木材纤维素非结晶区水分分布及其结合关系研究

The properties mostly lie on structure of cellulose microfiber and water state staying in the amorphous region of wood. Especially to the physical and mechanical properties of wood, such as mechanical strenght, electrical conductivity, thermal resistance, sound absorption, etc. This project will firstly mark the water state at different moisture content by NMR. The water existance state and the relationshps between moleculars of water and cellulose chains will be explored by testing bonding power between moleculars of water and between moleculars of water and cellulose chains using relaxation time of hydrogen spectrums of NMR. Then the number of active free redicals and the force between moleculars of water and cellulose chains in amorphous region will be calculated by testing free energy and crystallinity in sorption moisture using FTIR and XRD. And the number of active free redicals and bonding relationships between moleculars of cellulose chains of wood at oven-dry state will be understanded by aforementioned contents. Finally the mathematical modle of nonline differential eguation will be established, which reflacts the number, distribution and characteristics of water moleculars and active free redicals at different moisture content in amorphous region of wood. This reasearch will summarize the laws of bonding relationship moleculars between water and microfiber chains and lay a foundation of efficiently using wood and developing functional wooded composites.

纤维素非结晶区的结构与水分对木材的性质起决定作用，尤其是对木材的机械强度、导电、隔热、吸声等物理力学性能影响更大。本项目利用NMR技术对不同含水率条件下木材非结晶区不同状态的水分进行标注，通过氢核磁共振谱的弛豫时间测试水分子之间、水分子与纤维素分子链之间的结合力，探明水分存在的状态及与纤维素分子链间的结合关系；利用FTIR技术测试不同含水率状态下的自由基状况，借助DMA技术和XRD技术测试木材在吸湿过程中自由能的变化和结晶区结构变化，计算水分与木材纤维素非结晶区中有效自由基的数量和作用力，从而推定木材纤维素非结晶区在无水状态下活性基团的数量和分子链间的键合关系，并通过多孔吸附理论建立非线性微分方程的数学模型，反映不同含水率状态下纤维素分子链非结晶区水分和活性自由基的数量、分布状况和分布特征，从而揭示水分子与纤维素分子链间结合关系的一般规律，为木材的高效利用和发展功能型木质复合材料奠定基础。

木材材性与水分的关系一直是木材科学研究的重点。特别是在木材的纤维饱和点以下，水分对木材的力学性能和物理性能影响甚大。水分进入木材细胞壁后，主要被木材纤维素非结晶区所吸着。因此研究木材纤维素非结晶区化学结构及与水分子的结合关系意义重大。本项目主要研究了木材纤维素的改性及纳米化制备，并在不同相对湿度条件下进行吸湿和解吸研究，借助XRD、DSC、FTIR、NMR、AFM等现代测试手段研究了木材纤维素改性、吸湿及解吸前后晶态结构变化、活性基团变化、水分分布状态、水分子与木材纤维素分子链结合关系。同时通过晶体学原理、吸附理论、固态材料热力学、统计热力学等理论推演了木材纤维素分子链静态吸附过程中水分子吸着点分布的数学模型和解吸过程中任意热力学平衡态下纤维素分子链上水分子吸着点的分布及吸着热力学模型。同时借助Mater Studio软件研究了纤维素分子链与水分子相互作用的空间结构。通过研究，得出的关键结论有（1）材吸湿过程中当单分子层水分吸附饱和后，多分子层水分开始吸附，结合水T2时间明显增大，多分子层水分流动性要比第一分子层流动性强；吸湿过程中纤维素无定形区不稳定氢键因水分吸附而被破坏，且形成多分子层水分吸附，纤维素发生润胀，使纤维素微孔隙孔径增大，毛细作用对水分的运动限制减弱，使孔隙中的水分运动更自由。（2）木材吸着热和木材平衡含水率（MC）成负相关关系，水分子进入纤维素分子链中所形成的氢键分布不均匀。（3）通过纤维素及纳米纤维素的吸湿及解吸过程研究，建立了等温吸湿过程活性吸着点分布的数学模型及解吸过程中任意热力学平衡态下活性吸着点分布以及吸着热计算的数学模型。（4）借助Mater Studio软件，建立了吸湿过程中不同数量水分子进入纤维素非结晶区分子链上的链态空间结构模型。通过项目研究，完善了木材学的基本理论，为木材改性及其高效利用通过理论基础。