木材动态黏弹特性的湿热效应机制研究

黏弹性作为木材的一个重要特性，是影响木制品加工、生产和利用过程的一项关键性能指标。本申请项目拟选取杉木人工林木材作为研究对象，从木材线性黏弹性区域对温度和含水率的响应入手，阐明临界应变值随温度、含水率的变化规律；根据含水率平衡态下木材的动态黏弹性能温度谱，揭示木材的力学状态、松弛转变行为与温度、含水率的关系；通过测定水分吸着与解吸过程中木材动态黏弹性能时间谱，揭示木材的动态刚度、阻尼性质、力学松弛转变行为在含水率变化过程中的经时变化规律；通过对木材-水分体系动态黏弹性的时温等效原理适用性进行验证与分析，探讨温度、水分与时间3个因素对木材动态黏弹特性影响的内在联系。通过以上研究途径，全面、深入、系统地揭示木材动态黏弹特性的湿热效应机制。本项研究将丰富和发展木材流变学的基础理论，对人造板热压，木材干燥，木材弯曲、塑化、压密等加工工艺参数的优化和选择具有科学指导意义。

本项目以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)为研究对象，从木材线性黏弹性区域对温度和含水率的响应入手，阐明了木材线性黏弹区域的临界应变值随温度升高呈现减小的变化趋势，80℃时临界应变值的降幅增大；揭示了吸着水分子的存在增加木材细胞壁化学成分之间的黏着力，木质素发生湿热软化可以引起线性黏弹区域变窄的规律。根据含水率平衡态下木材的动态黏弹性能温度谱和时间谱，阐明了温湿度场中木材黏弹行为的经时变化规律；揭示了湿热环境中木材半纤维素和木质素发生玻璃化转变的温度、含水率和热作用时间依存性；证实了升高温度和增加含水率可缩短半纤维素和木质素发生玻璃化转变的松弛时间。通过测定水分吸着与解吸过程中木材动态黏弹性能时间谱，揭示了水分吸着/解吸过程中由于木材含水率的变化对其力学松弛行为的影响规律；阐明了高温高湿环境中的湿热耦合作用可缩短全干材发生软化的热作用时间，高温低湿环境中的湿热耦合作用可缩短饱湿材软化的热作用时间。通过对木材-水分体系黏弹性的时温等效原理适用性进行研究，验证了30-150℃范围内，时温等效原理适用于描述全干材的动态刚度性质，其水平移动因子与温度的关系曲线满足Arrhenius方程；验证了30-90℃范围内，时温等效原理适用于描述湿材的动态刚度性质，其水平移动因子与温度的关系曲线满足WLF方程；阐明了时温等效原理不能预测由于木材发生湿热软化而引起的力学松弛行为。通过以上研究途径，全面、深入、系统地揭示木材动态黏弹特性的湿热效应机制，丰富和发展了木材流变学的基础理论，对人造板热压，木材干燥，木材弯曲、塑化、压缩密实化改性等加工工艺参数的优化和选择具有科学指导意义。迄今，本项目在国内外核心学术期刊上发表论文3篇，其中SCI收录论文2篇；发表会议论文4篇；已提交期刊送审稿论文2篇。