示扫描量热法(DSC)等实测法的结果相符。试验结果证明核磁共振可以作为快速测定竹材纤维饱和点的有效手段。     

提高木材尺寸稳定性的方法

1　木材尺寸不稳定的原因木材中的水分可分为自由水和吸着水 ,自由水存在于木材的大毛细管系统中 ,它的增减对木材尺寸稳定性无影响 ;吸着水存在于组成细胞壁的微纤丝、大纤丝之间所构成的微毛细管系统内。木材主要由纤维素、半纤维素和木素组成 ,在纤维素和半纤维素分子上存在     

马尾松木材在高温干燥中的水分扩散性

对马尾松木材在高温干燥过程中的水分非稳态扩散进行了研究 ,结果表明当含水率高于纤维饱和点时 ,水分扩散系数随含水率的降低而增加 ;当含水率低于纤维饱和点时 ,水分扩散系数随含水率的下降而减少。马尾松木材的径向扩散系数大于弦向扩散系数。随着温度的升高和相对湿度的降低 ,木材的横向水分扩散系数增大     

低场核磁共振技术对香樟种子水分变化的研究

利用低场核磁共振技术可以分析干燥过程中香樟种子的弛豫特性。采集弛豫衰减信号,使用同时逐次再现技术(SIRT)得到氢核的横向弛豫时间(T2)反演图谱,并对不同阶段的香樟种子内部水分的分布、转换以及含水率与核磁共振信号量之间的相关性进行了分析。结果表明:干燥过程中香樟种子的干燥速率随着干燥温度的升高而增加,香樟种子中存在3种不同状态的水,分别是结合水、不易流动水和自由水。在干燥过程中结合水的峰位变化不大,不易流动水和自由水的峰位均有起伏现象产生,干基含水率与其核磁共振信号量之间有较显著的线性关系,相关系数达到0.984 4。在干燥和存储过程中,可通过测试低场核磁共振信号量快速得出香樟种子的含水率。     

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。     

樟子松木材高温干燥过程中水分的非稳态扩散和干燥能耗的研究

为更加高效广泛地利用樟子松材,对不同初含水率(IMC)的木材进行高温干燥试验。探究相同厚度下不同初含水率木材高温干燥能耗。并依据非稳态扩散理论,在一定的实验条件下探讨不同初含水率对水分径向扩散系数的影响。结果表明:初含水率越高,扩散系数越大,在纤维饱和点附近达到最大值。当含水率在纤维饱和点以下时,水分扩散系数随着初含水率的增加而增大;而当木材含水率在纤维饱和点以上时,其扩散系数基本保持恒定。樟子松材高温干燥过程中,干燥时间越长,能耗越大;不同初含水率试件干燥结束时的能耗不同,初含水率越高,高温干燥过程用时越长,能耗越大。木材干燥过程中依据含水率的差异进行分级干燥可以达到节能的目的。     

时域核磁共振技术在木材科学研究领域的应用

时域核磁共振技术（TD-NMR）作为一种先进的表征手段,能快速、精准测量木材中自由水和吸着水的动态变化,也可以基于水分信息表征木材孔隙分布,因此已被广泛应用于木材科学研究领域。文中归纳了时域核磁共振技术用于测量木材含水率、水分性质、水分分布及木材孔隙分布的方法,并对主要研究结果进行综述,以期为相关领域的研究和应用提供理论参考。     

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   

脱除部分化学成分杨木的动态水分吸着行为

【目的】考察木材主要化学成分对其在动态条件下水分吸着行为的影响,以获得动态条件下化学成分之间相互作用的信息,为解析木材的吸着和变形行为提供理论依据。【方法】以40~60目的杨木木粉为研究对象,对试材分别进行脱抽提物、脱半纤维素及脱matrix(木质素和半纤维素)处理,并采用X射线衍射(XRD)检测脱化学成分处理对试材的影响。将未处理材和各化学处理材分别置于温度为25℃、相对湿度在45%~75%之间正弦变化(周期1 h、6 h和24 h)的环境中,测量试材含水率变化情况,并利用傅里叶法对相对湿度及各试材的含水率变化进行拟合分析。【结果】1)XRD测试表明,化学处理材纤维素结晶区常用衍射峰的位置没有发生变化,脱抽提物材、脱半纤维素材和脱matrix材的结晶度分别为36.4%、41.3%和48.5%;2)在动态条件下,傅里叶法对不同周期下的相对湿度及各化学处理试材的含水率变化均获得了良好的拟合效果;3)各试材的动态等温吸附曲线由多个连续的椭圆形相互叠加而成,可以明显地观察到吸湿滞后现象,滞后率在0.881~0.955范围内;4)当相对湿度循环周期足够长时,未处理材、脱抽提物材、脱半纤维素材和脱matrix材的水分吸着系数分别是0.090 8、0.094 8、0.089 2和0.087 4,仅为静态条件下水分吸着系数的1/2左右。【结论】1)在化学处理过程中,木材的半纤维素被脱除,而纤维素的结晶结构没有受到破坏;2)随着相对湿度的正弦变化,各处理材的含水率也呈正弦变化,在相位上滞后于相对湿度的变化,且随着时间的延长逐渐趋于稳态;3)随着周期的延长,试材的振幅和水分吸着系数均有所增加,相位滞后有所下降;4)将各化学处理材进行比较,对于任一周期下,脱抽提物材的振幅和水分吸着系数最大,其次分别是未处理材、脱半纤维素材和脱matrix材。     

马尾松微波间歇干燥对干燥效率与速率的影响

分析马尾松木材微波干燥速率随时间的变化规律,比较微波连续辐射和间歇辐射对木材干燥速率和微波能利用效率的影响.结果表明:木材微波干燥过程可以分成加速段、恒速段和减速段3个阶段;在微波干燥过程中,木材含水率在纤维饱和点以上时,其平均干燥速率和水分蒸发效率比在纤维饱和点以下时的高;采用适当间歇辐射对木材输入微波能,微波能利用率较高.     

核磁共振技术在沼生栎种子失水过程中水分相态变化

【目的】沼生栎以播种繁殖为主，但该种子对失水较敏感，具有顽拗性。本研究旨在探究沼生栎种子失水过程中水分相态的变化，探明半致死和致死含水量，为其运输、安全贮藏提供理论依据，也为其他顽拗性种子的研究提供参考。【方法】采用自然干燥法降低种子的含水量，利用核磁共振技术探求失水过程中种子内部水分相态、含量的变化，并结合种子发芽率的变化，分析各相态的水分在种子脱水中的作用。【结果】1)沼生栎种子初始含水量为38.0%，发芽率为96.00%。随着含水量的下降，种子发芽率不断下降，当含水量降至10.0%时，种子完全死亡。由拟合曲线计算得知种子的半致死含水量为17.39%。2)核磁共振波谱图表明，沼生栎种子水分质量(x)与核磁共振弛豫图谱峰面积(y)呈显著一元线性回归关系，其线性回归方程为：y=21 132x+698.05，相关系数R²=0.999 6。3)T₂弛豫图谱中各峰从左至右依次为：束缚水T₂₁、不易流动水T₂₂、自由水T₂₃。4)新鲜种子中自由水比例最高，占66.39%，而束缚水和不易...     

微坑型微织构硬质合金表面对木材摩擦特性的影响

【目的】探讨木材含水率、木材切面和纤维方向以及运动速度等因素对木材表面摩擦系数的影响规律,为设计更加合理的木材切削刀具表面织构形式提供参考和指导。【方法】以水曲柳和樟子松为研究对象,在具有不同微坑直径硬质合金表面条件下,研究木材含水率、木材切面和纤维方向以及运动速度等因素对木材表面摩擦系数的影响。【结果】与无微坑表面相比,当微坑直径为60μm、含水率为67%±3%时,在水曲柳表面产生的摩擦系数由0. 151降低到0. 091,降幅为39. 7%,在樟子松表面产生的摩擦系数由0. 241降低到0. 164,降幅为32. 0%。木材径切面上纤维方向差异对表面摩擦系数的影响不大,但在横切面上,微坑直径越小,其表现出的摩擦系数越高。摩擦过程中运动速度对表面摩擦系数的影响与木材中的水分有较大关系,当含水率处于生材状态时,表面摩擦系数随运动速度增大而降低,且微坑型结构表面产生的摩擦系数降幅明显高于无微坑表面,无微坑表面产生的摩擦系数由0. 160降低到0. 134,降幅为16. 3%,微坑直径为60μm时的摩擦系数由0. 124降低到0. 071,降幅为42. 7%。【结论】木材含水率状态对微坑型表面微织构与木材之间的摩擦系数影响较大,木材中自由水的存在有利于降低硬质合金与木材表面之间的摩擦系数。微织构直径越小,其接触角平均变化率越大,表面铺展速度越大,越有利于改善木材/硬质合金摩擦副的状态,使表面间的摩擦系数减小。     

冻结红松和大青杨湿木材内部水分存在状态及含量测定

为对立木在冬季冻结时内部水分存在状态及含量进行研究,采用差示扫描量热仪(DSC204)分别对红松和大青杨湿木材试样进行降温(20℃到-60℃)和升温(-60℃到20℃)扫描测试,通过DSC曲线观察木材中水分冻结和融化所产生的放热峰和吸热峰位置,并采用积分法计算吸热峰面积,估计木材中水分存在状态及含量。结果表明:1)采用DSC能够对冻结木材中水分存在状态、含量进行比较清晰的判定,从DSC曲线可知,冻结湿木材中含有冻结自由水、冻结结合水和非冻结水3种类型水分;2)温度降低时,红松和大青杨中自由水冻结产生的放热峰位置约为-13℃和-18℃;温度升高时,冻结结合水和自由水融化所产生的吸热峰位置分别约为-0.4℃,6℃和0.8℃,9℃;3)温度-60℃时,红松边材晚材、边材早材、心材晚材和心材早材试样中冻结水占木材总含水量的80.3%,75.8%,75.2%和77.3%,而大青杨分别为69.4%,68.5%,63.3%和89.0%。     

过热蒸汽预处理对50 mm厚杨木锯材常规干燥的影响

【目的】采用过热蒸汽预处理杨木锯材后进行常规干燥,探究过热蒸汽预处理对杨木锯材干燥速率、干燥质量和干燥时间的影响,以期提高杨木锯材干燥速率、缩短干燥周期、降低干燥能耗,为杨木锯材的高附加值利用提供技术依据。【方法】采用温度为110、120和125℃的过热蒸汽对初含水率100%~150%、规格900 mm×120 mm×50 mm(轴向×弦向×径向)的杨木锯材预处理5 h,之后进行常规干燥,分析过热蒸汽预处理对锯材含水率、应力、外观质量以及后期常规干燥速率的影响,依据国家标准对过热蒸汽预处理及未处理材常规干燥后的干燥质量进行评价。【结果】1)过热蒸汽预处理结果表明:预处理温度从110℃增加到125℃时,锯材含水率下降比例从59.26%增加到77.11%,含水率在较短时间内大幅度降低并接近木材纤维饱和点;预处理后锯材的残余应力较大,在2.71%~7.75%之间;锯材顺弯、横弯、翘曲和扭曲指标的干燥质量等级均为一级;锯材皱缩比例在25.00%~36.96%之间。2)常规干燥结果表明:经110、120和125℃过热蒸汽预处理后,锯材常规干燥速率较未处理材分别增大7.97%、16.23%和78.42%;从含水率和应力方面分析,过热蒸汽预处理材常规干燥后的干燥均匀度和厚度上的含水率偏差指标质量等级均达到一级,终含水率指标的质量等级为二级;锯材预处理过程中产生的残余应力在常规干燥过程中被释放,常规干燥后残余应力指标质量等级为二级;从外观干燥质量分析,预处理材常规干燥后的顺弯、横弯、翘曲和扭曲指标质量等级均达到一级;锯材在过热蒸汽预处理过程中产生的皱缩在常规干燥过程中部分得到恢复,常规干燥后锯材皱缩比例分别降低至28.60%、9.09%和15.00%。3)总干燥时间分析结果表明:与未处理材的常规干燥相比,110、120和125℃过热蒸汽预处理材的总干燥时间分别缩短了24.96%、44.22%和67.24%。【结论】过热蒸汽预处理可以显著降低杨木锯材的含水率,并提高杨木锯材常规干燥的干燥速率,缩短干燥时间。综合考虑杨木锯材干燥质量和干燥效率,50 mm厚杨木锯材过热蒸汽预处理温度以120℃较好。     

干燥过程中木材温度的变化规律以及与含水率关系的研究

通过对高温和常规温度干燥过程中木材温度及含水率变化与分布的测定,研究木材温度变化的特点和木材温度与含水率的变化关系。分析自由水蒸发面移动、水分状态改变对温度变化的影响。在此基础上,探讨利用木材温度控制干燥过程的可能性和实施方法,     

木材—吸附水系的介电弛豫时间分布

木材中吸附水的介电弛豫过程与水分子回转取向时,切断同木材吸附点之间形成的氢键结合数及参与回转取向的水分子数密切相关。木材-吸附水系不是单一介电弛豫时间而是具有多重介电弛豫时间的系统,即木材-吸附水系的介电弛豫时间具有某种分布。一般,依据介电弛豫时间分布形式,可以考察系统的介电弛豫机构即分子运动形式。本文应用Fouss-Kirkwood、Ferry关于弛豫时间分布的理论,求出了木材-吸附水系的介电弛豫时间谱,并讨论了Fouss-Kirkwood理论中的弛豫参数α同含水率之间的关系,最后还触及了木材-吸附水系的介电弛豫时间分布的机构。     

低温环境下桦木顺纹抗压强度的研究

为揭示不同水分状态木材在低温环境下的力学强度变化规律,研究了5种水分状态(饱水、生材、纤维饱和点、气干、绝干)桦木木材在0~-196℃低温环境下的顺纹抗压强度,并与室温环境下(20℃)的5种水分状态木材顺纹抗压强度进行比较。结果表明,在低温(0~-196℃)环境下,随着测试环境温度的降低,木材顺纹抗压强度增加,在-196℃环境下,5种水分状态的桦木顺纹抗压强度比室温环境下分别增加821.24%,718.05%,632.87%,223.75%和95.28%。木材顺纹抗压强度与温度呈线性关系,其斜率代表了顺纹抗压强度随温度变化的增加率,即木材含水率越高,随着低温温度的降低,顺纹抗压强度增速越大。在低温环境下,木材细胞中水分形成的冰柱,是木材顺纹抗压强度增加的主要原因。对绝干材而言,木材细胞壁上纤维和纤维胶着物质发生硬化,是其顺纹抗压强度增加的主要原因。     

基于非稳态法测定木材水分扩散系数

锯材在纤维饱和点以下干燥时,水分的迁移过程主要是以非稳态扩散形式进行的,非稳态扩散指木材内部的水流通量和含水率梯度随时间和空间而变化。为了给木材干燥提供依据,采用非稳态法在一定的试验条件下测定了木材的水分扩散系数,探讨了不同材种、干燥介质温度、初始含水率、纹理方向对扩散系数的影响。结果表明:扩散系数与树种有一定的关系,通过比较,樟子松的扩散系数为7.06×10~(-6)cm~2/s,杨树的扩散系数为9.61×10~(-6)cm~2/s,杨树的扩散系数大于樟子松的扩散系数;在纤维饱和点以下,初始含水率30%时樟子松的木材水分扩散系数为7.54×10~(-6)cm~2/s,25%时为7.06×10~(-6)cm~2/s,20%时为6.61×10-6cm~2/s,15%时为6.37×10~(-6)cm~2/s,初始含水率越高,水分扩散系数越大;在相同条件下,干燥介质的温度为90℃、80℃、70℃、60℃、50℃时,对应的樟子松木材水分扩散系数分别为8.04×10~(-6)cm~2/s、7.32×10-6cm~2/s、6.63×10~(-6)cm~2/s、5.94×10~(-6)cm~2/s、4.91×10~(-6)cm~2/s,扩散系数随着温度的升高而增大;在不同的纹理方向,木材水分扩散系数不同,樟子松纵向、径向、弦向的扩散系数分别为7.06×10~(-6)cm~2/s、3.63×10-6cm~2/s、2.14×10~(-6)cm~2/s,由大到小依次为纵向、径向、弦向。     

竹材热压干燥过程中的水分迁移特性研究

研究了竹材热压干燥过程中的水分迁移特性.结果表明:在整个干燥过程中,前期含水率降低较快,后期含水率降低较慢.竹材平均干燥速度与次表层竹材的干燥速度相近;在含水率较高的干燥初期,水分迁移的阻力在竹材表面,水分迁移主要靠毛细管张力作用;在含水率较低的干燥后期,水分迁移的阻力在竹材内部,水分迁移主要以扩散方式进行,干燥速度取决于木材内部水分移动的速度.竹材热压干燥过程中的水分移动,主要受温度梯度和含水率梯度的共同作用.