杨树正常木和应拉木的水分状态和动态力学性能比较研究

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木材中水分含量及其状态对于木材材质评价和加工利用影响深远,所以相关研究工作在木材科学领域中具有重要地位。阔叶材树种在直立生长受到影响时会形成应拉木,以恢复正常的生长状态。因此,分析正常木和应拉木水分含量及其状态之间的区别,比较不同干燥方式对其影响,以及分析正常木和应拉木动态力学性能的变化情况,对木质材料生产加工利用具有重要指导意义。本论文以杨树正常木和应拉木为对象,首先比较分析了经过不同时间气干之后,木材含水率、细胞壁存水能力和动态力学行为的变化,并比较这种变化在正常木和应拉木之间的区别;其次,分析了不同干燥方式(室温干燥、冷冻干燥和105℃干燥)对木材细胞壁结晶结构和动态力学行为的影响,同样比较了正常木和应拉木之间的差异性;最后,比较不同干燥处理对木材细胞壁存水能力的影响,并分析这种影响在正常木和应拉木之间的区别。上述工作主要得出以下结论:正常木和应拉木生材试样在DSC测试降温段均出现两个放热峰,即木材中自由水异相结晶形成的放热I型峰和木材中少量水分子均相成核形成的放热II型峰。正常木和应拉木测试结果比较得出,正常木中发生相转变的水分含量大于应拉木,即正常木可冻结水水量高于应拉木。由于不可冻结水主要有结合水组成,因此认为当木材含水率高于纤维饱和点,应拉木细胞壁中存在的结合水量要高于正常木。动态力学行为分析结果显示,在-150℃~100℃的温度段,正常木和应拉木均出现两个明显的力学松弛峰。正常木细胞壁中含有更多量的木质素与半纤维素导致了α 松弛峰面积较大。应拉木胶质层中具有更多位点可以吸附水分子,因此应拉木β松弛峰温度范围大于正常木。同时因为应拉木壁层中胶质层十分容易收缩塌陷,导致了不同含水率应拉木试样的储能模量(E’)总是小于正常木的储能模量(E’)。为了进一步准确比较正常木和应拉木的动态力学性能,通过分析木材横截面图像得到正常木和应拉木试样的孔隙率数据,进而校正DMA测试数据,结果发现孔隙率在一定程度上可以实现数据校正。比较不同干燥方式对木材细胞壁结构和动态力学行为的影响,结果表明105℃干燥相比较其它两种干燥方法会促进纤维素分子链的重排形成更大区域。而冷冻干燥对于应拉木纤维素分子链重排结晶的促进作用最弱,所以形成了尺寸最小的纤维素晶粒。同时,105℃干燥快速脱水的过程会降低微纤丝排列的规整度从而增大了微纤丝角度。105℃干燥处理的应拉木储能模量(E’)最高,冷冻干燥应拉木的储能模量(E’)最低。这是由于105℃干燥过程中纤维素非结晶区域有一定程度的结晶,使得试样刚度增加。冷冻干燥过程中冰晶的升华使木质细胞壁会收缩,可能对细胞壁造成一定的损伤,最终降低了木材试样的刚度。比较不同干燥处理后对木材中水分含量及其状态的影响,研究发现室温干燥和冷冻干燥之后,正常木细胞壁中提供给水分均相成核的空间位点转变成容纳不可冻结水的孔隙,而应拉木细胞壁中吸附水分的位点、孔隙结构和结晶结构都发生了变化,相对于正常木细胞壁发生了更大的变化。在降低了细胞壁吸附水分的能力同时,有可能将原本容纳不可冻结自由水的孔隙结构转变成可以发生水分均相成核封闭空间。105℃干燥过程中试样中液态水在干燥过程中快速气化蒸发,会在局部区域形成较大的蒸汽压,进而破坏了细胞壁的结构,可能为正常木水分均相结晶成核提供了空间,但同时破坏了应拉木原有孔隙结构,造成应拉木细胞壁无法存储水分。
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