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水分贯穿于木材形成与利用的全过程。深入探讨木材与水分之间的相互作用关系一直是木材科学的重要基础研究领域。本论文系统研究了水分吸着和解吸过程中木材黏弹性的变化规律,揭示了木材黏弹性对湿热效应的响应机制,为木材湿—热处理以及湿—热—力处理技术的优化提供理论依据和科学指导,具有重要的理论价值和现实意义。本论文采用动态机械分析仪(DMA Q800)分别对水分吸着和解吸过程中杉木(Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.)黏弹性(贮存模量E′、损耗模量E′′)的时间谱与频率谱进行了系统研究,构建了木材黏弹性湿热效应的可视化网络。在6个恒定温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃)下,对于水分吸着过程,分别考察了3个升湿速率(以0.5%RH/min、1.0%RH/min和2.0%RH/min由0%RH升高至90%RH)与3个湿度水平(30%RH、60%RH和90%RH)下木材黏弹性的经时变化规律;对于水分解吸过程,分别考察了3个降湿速率(以0.5%RH/min、1.0%RH/min和2.0%RH/min由85%RH降低至0%RH)与3个湿度水平(0%RH、30%RH和60%RH)下木材黏弹性的经时变化规律。此外,在1Hz~50Hz的频率域内测定了水分吸着和解吸过程中木材黏弹性频率谱。通过木材黏弹性的时间谱,分析了水分非平衡态下木材的机械吸湿蠕变效应。通过木材黏弹性的频率谱,探讨并验证了木材动态刚度的“时间—水分”等效性,分析了水分非平衡态下木材力学松弛转变行为的加速机制。以木材黏弹性时间谱和频率谱为基础数据,建立了环境温度、湿度与黏弹性参数的相关关系。本论文主要结论如下:1.水分吸着过程中的塑化效应引起木材动态刚度减小,阻尼增大;水分解吸过程中的分子间氢键重建效应引起木材动态刚度增大,阻尼减小;水分吸着/解吸过程中的机械吸湿蠕变效应和热效应引起木材阻尼增大。2.在水分吸着过程中,减小升湿速率或升高湿度水平均能增加木材含水率,增强塑化效应,促进木材动态刚度的减小和和阻尼的增大。30℃时,当升湿速率由2.0%RH/min分别减小至1.0%RH/min和0.5%RH/min,相对贮存模量(nE′)终值由0.93分别减小至0.91和0.90,相对损耗模量(nE′′)终值由1.85分别增大至2.01和2.02;当湿度水平由30%rh分别升高至60%rh和90%rh,ne′终值由0.97分别减小至0.96和0.89,ne′′终值由1.05分别增大至1.07和1.17。3.在水分解吸过程中,减小降湿速率或湿度水平均能降低木材含水率,增强分子间氢键重建效应,促进木材动态刚度的增大和阻尼的减小。30℃时,当降湿速率由2.0%rh/min分别减小至1.0%rh/min和0.5%rh/min,ne′终值由1.05分别增大至1.10和1.17,ne′′终值由0.93分别减小至0.82和0.80;当湿度水平由60%rh分别降低至30%rh或0%rh,ne′终值由1.05分别增大至1.09和1.13,ne′′终值由0.87分别减小至0.84和0.814.在水分吸着/解吸过程中,损耗模量在测定频率为1hz和20hz时的比值可以用来表征机械吸湿蠕变效应。在升湿/降湿过程中,机械吸湿蠕变效应逐渐增强,并随升湿/降湿速率的增加更显著;在恒湿过程中机械吸湿蠕变效应逐渐减弱,并随湿度水平的降低进一步弱化。采用“损耗模量在测定频率为1hz和20hz时的比值”与“吸着/解吸过程中含水率距平衡含水率的差值”二者的对应关系可以预测细胞壁的残余不稳定化程度。对于水分吸着过程,湿度水平越高,细胞壁的残余不稳定化程度越大;对于水分解吸过程,则反之。5.升高温度能加快水分吸着/解吸速率,从而增强塑化效应和分子间氢键重建效应。对于水分吸着过程,当升湿速率为2.0%rh/min、温度由30℃升高至80℃时,ne′终值由0.93减小至0.75,ne′′终值由1.85增大至2.49;当湿度水平为90%rh、温度由30℃升高至80℃时,ne′终值由0.89减小至0.68,ne′′终值由1.17增大至1.46。对于水分解吸过程,当降湿速率为2.0%rh/min、温度由30℃升高至80℃时,ne′终值由1.05增大至1.25,ne′′终值由0.93减小至0.86;当湿度水平为0%rh、温度由30℃升高至80℃时,ne′终值由1.13增大至1.17,ne′′终值由0.81减小至0.74。6.在40℃、50℃和60℃的水分吸着过程中均可观察到半纤维素的湿热软化现象。在70℃和80℃的水分吸着/解吸过程中均可观察到木质素的湿热软化现象。升高温度或增加湿度可以加速半纤维素和木质素发生湿热软化。7.贮存模量随测量频率的增加而增大,增加含水率与降低测量频率对引起贮存模量的减小存在等效关系。在30℃~80℃恒定温度下,对于水分吸着过程,在0.6%~18.3%的含水率范围内,合成了参考含水率为0.6%时的主曲线,跨越的频率范围为1011Hz~1017Hz;对于水分解吸过程,在3.6%~22.2%的含水率范围内,合成了参考含水率为19.0%~22.2%时的主曲线,跨越的频率范围为1016Hz~1024Hz。各温度下水平移动因子与含水率的关系曲线均满足WLF方程,证实了水分吸着/解吸过程中木材动态刚度的“时间—水分”等效性。此外,将水分吸着过程中贮存模量主曲线进行二次叠合,揭示了“时间—水分—温度”等效性描述木材动态刚度变化是适用的。8.损耗模量随测量频率的增加呈现先减小后增大的变化趋势。损耗模量极小值可以用来表示α力学松弛过程(半纤维素发生玻璃化转变)与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木材中吸着水分子回转取向运动的力学松弛过程二者的叠加)之间的转变。两个力学松弛过程之间的转变随含水率的增加向高频方向移动。机械吸湿蠕变效应能够缩短木材聚合物组分的松弛时间。9.环境温度、湿度和木材黏弹性参数组成的可视化网络可以划分为四层结构单元。木材黏弹性湿热效应可视化网络的构建证实了温度对木材弹性和黏性的影响程度几乎相等,而湿度对黏性的影响程度更显著。