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林业科学 2024年第8期60卷 184-192页

作者：李媛李珠都亚敏蒋佳荔中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室北京100091

【目的】探究水热环境中马尾松早材(EW)和晚材(LW)的轴向拉伸力学行为,在生长轮尺度上揭示木材软化行为发生规律,为木材弯曲、塑化、大变形加工等实际应用中工艺参数的选择和优化提供参考。【方法】以马尾松心材区域第17生长轮的早材和... 详细信息

【目的】探究水热环境中马尾松早材(EW)和晚材(LW)的轴向拉伸力学行为,在生长轮尺度上揭示木材软化行为发生规律,为木材弯曲、塑化、大变形加工等实际应用中工艺参数的选择和优化提供参考。【方法】以马尾松心材区域第17生长轮的早材和晚材为研究对象,采用X射线剖面密度仪测定早材和晚材的绝干密度;利用轮转式切片机在早材和晚材区域的径切面(LR)制取LR-EW和LR-LW组织切片,在早材与晚材区域的弦切面(LT)制取LT-EW和LT-LW组织切片;应用X射线衍射仪和动态力学分析仪在30、40、50、60、70和80℃条件下测定LREW、LR-LW、LT-EW和LT-LW组织切片的微纤丝角、拉伸弹性模量、拉伸强度和拉伸应变速率。【结果】1)晚材的绝干密度(0.836 g·cm^(3))是早材(0.388 g·cm^(3))的2.2倍。任一温度时,早材的微纤丝角大于晚材,弦切面的微纤丝角大于径切面;饱水早材和晚材在径切面或弦切面的微纤丝角均随温度升高而减小。2)30℃时,晚材径切面的拉伸弹性模量是早材的2.1倍,晚材弦切面的拉伸弹性模量是早材的3.3倍。在4种组织切片中,LT-LW的拉伸强度最大,LR-LW的拉伸强度是LR-EW的2.0倍。绝干密度和微纤丝角是影响早材和晚材径切面、弦切面拉伸力学行为的2个关键因子。3)当温度由30℃升至80℃时,早材和晚材在径切面、弦切面的拉伸弹性模量和拉伸强度呈降低趋势,其降幅均为早材大于晚材、弦切面大于径切面。早材和晚材在径切面或弦切面拉伸弹性模量和拉伸强度降幅的拐点温度均为60℃,与木材细胞壁中木质素发生软化有关。4)任一加载速率(0.5、1.0和2.0 N·min^(−1))时,饱水早材和晚材在径切面、弦切面的拉伸应变速率均随温度升高而增大;当温度和加载速率一定时,早材径切面的拉伸应变速率是晚材的2.0倍,早材弦切面的拉伸应变速率是晚材的3.3倍。当加载速率倍增时,早材和晚材径切面、弦切面的拉伸应变速率均呈倍增变化趋势。【结论】饱水早材和晚材在径切面或弦切面的微纤丝角、拉伸弹性模量和拉伸强度均随温度升高而减小(或降低)。与晚材相比,温度变化对早材拉伸弹性模量和拉伸强度的影响更大。温度升高引起微纤丝角变小,抑制拉伸弹性模量和拉伸强度降低,但在60℃及以上水热环境中,木质素软化是引起拉伸弹性模量和拉伸强度降低的主要因素。

关键词：马尾松早材晚材水热环境轴向拉伸

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楸木不同类型组织的湿胀-干缩行为

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林业科学 2024年第7期60卷 105-116页

作者：殷方宇都亚敏李珠蒋佳荔中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室北京100091

[目的]实时、同步测量楸木早材和晚材的水分吸着-解吸等温线以及木纤维组织、木射线、导管尺寸的变化比率,揭示早材和晚材不同类型组织的尺寸变化规律及其相互作用机理。[方法]以楸木心材同一生长轮内的早材和晚材为研究对象,采用动态... 详细信息

[目的]实时、同步测量楸木早材和晚材的水分吸着-解吸等温线以及木纤维组织、木射线、导管尺寸的变化比率,揭示早材和晚材不同类型组织的尺寸变化规律及其相互作用机理。[方法]以楸木心材同一生长轮内的早材和晚材为研究对象,采用动态水分吸附分析仪联用视频白光显微镜,在水分吸着-解吸阶段[温度设置为(25.0±0.1)℃,相对湿度变化过程设置为0%→95%→0%,以相对湿度10%为梯度进行升湿、降湿],同步测量早材和晚材的水分吸着-解吸等温线以及木纤维组织、木射线、导管尺寸的变化比率;在平衡含水率恒定阶段,考察“尺寸变化行为”与“平衡含水率”之间是否存在滞后现象。[结果]1)在水分吸附全过程中,早材和晚材均表现出明显的吸湿滞后现象,绝对滞后值随相对湿度升高先增大后减小,相对湿度70%时达到最大值;与早材相比,晚材的绝对滞后值较小。2)早材和晚材木纤维组织、木射线尺寸的变化比率均随相对湿度升高而增大;导管弦向直径变化比率随相对湿度的变化模式与之相反,在相对湿度95%时,早材和晚材导管弦向直径的变化比率分别为0.945和0.918。3)随着木射线与导管之间直线长度(L)增加,木射线弦向尺寸的变化比率减小,L≥200μm后不再发生变化;轴向尺寸的变化比率未改变或改变很小,在相对湿度95%时,早材和晚材木射线弦向尺寸变化比率的最大值分别为1.051和1.038。(4)在水分吸附循环过程中,早材和晚材木纤维组织、木射线、导管尺寸的变化比率均表现出明显的湿胀滞后现象,湿胀滞后值随相对湿度升高先增大后减小,相对湿度70%时达到最大值。(5)在水分吸着-解吸过程中,早材和晚材组织“刚达到含水率平衡态”的尺寸变化比率与“保持含水率平衡态180 min”后的尺寸变化比率相比未发生明显变化,可被认为是相等的。[结论]木质素对绝对滞后值的影响大于半纤维素;在水分吸着过程中,木纤维组织和木射线的湿胀行为对导管产生挤压使其收缩;在水分解吸过程中,木纤维组织的干缩行为对导管产生拉伸使其扩张;晚材组织对导管的挤压和拉伸大于早材组织;木纤维组织对木射线的湿胀-干缩行为起抑制作用,相较于早材木纤维组织,晚材木纤维组织对木射线弦向湿胀-干缩行为的抑制作用更显著;木材吸湿滞后行为是引起湿胀滞后现象的原因之一;早材和晚材组织均可视为同步达到“含水率平衡态”和“尺寸变化平衡态”,即“尺寸变化行为”与“平衡含水率”之间不存在滞后现象。

关键词：楸木早材组织晚材组织湿胀-干缩滞后

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吸湿解吸循环过程中木材水分吸附特性

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林业科学 2024年第9期60卷 150-158页

作者：都亚敏李珠蒋佳荔殷方宇吕建雄中国林业科学研究院木材工业研究所、国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室北京100091

【目的】探究吸湿解吸循环过程中木材水分吸附特性,阐释湿度循环对木材细胞壁及其吸着水分子的影响机制,为木材的实际使用和合理开发提供理论依据和数据参考。【方法】以杉木和马尾松木材为试验材料,采用动态水分吸附分析仪在3或5次吸... 详细信息

【目的】探究吸湿解吸循环过程中木材水分吸附特性,阐释湿度循环对木材细胞壁及其吸着水分子的影响机制,为木材的实际使用和合理开发提供理论依据和数据参考。【方法】以杉木和马尾松木材为试验材料,采用动态水分吸附分析仪在3或5次吸湿解吸循环(0%→95%→0%)过程中实时测定木材水分吸附数据,绘制水分吸着-解吸等温线,借助H-H模型对其吸湿平衡含水率进行非线性拟合分析。【结果】1)吸湿解吸循环前后,木材平衡含水率最大值呈降低趋势,其差值范围为0.21%~1.76%;初次循环过程木材吸湿平衡含水率低于后续循环过程,相对湿度40%~95%时尤为明显;2)随着吸湿解吸循环次数增加,木材单次循环所需时间减少,且降低幅度也明显变小;与块状试样相比,粉末状试样单次循环所需时间较少;3)初次循环过程木材吸湿滞后现象相比后续循环过程更明显,随着循环次数增加,吸湿滞后最大值减小,吸湿滞后率均值增大;4)H-H模型可用于分析吸湿解吸循环过程中木材水分等温吸附,其拟合度(R2)均高于0.996;随着循环次数增加,代表含有单位摩尔吸附位点的绝干木材质量(W)参数呈降低趋势,木材单分子层吸附水最大质量分数呈增大趋势,多分子层吸附水最大质量分数和吸附水总质量分数最大值均呈降低趋势。【结论】随着吸湿解吸循环次数增加,湿度循环对木材细胞壁的影响减弱:木材吸湿性能降低,其平衡含水率最大值呈降低趋势;单次循环所需时间减少;吸湿滞后现象减弱。

关键词：杉木马尾松湿度循环水分吸附 H-H模型

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