湿热耦合作用下木材细胞壁机械吸湿蠕变的响应机制研究

Mechano-sorptive (MS) creep is an unusual behavior when wood is subjected to varying moisture content. Moisture and temperature, i.e., hygro-thermal condition has a substantial effect on MS creep during wood processing and application. As it is subjected to hygro-thermal conditions, the responses of microfibril and Matrix in wood cell wall display heterogeneity and non-simultaneity. As such, the mechanism of MS creep has not been fully understood yet. Chinese fir (Cunninghamia lanceolata [Lamb.] Hook.) and poplar (Populus tomentosa) are used in this research. The influence of hygro-thermal effect on MS creep in wood cell wall is carried out. The changes of phase difference and molecular conformation of microfibril and Matrix in hygro-thermal conditions are also investigated. The influence of response variation of microfibril and Matrix on MS creep is quantitated. The deformation of MS creep in wood cell wall is simulated and predicted. Finally, the response mechanisms of MS creep in wood cell wall under hygro–thermal conditions can be derived. The achievements of this project are helpful for enriching wood rheological theory and correctly forecasting the aggravated deformation of engineered wood-based composites. The results of this research can improve the hygro–thermal processing technology of wood.

机械吸湿蠕变是木材受应力作用时由水分变化造成的一种异常举动。在木材加工、利用过程中，水分和热的耦合作用对木材机械吸湿蠕变有显著影响。在湿热耦合作用下，木材细胞壁内微纤丝和Matrix（基体）的响应存在不均匀性和不同步性，使得目前机械吸湿蠕变的发生机制及响应规律尚不明确。本项目拟选取人工林杉木和毛白杨木材为研究对象，在不同温、湿度条件下测定水分变化过程中细胞壁的机械吸湿蠕变，以及细胞壁内微纤丝和Matrix的相位差和分子构象变化规律，定量表征湿热耦合作用下微纤丝和Matrix响应差异对机械吸湿蠕变的影响，并模拟及预测木材细胞壁的机械吸湿蠕变变形，从而在细胞壁水平上揭示湿热耦合作用下机械吸湿蠕变的发生机制及响应规律。本项研究成果可丰富木材流变学的基础理论，为预测木质工程材料的变形和破坏提供科学依据，为木材湿热处理技术的开发与优化提供理论依据。

本项目针对木材细胞壁机械吸湿蠕变的湿热响应机制开展系统研究。在30-80℃、0-90%RH的湿热环境中，开发了一种快速、稳定测量木材细胞壁水分扩散性能的方法，连续表征了木材细胞壁的水分非稳态与稳态扩散行为。在水分吸着/解吸过程中，分析了木材细胞壁流变行为的变化规律，建立了木材细胞壁机械吸湿蠕变的表征方法。木材细胞壁的机械吸湿蠕变效应在水分吸着/解吸过程中呈现先增强后减弱的趋势，且温/湿度均显著影响木材细胞壁的机械吸湿蠕变。在水分变化过程中，木材以加剧细胞壁的不稳定化程度为代价，加快其吸着/解吸速度。与水分平衡态相比，当水分处于非平衡态（吸着、解吸）时，细胞壁聚合物组分的力学松弛过程转变加快，且该转变随含水率的增加而加剧。在吸着/解吸过程中，机械吸湿蠕变效应加快分子运动，缩短聚合物组分的松弛时间，加速分子链的剪切滑移，从而暴露新的氢键，使氢键更易被氚化。此外，本项目构建了湿热耦合作用下细胞壁流变行为的等效机制；解明了水分吸着/解吸过程中细胞壁流变行为的“时间—水分—温度”等效性。通过上述研究，全面、深入、系统地揭示了木材细胞壁机械吸湿蠕变的湿热效应机制，丰富和发展了木材流变学的基础理论，为优化木材湿热处理技术提供了重要的理论依据。项目共发表学术论文11篇，其中SCI收录论文9篇；获得授权发明专利3件；获得梁希青年论文奖二等奖1项。