木材弛豫机制下空隙与质子密度的动态变化研究

The pore size distribution change will be studied during wood drying frommicro-scale by nuclear magnetic resonance (NMR) with the principle that protonsensor (hydrodren atom) of water and wood has resonance signal in magnetic field.The research focuses on pore size distribution real time change during wood dryingquanlitively and quantitatively from macropores, mesopores and microspores scalethrough the change of proton sensor's relaxation time. Gas adsorption and cryoporometry will be the tools for pores characterization inwood comparing with time-domain NMR method. Also a mathematical model for poresize distribution change during wood drying will be developed through statisticsmethod. The relation between pores change and water migration will be exploredduring drying for further studies on drying stress theories. The research will bebenefit the interdisciplinary development of wood drying, NMR, heat and masstransfer in porous medium.

项目利用木材和水分子中的质子探针（氢原子）能够在磁场内发生共振产生信号的原理，通过核磁共振弛豫理论及技术，从微观层面探索不同木材在干燥过程中的空隙大小和分布变化。利用质子探针在木材干燥过程中的弛豫特征变化以及质子密度的动态变化，定量、定性研究木材传质过程中其内部宏观--介观--微观多尺度的空隙分布的实时动态变化。通过气体吸附法与冷孔计法的离线对比分析与定标手段，运用数理统计与有限元分析方法，构建能够表征木材传质过程中空隙大小与分布变化的数学模型，建立木材干燥过程中内部空隙大小和分布变化与水分迁移之间的关系，为进一步研究木材干燥过程中的内部干燥应力奠定理论基础与实验证明，并促进和推动干燥过程中空隙变化与干燥应力的关系，利用小分子作为探针探索物质内部的空隙结构以及多孔介质传热传质学等学科领域的相互交叉与深入发展。

项目利用木材和水分子中的质子探针（氢原子）能够在磁场内发生共振产生信号的原理， 通过核磁共振弛豫理论及技术，从微观层面探索不同木材在水分迁移过程中的空隙大小和分布变化 。.研究结果表明：（1）质子探针自旋-晶格弛豫时间T1能够有效区分木材细胞壁与细胞腔内表面结合水（120ms-160ms）以及细胞壁孔隙内的受限自由水（10ms以内）；（2）木材的细胞壁及细胞腔内表面结合水的T2弛豫时间与木材细胞壁小孔内受限自由水弛豫时间相近，约在1ms以内，通过T2弛豫时间不能有效区分细胞壁中的结合水和受限自由水，但能够区分细胞壁水（10ms以内）和细胞腔水（几十到上百毫秒）；（3）核磁共振冷孔计法测量的木材细胞壁微纤丝间隙为2.64nm~0.99nm；（4）在同一数量级的尺寸范围，木材的表面弛豫率与孔隙尺寸线性相关；（5）光学显微镜与扫描电镜等直观检测方式适合获取木材大细胞腔的形貌特征与尺寸信息；而T2弛豫分布适合于表征尺寸稍小的细胞腔孔隙尺寸分布；（6）在解吸过程中，木材细胞壁内受限自由水含量和孔隙均逐渐减小，并伴有微纤丝间隙闭合的现象；在吸湿过程中，相对湿度低于31.6%时，吸湿木材内部主要是细胞壁和细胞腔内表面结合水，在相对湿度超过31.6%时，细胞壁内出现受限自由水，细胞壁孔隙逐渐增大；（7）木材在真空干燥初期以细胞腔水排出为主，伴随少量细胞壁受限自由水的失去；在干燥中后期则主要以细胞壁受限自由水迁移为主，伴随着细胞腔与细胞壁内表面结合水的迁移。在相同真空干燥压力下，提高干燥温度能够达到快速干燥的目的，且高温下试件的孔隙尺寸变化小，更容易保持木材尺寸的稳定性。.本项目为进一步研究木材干燥过程中的内部干燥应力应变奠定理论基础与实验证明，并促进和推动干燥过程中空隙变化与干燥应力应变的关系，利用水分子作为探针探索内部的多孔结构物质以及多孔介质传热传质学等学科领域的相互交叉与深入发展。