木材细胞壁主分子链聚集态结构对热湿作用的响应与协调机制研究

In order to interpret crack and deformation of wood products at molecules for surrounding changing of temperature and humidity, the main macromolecular chains aggregation, which includes aggregation states of cellulose chains, matrix (complex of semi-cellulose macromolecules and lignin macromolecules) and composite of cellulose and matrix will be tested at the varying states of heat and moisture.using professional software and modern instruments such as NMR, AFM, XRD, FTIR, DMA, Micromechanical equipment, etc. The testing depends on chemical model of cell-wall structure, which cellulose chains are enhancing phase and the complex of semi-cellulose macromolecules and lignin macromolecules is matrix phase. The testing dates will be calculated and analyzed with statistic thermodynamics, Interfacial thermodynamics, interfacial mechanics and computational models. The structure, which includes crystalline state and conformation of cellulose chains, textures of matrix and interface between cellulose chains and matrix, will be inferred. The influence factors will be discovered such as conformation of cellulose chains, chemical shift of elements in matrix and interface active energy between chains of cellulose and matrix. And then the changing principle of viscoelasticity of wood materials with will be explosed at the varying states of heat and moisture, which coordinates with aggregation changing of main molecular chains in cell-wall. This researching will enrich fundamental theories of wood cell-wall mechanics, provide theoretical support for solving crack and deformation of wood products and improve functional utilization to wood materials.

为了从分子水平解析木制品在使用过程中因环境温度和湿度变化导致的开裂变形问题，本项目根据细胞壁主化学成分复合模型（木素半纤维素为基体相、纤维素为增强相的复合体），以木材主分子链的聚集态为研究对象，借助NMR、AFM、XRD、FTIR、DMA、微力学测试仪等现代测试手段和材料分析软件，应用统计热力学、界面热力学、界面结构力学和复合材料结构模拟等方法对不同热湿条件下木材细胞壁内纤维素分子链聚集态、Matrix分子团聚集态及纤维素-Matrix复合体聚集态的变化进行测试、分析和计算，推演不同热湿条件下木材细胞壁中纤维素分子链的晶态及取向结构、Matrix分子团的织态结构和纤维素－Matrix复合体界面结构的变化机制，探明不同热湿条件下细胞壁主分子链聚集态结构与木材粘弹性能之间的变化协调关系，丰富木材细胞壁力学基础理论，为解决木材开裂变形问题及功能化利用提供理论支持。

木材的物理力学性能变化的根本原因和协调机制一直是木材科学与工程技术领域研究的热点问题，特别是在纤维饱和点以下，木材的物理力学性质对环境湿度和温度的变化尤其敏感。这种敏感性的关键在于热湿对木材细胞壁中三大主成分间界面结合关系的影响。因此，搞清楚在热湿作用下木材细胞壁三大主要化学成分链态响应及其结合关系的变化，能够为深入研究木材的性质、充分挖掘木材潜在功能、拓展木材应用领域、提高木质产品的质量、发展木质复合材料提供必要的理论支持。 . 本项目以樟子松和杨木为研究对象，首先对木材进行抽提处理，后将木材在不同湿度和温度条件下进行处理，借助FTIR、XRD、BET、SEM、NI等测试手段，对木材处理前后微观构造变化、晶态结构变化、活性基团变化、水分分布状态、宏观及微观力学性能等方面进行了研究，建立了不同含水率下纤维素微纤丝无定形区体积计算模型。并在原有研究的基础上，针对木材纤维素做了一些拓展性研究，包括纤维素膜材料的制备，纤维素凝胶基吸附材料的制备。. 主要研究结果：（1）获得了樟子松、杨木最佳抽提工艺。抽提过程中半纤维素与木质素的降解造成纤维素的热降解温度向低温方向移动，热稳定性降低以及结晶度增大。（2）在低相对湿度环境内，木材主要以单分子层吸附为主，多分子层吸附水含量逐渐上升。当樟子松与杨木所处湿度环境分别超过 57.57%和45.2%时，多分子层吸附占据主导地位。另外，水分子的进入会造成纤维素无定形区内的分子链重新排列，使得木材内的结晶区域面积增大，结晶度增加。且细胞壁的纵向弹性模量、硬度都与含水率成负相关关系。（3）在温度作用下，纤维素无定形区分子链发生降解，半纤维素中木糖环和甘露聚糖降解，木质素同时发生降解和交联反应。（4）建立了不同含水率下纤维素微纤丝无定形区体积计算模型。项目研究过程中借助纤维素多羟基形成强大氢键效应，探索了纤维素基吸附材料与膜材料制备技术。