超声波预处理对杨木干燥特性的影响机制

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为克服杨木难于进行干燥的问题,促进人工林速生材的利用,缓解国内面临的木材短缺问题,本文借助超声波技术以水为传声媒质对杨木施加预处理,探讨了预处理工艺对其干燥特性、尺寸稳定性及力学性能的影响,并解释了超声波对杨木的作用机制。主要结论如下:  (1)超声波预处理可以提高杨木的含水率、干燥速率和有效水分扩散系数,且随着超声波作用时间的增加,杨木试件的干燥速率及有效水分扩散系数逐渐增大,随着超声波功率的增加,杨木试件的干燥速率以及有效水分扩散系数呈现先增后减的趋势,在预处理功率为350W时达到极值。另外,超声波处理材干燥后的厚度含水率偏差及残余应力指标均明显低于未处理材,干燥质量更好。  (2)超声波处理材和未处理材在加热过程中,不同厚度上的温度变化趋势一致,但是超声波处理材的温度更早达到稳定,并且处理材的终点温度和平均温度以及最外层和中心层温差均小于未处理材。超声波处理并不改变杨木温度升高的难易程度。处理材和未处理材的干燥动力学曲线形状比较接近,对比处理材和未处理材在纤维饱和点上下的干燥速率,发现超声波预处理使杨木自由水和结合水的迁移速率均加快。  (3)超声波处理材的绝干密度略低于未处理材。超声波处理材的吸湿稳定含水率和湿胀率普遍低于未处理材,尺寸稳定性更好。并且超声波处理材的弦向湿胀率和径向湿胀率的比值T/R均要小于未处理材,形状更加稳定。经过超声波预处理的试材在温度为20℃、相对湿度为65%的条件下吸湿平衡后,其顺纹抗压强度和抗弯强度有所降低,但降低程度较轻,抗弯弹性模量略微提高。处理材的弯曲破坏总应变增加,弹性应变略有降低,非弹性应变增加。超声波作用下杨木力学性能的变化是其吸湿性、密度、木材细胞壁组分变化共同作用的结果。  (4)红外光谱分析表明,超声波处理打断了木材细胞壁各组分之间连接较弱的化学键,从而使更多特征官能团暴露出来,削弱了木材各组织之间的联系,使木材中的极性基团增多。X射线衍射结果表明超声波处理对木材的聚集态结构并未造成影响,且处理材的结晶度均有所提高。超声波预处理杨木的过程中,“结晶”和“消晶”作用同时存在。超声波处理材结晶度和化学官能团的变化很好地解释了杨木尺寸稳定性及力学性能的变化。扫描电镜观察的结果表明超声波作用破坏了木材中的纹孔膜等薄弱组织,在木材内部形成了新的孔隙和通道,加快了杨木试件干燥的速度。  超声波预处理技术可以有效改善杨木的干燥特性,同时还能提高其尺寸稳定性,并且对其力学性能仅有轻微的负面影响,是一种比较理想的改性处理手段。
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