杨木高强度微波膨化与重构机制研究

Poplar has some shortcomings including in soft surface, low strength and hardness. The intensive microwave puffing and reconstruction can ben used to overcome the barries and improve the wood properties of poplar, and to realize its high value-added applications. It is proposed in this project to investigatge the dynamic characteristics of poplar wood under high intensive microwave puffing based on the microscopic mechanics and chemical properties of cell wall using nano-indentation and gas chromatography-mass spectrometer. A cellular automata mathematical model for wood microwave puffing will be developed to simulate the evolution procedure and critical conditions of wood microwave puffing. The simulation will provide some insight to understand the mechanism of poplar wood puffing under high intensive microwave treatment. This study will focus on the microwave puffing pretreatment of poplar wood with the special intensive microwave instrumentation and the fundemental theory that governs wood microwave puffing and the reconstruction of microwave-puffed wood.The main physical and chemical properties of microwave-puffed poplar wood and reconstruction mechanism for its composite will be evalauted. The results will provide a theoretical basis for the further technology development for high value-added poplar products. It is also expected that this study will achieve important theoretical breakthroughs to solve serious technical issues restricting high quality and efficient utilization of the fast-grown plantation poplar wood.

杨木材质松软、强度和硬度低，通过采用高强度微波对杨木进行膨化与重构处理，可以从根本上改善杨木特性，实现速生杨木资源的高附加值利用。本项目以杨木为研究对象，采用纳米压痕仪、色谱质谱仪等现代测试手段表征杨木微观力学和细胞壁化学特性，在分子和细胞水平上研究杨木的高强度微波膨化动力学特性，构建细胞自动机木材微波膨化数学模型，模拟与仿真杨木的微波膨化演变过程及临界膨化条件，解析木材高强度微波膨化机制；采用自主研制的木材高强度微波膨化预处理专用设备，借助图像处理、光谱分析、荧光显色等技术手段，探明杨木微波膨化和膨化杨木重构规律，表征微波膨化杨木和重构杨木复合材的主要理化特性，解析微波膨化杨木重构过程中的界面性质与重构机理，最终揭示杨木高强度微波膨化与重构机制，为速生杨木高附加值功能型复合材料制造技术的研究提供理论支撑。这一研究也将为解决严重制约我国人工林木材高质高效利用的技术难题实现重要理论突破。

针对我国杨木蓄积量大、材质松软、强度和硬度低，难以实现高附加值利用的现状，根据项目任务书要求，项目组系统开展了杨木微力学特性与细胞壁化学结构、杨木微波膨化动力学特性与膨化机制、杨木微波膨化规律及膨化杨木特性、微波膨化杨木重构规律及重构复合材特性研究。. 项目在系统解析杨木介电特性变化规律的基础上，构建了微波频段杨木介电常数和损耗因素的量化数学模型，采用数字模拟与仿真技术、有限元分析方法，建立了杨木高强微波传热传质模型，仿真了高强微波场中木材内微波场强、温度和能量利用效率等的变化规律，揭示了杨木高强微波膨化机制，探明了杨木微波膨化预处理临界条件，获得了优化的微波谐振腔型、腔体参数和微波馈入方式等。基于细观复合材料力学和有限元分析理论，研究了杨木的细观微力学和流变特性，创建了杨木细胞壁微力学强度和流变数学模型，探明了速生杨木细胞壁微观流变特性、细观破坏过程和临界预处理条件。揭示了速生杨木高强度微波膨化预处理基本规律，表征了微波膨化杨木的主要物理化学特性，获得了优化的杨木高强微波膨化条件。采用真空-加压浸渍、凝胶原位复合等技术手段和方法，制备了功能型杨木基复合材料，表征了功能复合材的主要物理化学性能，揭示微波膨化杨木重构中的界面特性与重构机制。. 本项目揭示了杨木高强微波膨化与重构机制，能为高强微波膨化预处理设备研制和预处理技术的后续研发提供理论基础和科学依据，也为我国速生材的高附加值利用提供了新的思路和手段。