全 文 ：第 wv卷 第 y期
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林 业 科 学
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压缩矩形材的动态热力学分析
赵钟声 刘一星 沈 隽
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
关键词 }压缩矩形材 ~水蒸气处理 ~压缩变形固定 ~动态热力学分析
中图分类号 }≥z{t1v 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsy p stxt p sw
收稿日期 }ussy p st p ty ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kv||zsx|xl和教育部重点课题kstsyzl共同资助 ∀
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k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ׫¨ §¨©²µ°¤·¬²±©¬¬¤·¬²± ²©·«¨ ¦²°³µ¨¶¶¬√¨ Ποπυλυσ υσσυριενσισ ¤±§ Λαριξ γ µελινιι ¶²¯¬§º²²§º¤¶¶·∏§¬¨§¬±·«¬¶
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水蒸气处理对压缩木材变形固定和提高木材尺寸稳定性均有很好效果 o水蒸气处理使压缩木内部应力
释放及结晶结构增加 o压缩变形得以固定k井上雅文等 ot||wl ~使压缩木内部形成凝聚结构是变形固定的主
要原因k 原贵志等 ousssl ∀利用动态热力学分析k§¼±¤°¬¦·«¨µ°²2°¨ ¦«¤±¬¦¤¯ ¤±¤¯¼¶¬¶o⁄„l方法 o使用 ⁄„
分析仪对微波加热处理的木材弯曲变形固定效果k李大纲 oussul及木 p塑复合材制作人造板尺寸稳定性进
行分析k杨文斌 oussul o均有半纤维素 !木质素发生降解及由此带来的变形固定效果的增强和材料尺寸稳定
性提高 ∀长时间高温热处理使压缩材内应力释放 o压缩材变形得以固定k东原贵志等 ousst ~井上雅文等 o
t||zl o水蒸气处理对不同树种和不同变形经历的压缩木 o其应力 p应变存在差异k刘一星等 ot||u¤~t||u¥l o
水蒸气处理和热处理后压缩木中主要构成物质的化学变化对压缩木变形固定有根本影响k井上雅文等 o
t||w ~usst ~东原贵志等 ousst ~usswl ∀但有关利用 ⁄„分析仪对水蒸气处理压缩材变形固定机理做木材
构成物质的化学松弛和动态热力学性能分析的研究报道还未见到 ∀ ⁄„分析中的损耗模量能反映出黏滞
性材料内部对外施振动力以热的形式损耗的变化特性 ~损耗角正切反映应变滞后应力的效应 o能揭示高分
子材料与黏滞性相关的相应变化k张俐娜等 oussv ~过丽梅 oussul ∀本文通过常温到高温的 ⁄„分析 o考察
木材和压缩材这种高分子材料由玻璃态转变为高弹态的全过程 o压缩矩形材各层次的热动力学参数间差异
能从另一个侧面反映出半纤维素 !木质素等构成物质在水蒸气处理压缩材变形固定中的变化趋势和对压缩
变形固定的内在作用机理k赵钟声 oussvl ∀
1 材料与方法
t1t 供试材料 黑龙江省帽儿山产大青杨k Ποπυλυσ υσσυριενσισl !东北林业大学哈尔滨试验林场产落叶松
kΛαριξ γ µελινιιl小径原木湿材 o平均直径 tws ∗ uus °° o平均树龄 u{ ∗ vy ¤∀变形固定试验后的大青杨 !落叶
松试件分别取距压缩材表面 s1x !u !v !w !x ¦°部位并改制成尺寸为 xs °°k纤维方向l ≅ ts °°k径向l ≅ x °°
k弦向l的 ⁄„试件 ∀
t1u 试验设备 • ‘≥’ qx p t1y p ≠ 高温高压蒸汽锅炉 ~高温高压处理罐 ~压缩用模具 ~德国 ‘∞ם≥≤‹公司
生产的 ⁄„ p uwu型热分析仪等 ∀
t1v 试验方法 压缩矩形材试件采用压缩率 vs h ∗ ws h !水蒸气温度 t{s ε !时间 us °¬±的变形固定处理 ∀
改制成的 ⁄„试件 o在 ⁄„ p uwu型分析仪上 o试验温度 ux ∗ vxs ε o采用 v点弯曲试验 ∀试验载荷按正弦
规律变化 ∀材料的动态力学行为是指在交变应力作用下的应变响应 ∀木材是黏弹性高聚物 o其应变滞后于
应力一个相位角 ∆o动态力学试验采用用正弦交变应力 o则复数模量 Ε 3 可表达为
Ε 3 € ΡsΕs k¦²¶∆ n 鶬±∆l € Εχ n ιΕδ o
式中 Εs !Ρs 为最大应力幅时所对应的应变和应力 ∀ Εχ为复数模量 Ε 3 的实数部分 o由弹性形变储存的能量称
为储能模量 oΕχ € ΡsΕs¦²¶∆∀ Εδ为复数模量 Ε
3 的虚数部分的摸 o材料在形变过程中因黏性形变而以热的形式
损耗的能量称为损耗模量 oΕδ € ΡsΕs¶¬±∆∀
复数模量 Ε 3 的大小用复数模量的绝对值表示 o称为动态模量 Ε ∀ Ε € ¿Ε 3 ¿€ Εχu n Εδu ∀
损耗角正切·¤±∆€ ΕδΕχ o称为力学损耗因子 ∀该值反映高聚物的内耗 o即链段的运动滞后外力的变化 ∀
当高聚物分子上具有较大或极性的取代基时会产生很大的内耗k张俐娜等 oussv ~过丽梅 oussul ∀
储能模量只反映与弹性形变相关的变化规律 o不能反映物质内部与黏性相关的运动及变形规律 o对本文
所述变形固定机理的论证意义不大 o略去其温度 p储能模量谱图 ∀
图 u 水蒸气处理落叶松压缩材距表面位置
与损耗角正切间关系
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图 t 水蒸气处理落叶松压缩材距表面位置
与损耗模量间关系
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2 结果与分析
u1t 落叶松试验结果与分析 由图 t可以看出试材均出现 u个明显的内耗峰 o图中左面的内耗峰是高聚物
的次级松弛 o是木材中半纤维素侧链等极性基团运动松弛形成的 o该峰值的高低能半定量估测高聚物的支化
程度k张俐娜等 oussvl ∀如距表面 w °°的压缩材比素材内耗峰低 o且弛豫时间缩短 o说明水蒸气处理后半纤
维素降解并凝聚使其支化度下降 o即松弛时的内耗降低 o黏滞性减小 o使压缩材尺寸稳定性和变形固定效果
增强 ~距表面 s1x和 u °°的压缩材因密度大幅度增加而使其总体内耗略高于素材 o而其内耗峰比素材平坦
和窄说明总体黏滞性下降 ∀图中右面的内耗峰是高聚物的主转变 o即玻璃化转变 ∀可见 o压缩材峰值比素材
高 o转变起始点也比素材左移 o特别是距表面 s1x °°处更为明显 o这可能是因为在压缩方向上 o木材细胞为
非刚性串联 o压缩时距木材表面越近的细胞变形越大 o形成压缩材表面处木材密度最大k刘一星等 oussw ~赵
uxt 林 业 科 学 wv卷
钟声 oussv ~¬∏ ετ αλqousssl o水蒸气处理后半纤维素降解量及木质素低分子化程度增加 o低分子量高聚物
距压缩材表面越近其所占比例越大 o使该处高聚物的玻璃化转变起始温度降低显著 o且大量短链距的低分子
质量高聚物在玻璃化转变开始时摩擦阻力增大 o黏性内耗增加 o使 ⁄„测试时的振动损耗加大 o损耗模量峰
值大幅度提高 ∀
由图 u可见在高聚物玻璃化转变前 o落叶松压缩材的损耗角正切曲线比素材明显降低 ∀因为水蒸气处
理使木材组成物质半纤维素降解 o其侧基 !支链等极性基团被一定程度饱和 o次级转变内耗峰都比素材低 o材
料的黏滞性下降明显 o损耗角所代表的应变对应力的滞后减小 o⁄„图形中的损耗角正切值降低明显 ∀曲
线中段k小于 vss ε l的峰值区域主要为高聚物由玻璃态转变为高弹态的区域 o由于玻璃化转变是在一个温
度区间内完成的 o压缩木表层因压缩使其压缩应力最大 o水蒸气处理后木质素因降解而低分子化程度最大 o
低分子质量的高聚物比例增大 o使玻璃化转变起始温度显著降低 o距表面 s1x ¦°的曲线最为明显 ∀这种发
生在压缩率最大层面的木材主要构成物质的大量降解和低分子化及由此引起的高凝聚状态 o使压缩材的黏
性蠕变恢复丧失 o压缩变形最终得以完全固定 ∀曲线后段的上升为高聚物的黏流态转变 ∀
u1u 大青杨试验结果与分析 由图 v可以看出水蒸气处理大青杨实体压缩材与落叶松类似 o也出现次级松
弛和主松弛 o次级松弛机理与落叶松相似 ~距压缩材表面 s1x ¦°处主转变出现双峰结构 o即高聚物形成双相
交联结构 o使其在玻璃态的稳定性比落叶松更好k赵钟声 oussvl ∀落叶松并未出现这种现象 o这可能与 u树
种中半纤维素 !木质素所占比例及降解开始温度不同有关 ∀各层的损耗模量曲线变化趋势与落叶松类似 o即
随着距压缩材表面距离的增大 o损耗模量值降低加大 ∀因为材料密度大 o单位体积内物质增多使 ⁄„测试
时损耗模量也有所增大 ~材料降解及之后的凝聚 o压缩材的黏滞性下降 o使 ⁄„测试时的损耗模量值降低 ∀
由图 w可见 o当温度低于高聚物玻璃化转变温度时k次级松弛区域l o大青杨压缩材的损耗角正切值均比
素材低 ∀因为水蒸气处理后 o木材组成物质的侧基 !支链等极性基团降解或被饱和 o高聚物的支化度下降 o次
级转变内耗峰大都比素材低 o材料的黏滞性明显下降 o损耗角所代表的应变对应力的滞后减小 o使得随着距
压缩材表面距离的增加 o⁄„图形中的损耗角正切值降低明显 o机理与落叶松类似 ∀在压缩材表面处k距表
面 s1x °°l主转变的起始温度大幅度降低 ∀因水蒸气处理后 o压缩材表面处低分子质量高聚物所占比例最
大 o在玻璃化转变时低分子质量高聚物先被激活 o使转变开始的温度降低 o转变的温度区域增宽 ∀在水蒸气
处理压缩材时 o其半纤维素大量降解 !应力充分释放 o木质素低分子化并在冷却过程中分子间形成高凝聚态 o
抑制了其黏滞性蠕变恢复 o形成压缩材得以最终变定的主要原因 ∀
图 v 水蒸气处理大青杨压缩材距表面位置
与损耗模量间关系
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图 w 水蒸气处理大青杨压缩材距表面位置
与损耗角正切间关系
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3 结论与讨论
u树种素材和水蒸气处理压缩矩形材的损耗模量均出现明显次级松弛和主转变 o次级松弛阶段压缩材
vxt 第 y期 赵钟声等 }压缩矩形材的动态热力学分析
总体黏滞性下降 o主转变的内耗峰由压缩矩形材里层至表层左移和峰值渐次增大 o说明压缩矩形材经水蒸气
定型处理后 o半纤维素和木质素发生了大量的降解和低分子化 o使压缩材黏性损耗降低 !低分子质量分子比
例增加 ∀
次级松弛阶段 u树种压缩材损耗角正切值均比素材低 o即水蒸气处理使压缩材的黏性滞后明显降低 o带
来尺寸稳定性和变形固定效果增强 ~在玻璃化转变开始阶段压缩矩形材表层因低分子质量高聚物数量剧
增 o摩擦损耗增加 o损耗模量峰值大幅度提高 ∀
距表面 s1x ¦°的压缩材表面处出现明显的玻璃化转变起始转变温度大幅度降低现象 ∀说明高温水蒸
气处理使发生在压缩率最大层面的木材主要构成物质半纤维素 !木质素的大量降解和低分子化及由此引起
的高凝聚状态 o使压缩材的黏性蠕变恢复丧失 ok在前期半纤维素降解 !应力充分释放的基础上l压缩变形最
终得以完全固定 ∀
参 考 文 献
东原贵志 o师冈淳郎 o则元京 qusss q水蒸 理木材 Ν 变 形固定 q木材学会 owykwl }u|t p u|z
东原贵志 o师冈淳郎 o则元京 qusst q热 理木材 Ν 变 形固定 q木材学会 owzkvl }usx p utt
东原贵志 o师冈淳郎 o广泽修一 o等 qussw q水蒸 理 ∗ η Σ热 理 Κ η κ 木材 Ν化学变化 Η 缩形固定 Ν q木材学会 oxskvl }tx| p
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过梅丽 qussu q高聚物与复合材料的动态力学热分析 q北京 }化学工业出版社
李大纲 qussu q木材微波加热工艺学原理 q东北林业大学博士后研究工作报告
井上雅文 o凑和也 o则元京 qt||w q架桥 Κ η κ木材 Ν 缩 形 Ν永久固定 q木材学会 owsk|l }|vt p |vy
井上雅文 o则元京 qt||z q热 理 Κ η κ木材 Ν 缩 形 Ν固定 q木材学会 owvkwl }vsv p vs|
井上雅文 o足立幸司 o金山公三 qusst q 缩木材 Ν 形回复 Κ伴 &幅反 ϕ Η = Ν抑制 q木材学会 owzkvl }t|{ p usw
刘一星 o则元京 o师冈淳郎 qt||u¤q木材 Ν横压缩 形 Κ 9 κ研究k ´l } 力 p Ρ : _ Η比重 o第 wu回日本木材学会大会研究报告要旨集
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刘一星 o则元京 o师冈淳郎 qt||u¥q木材 Ν横压缩变形 Κ 9 κ研究k µl } 力 p Ρ : _ Κ及 ∴ 9 形履 Η水蒸 处理 Ν影响 o第 wu回日
本木材学会大会研究报告要旨集k名古屋l
刘一星 o赵钟声 o张 玉 o等 qussw q用低材质原木制作模压矩形材的研究 q北京林业大学学报 ouykyl }{y p {|
杨文斌 qussu q废弃塑料 p木材碎料复合材料及其复合机理的研究 q东北林业大学博士后研究工作报告
张俐娜 o薛 奇 o莫志深 qussv q高分子物理近代研究方法 q武汉 }武汉大学出版社
赵钟声 qussv q木材横纹压缩变形恢复率的变化规律与影响机制 q东北林业大学博士学位论文
¬∏≠¬¬¬±ªo¬¬¤±o• ¤±ª¬±°¤±o ετ αλqusss q≥·∏§¼²±¦²°³µ¨¶¶¬√¨ ) ) ) °²∏¯§¬±ªº²²§¥¼¶·¨¤°·µ¨¤·¬±ª¤·«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ qx·« °¤¦•¬° …¬²¥¤¶¨§≤²°³²¶¬·¨¶
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k责任编辑 石红青l
wxt 林 业 科 学 wv卷