木质材料细胞壁动态粘弹性机理及表征

Wood as biodegradable materials has a great potential to be used in fiber-reinforced polymer composites. In this proposed project, based on cutting-edge analytical tools such as AFM (Atomic Force Microscope), Nano-DMA (Nano-Dynamic Mechanical Analysis), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), mainly research goals include: ① Measuring nano dynamical mechanical properties of wood in cell wall level and analyzing potential factors for its testing, such as measuring temperature, wood moisture content, Load, indentation depth, frequency; ② Investigating effect of wood basic property on the nano dynamical mechanical property, which includes fiber microfibril angle, crystallinity, chemical composition and molecular polymerization degree, to provide basic information for tree improvement and genetical modification; ③Investigating effect of wood processing and modification on the nano dynamical mechanical property, which includes resin/matrix, removal of hemicelluloses and thermal treatment; ④ Investigating correlation between macro and micro dynamical mechanical properties and establishing the correlation structure and performance of nano dynamical mechanical properties of wood. Investigating the dynamical mechanical properties of wood in cell wall level will be very useful to develop advanced wood fiber-reinforced polymer composites and expand application for woody materials. It also has very important theoretical and practical significance to promote the development of wood science theory in China.

天然木质材料作为生物可降解材料，可潜在用于纤维增强复合材料的生产。本项目以木质材料为研究对象，运用原子力显微镜、纳米动态力学分析、傅立叶红外光谱等先进测试技术与手段，主要开展的研究为：①木质材料细胞壁动态粘弹性（储存模量、损耗模量和损耗正切）与含水率、温度、载荷、压痕深度、频率等因子的依存性研究，揭示木质材料细胞壁动态粘弹性测试误差及来源；②研究影响木质材料细胞壁动态粘弹性的内在因素，如木质材料细胞壁的微纤丝角、结晶度、主要化学成分、分子聚合度等的影响；③木材加工工艺对细胞壁各层动态粘弹性的影响，如树脂种类、半纤维素抽提、热处理条件等；④木质材料宏观和微观动态粘弹性性能的相互关系研究，解明木质材料细胞壁动态粘弹性的结构-性能相关性。预期成果将为具有特殊功能的木质纤维增强复合材料的研发和拓宽木材的应用领域提供重要的理论依据，对推动我国木材科学理论体系的发展具有重要的理论和现实意义。

木质材料细胞壁的粘弹性行为直接影响着木材的宏观力学性能，如何测量细胞壁粘弹性行为是一项具有挑战性工作。本项目以木材和竹材为研究对象，联合运用原子力显微镜、纳米动态力学分析等先进测试技术研究细胞壁力学性能。主要包括：首先测定分析木质材料细胞壁动态粘弹性与含水率、温度、载荷、压痕深度、频率等因子的依存性，揭示木质材料细胞壁动态粘弹性测试误差及来源，优化纳米压痕测试条件；其次研究木质材料细胞壁的微纤丝角、结晶度、主要化学成分等对细胞壁粘弹性的影响，探明木质材料细胞壁动态粘弹性的内在因素；再研究加工工艺如树脂浸渍、热处理等对木质材料细胞壁动态粘弹性的影响；最后探究木质材料宏观和微观动态粘弹性性能的相互关系，解析木质材料细胞壁动态粘弹性的结构-性能相关性。研究结果表明：水分在木材中起增塑作用，随着相对湿度的增大木材的阻尼性能增大；木材的储存模量均随着温度的升高而逐渐减小；竹材纤维细胞次生壁S2层的弹性模量和硬度随着竹龄增加呈递减趋势，而随着竹竿高度的增加先减小后增加，表现出理想弹性固体的特性；纳米压痕粘弹性测试优化条件为：峰值载荷100-150µN，保载时间50-300s；高温热作用下木材半纤维素降解明显，相对结晶度得到提高，有助于提高细胞壁的弹性模量和硬度；但当温度高于190oC时，随着处理时间延长，部分纤维素大分子链发生降解，细胞壁力学性能出现下降趋势；酚醛树脂浸渍将酚醛树脂浸渍到木材细胞的管腔中，并渗透到细胞壁中，两者之间的相互作用对木材细胞壁力学的增强有积极的贡献；木材的储能模量、损耗模量均与抗弯弹性模量存在显著的正相关关系，通过建立微观力学理论和本构模型实现对木材细胞壁的纵向黏弹性性能影响趋势进行预测。本项目的成果对于发展木材资源利用、为材料改性和新材料开发以及木结构建筑的安全和可靠性设计提供力学基础等都具有重大的理论和现实意义。