水分解吸过程中杉木黏弹行为的经时变化规律及其频率依存性

作     者：詹天翼 吕建雄 张海洋 蒋佳荔 彭辉 常建民 Zhan Tianyi Lu Jianxiong Zhang Haiyang Jiang Jiali Peng Hui Chang Jianmin

作者机构：南京林业大学材料科学与工程学院南京210037 中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室北京100091 北京林业大学材料科学与技术学院北京100083 

出 版 物：《林业科学》 (Scientia Silvae Sinicae)

年 卷 期：2017年第53卷第8期

页      面：155-162页

核心收录：

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

基　　金：江苏省自然科学基金项目(BK20170926 BK20150878) 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD) 

主　　题：杉木 解吸 黏弹行为 频率依存性 细胞壁不稳定化 

摘      要：【目的】研究木材黏弹行为在水分解吸过程中的经时变化规律及其频率依存性,明确细胞壁不稳定化现象对木材松弛转变行为的影响机制。【方法】以含水率为22.2%(对应的温度和相对湿度为30℃和85%)的杉木木材为研究对象,采用动态机械分析仪(DMA Q800)测定水分解吸过程中木材贮存模量E 和损耗模量E″的经时变化,并比较不同频率(1~50 Hz)之间黏弹行为变化的异同。在水分解吸过程中,共设置3个相对湿度水平(0%、30%和60%),任一相对湿度水平下的水分解吸过程分为降湿和恒湿2个阶段:在降湿阶段,相对湿度由85%以2%·min^(-1)分别降低至0%、30%或60%;在恒湿阶段,相对湿度在0%、30%或60%下恒定120 min。此外,选取6个平衡含水率水平(0.6%、3.2%、7.4%、13.1%、17.9%和22.2%)研究水分平衡状态下木材黏弹行为在不同频率之间的差异。【结果】在所有频率下,随着解吸时间延长,木材贮存模量增加,损耗模量减小。以1 Hz频率为例,选取降湿阶段和恒湿阶段结束为时间节点,贮存模量和损耗模量变化率(|ΔE |和|ΔE″|)及其与含水率变化率的比值(|ΔE /ΔMC|和|ΔE″/ΔMC|)随解吸时间的变化为:在降湿阶段结束时,|ΔE |基本等于或大于|ΔE″|,|ΔE /ΔMC|基本等于或大于|ΔE″/ΔMC|;但在恒湿阶段结束时,|ΔE |小于|ΔE″|,|ΔE /ΔMC|小于|ΔE″/ΔMC|。在降湿和恒湿阶段,|ΔE |、|ΔE″|、|ΔE /ΔMC|和|ΔE″/ΔMC|均随相对湿度水平的减小而增大。在解吸过程中,贮存模量随频率的增加而增大,损耗模量随频率的增加先减小后增大;损耗模量极小值对应的特征频率出现在10~30 Hz范围内。特征频率随着解吸时间的延长向低频方向移动。在含水率相同时,解吸过程对应的理论特征频率要较水分平衡状态的高。在解吸过程中,木材黏弹行为的变化在不同频率间有所差异。以损耗模量在1 Hz和20 Hz频率下的比值(E″1Hz/E″20Hz)为例,随着解吸时间的延长,E″1Hz/E″20Hz先增大后减小;在解吸过程的任一时间节点处,E″1Hz/E″20Hz在相对湿度为0%时最大,60%时最小。根据E″1Hz/E″20Hz的变化量计算细胞壁不稳定化程度的残余率,对应于相对湿度0%、30%和60%,残余率分别为2.22%、0.48%和0.37%。【结论】随着解吸时间的延长,木材刚度增加,阻尼减小;刚度的变化主要与分子间氢键重建效应有关,而阻尼的变化则是分子间氢键重建效应和自由体积效应的叠加作用。随着解吸时间延长,吸着水分子和吸着水-聚合物分子链复合基团的取向运动难度增大,表现为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)的转变向低频方向移动,但细胞壁不稳定化的存在使得聚合物分子链的取向运动难度减小。随着解吸时间延长,细胞壁的不稳定化程度逐渐减弱;根据损耗模量在1 Hz和20 Hz频率下的比值可以预测达到新的平衡含水率时细胞壁不稳定化程度的残余率。此外,理论残余不稳定化程度随着相对湿度水平的降低而增大。