水热控制下木材层状压缩形成机制及其可控性

Wood compression is an important method for plantation wood to improve its physical and mechanical properties. Wood is a naturally elastoplasticity polymer material with anisotropic property. Wood plasticity is affected by hydro-thermal conditions widely. Therefore, they are the important prerequisite and theoretical basis for regulating internal hydro-thermal distribution and formation of sandwich compression to study and master the hydro-thermal response regularity of softening point, the yield stress and heat and mass transfer regulation of dry-wet interface movement during hot-press heating. However, compression is based on entire softening of wood by hydro-thermal treatment. There is no report about regulating interior stratified softening of wood by hydro-thermal gradient distribution during heat treatment. Then, populous is studied by thermo-mechanical analysis technique, cell morphology and micro-distribution of cell wall components analysis technique. And this project aims to prove the relationship between interface of dry-wet areas movement and moisture content, heating temperature and time and reveal hydro-thermal response mechanism of wood compression deformation and formation mechanism of wood sandwich compression based on mastering hydro-thermal response mechanism of wood softening point and yield stress. Based on above mechanisms, it inaugurates a new way for the efficient utilization of low-density wood by controlling the compression position and compressed layer thickness on wood thickness direction.

木材压缩是软质木材物理力学性能改善的重要手段。木材是一种多孔性的天然弹塑性高分子材料，具有各向异性的特性。湿热条件是影响木材塑性的重要因素，因此，研究和把握木材软化点、屈服应力的湿热响应规律，以及热板加热过程中的干、湿区界面移动等传热传质规律，是调控木材内部湿热分布和层状压缩形成的前提和理论基础。然而，由于目前湿热处理下的木材压缩都是基于木材整体软化后实施的，未见通过调控木材内部的湿热梯度分布使木材内部分层软化方面的研究报道。本项目以毛白杨木材为材料，应用静态热机械分析技术、细胞形态结构及细胞壁组分的微区分布等分析技术，在掌握木材软化点及屈服应力湿热响应规律的基础上，探明干、湿区界面移动与含水率、加热温度和时间之间的关系，揭示木材压缩变形的湿热响应机制和木材层状压缩的形成机制，实现木材厚度方向上压缩层位置和压缩层厚度的可控性，为低密度木材的高效利用开创新途径。

本项目开展了木材软化特性的湿热响应规律、湿热分布梯度的形成与调控、塑性变形及层状压缩的形成机制、层状压缩的可控性、塑性变形固定及其对物理力学性能的影响等5个方面的研究工作。木材含水率在纤维饱和点以下时，屈服应力与含水率及温度变化之间均呈非线性关系，含水率每升高1%，屈服应力降低0.2~0.5MPa。依据非平衡状态下木材水分移动规律和传热传质过程中干湿界面移动规律，调控木材厚度方向的湿热分布梯度，可以形成2倍以上，最高4倍以上的屈服应力差。此时施加外力压缩，屈服应力小的层面由于刚度降低，细胞壁首先发生屈曲变形，形成高密度的压缩层。压缩层形成位置与加热时间的对数呈指数函数关系，决定系数0.95。木材厚度方向上的湿热分布梯度，可以采用水热控制的物理方法实施调控，形成屈服应力差，是木材层状压缩形成的根本原因。从木材物理学角度对实木层状压缩形成机制的解释，通过压缩层形成位置和厚度的可控性得到证实。进一步从木材及细胞组织构造，到纤维素结晶区的晶格间距等分子结构和羟基、羰基等化学成分变化，揭示了压缩和过热蒸汽压力固定木材塑性变形机制。水热控制下木材层状压缩形成及其可控性的研究成果，在宏观层面上，能够为层状压缩木材的生产工艺设计提供科学依据，在微观层面上，能够为层状压缩木材性能的精准调控提供科学依据。. 成果的科学意义在于，发现了实体木材结构具有可调控性，开拓了木材物理学应用基础研究新领域。利用层状压缩方法，可以将树木生长过程中形成的以髓心为中心的早晚材环形结构，改变为密度和细胞构造可调控的层状结构。这种层状结构木材，由于具有结构对称性和平衡性，不易翘曲和变形，物理力学性能和尺寸稳定性显著提高。层状压缩理论的建立，使木材性能调控成为可能，为木材，特别是杨木、杉木等低密度速生材应用范围的扩大奠定了基础，对缓解我国木材资源短缺问题，实现森林生态效益与促进林农就业、增收并举提供了一条新途径，有巨大的市场潜力。