全 文 ：第 ww卷 第 |期
u s s {年 | 月
林 业 科 学
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干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性 3
蒋佳荔 吕建雄
k中国林业科学研究院木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点实验室 北京 tsss|tl
摘 要 } 采用高温干燥 !低温干燥和真空冷冻干燥方法对杉木人工林木材进行干燥处理 o测定 v种干燥处理材在
不同含水率平衡态的动态黏弹性质 ∀测定的温度范围为 p tus ∗ ws ε o频率范围为 s1x ∗ ts ‹½∀结果表明 }tl 随着
含水率增加 o木材的贮存模量 Εχ随温度升高而降低的程度增大 o其中高温干燥处理材的贮存模量降低程度最小 ~
ul 在测定温度范围内观察到 u个力学松弛过程 o较高温度域的 Α力学松弛过程是由低分子质量的半纤维素发生玻
璃化转变引起的 o低温域的 Β力学松弛过程是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动与吸着水分子
的回转取向运动两者叠加而成的 ~vl 力学松弛过程的损耗峰温度随着含水率的增加而降低 o随着测量频率的增加
而向高温方向移动 ~wl 力学松弛过程的表观活化能随着含水率的增加而减小 o对于 Α力学松弛过程 o高温和低温
干燥处理材的表观活化能低于真空冷冻干燥处理材的表观活化能 ∀
关键词 } 干燥处理材 ~力学松弛过程 ~含水率 ~表观活化能
中图分类号 }≥z{t1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{ls| p stt{ p sz
收稿日期 }ussz p sw p vs ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsyztyvxl ∀
3 吕建雄为通讯作者 ∀
Μοιστυρε ∆επενδενχε οφ ∆ψναµιχ ςισχοελαστιχ Προπερτιεσφορ ∆ριεδ Ωοοδσ
¬¤±ª¬¤¯¬ | ¬¤±¬¬²±ª
k ΚεψΛαβορατορψοφ Ωοοδ Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Στατε Φορεστρψ Αδµινιστρατιον Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|tl
Αβστραχτ} Œ± ·«¬¶¶·∏§¼o ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µk Χυννινγηαµια λανχεολαταl ³¯¤±·¤·¬²± º²²§ º¤¶§µ¬¨§ ¥¼ «¬ª«2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §µ¼¬±ª
k‹×⁄l o ²¯º2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §µ¼¬±ªk×⁄l ¤±§©µ¨ ½¨¨ 2√¤¦∏∏° §µ¼¬±ªkƒ∂⁄l °¨ ·«²§¶o¤±§·«¨¬µ§¼±¤°¬¦√¬¶¦²¨ ¤¯¶·¬¦³µ²³¨µ·¬¨¶
º¨ µ¨ ·¨¶·¨§¤·√¤µ¬²∏¶«∏°¬§¬·¼ ±¨√¬µ²±°¨ ±·¶q ׫¨ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·¶ º¨ µ¨ §²±¨ ¬± ·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ µ¤±ª¨ ²©p tus ·² ws ε ¤·
©µ¨ ∏´¨±¦¬¨¶µ¤±ª¬±ª¥¨·º¨ ±¨ s1x ·² ts ‹½q ׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º¨ §·«¤·} º¬·«·«¨ ¬±¦µ¨¤¶¨ ²© °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·¶o·«¨ §¨¦µ¨¤¶¨ ²©
¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶º¬·«¬±¦µ¨¤¶¬±ª·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¥¨¦¤°¨ °²µ¨ §µ¤°¤·¬¦¤¯ ¼¯ q׫¨ §¨¦µ¨¤¶¨ ¬¨·¨±·²©¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶º¤¶·«¨ ²¯º¨ ¶·©²µ
«¬ª«2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §µ¬¨§º²²§q׺² °¨ ¦«¤±¬¦¤¯ µ¨ ¤¯¬¤·¬²±³µ²¦¨¶¶¨¶º¨ µ¨ ²¥¶¨µ√¨ §©²µ·«µ¨¨®¬±§¶²©§µ¬¨§º²²§¶q׫¨ Αµ¨ ¤¯¬¤·¬²±
³µ²¦¨¶¶¬± «¬ª«¨µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ µ¤±ª¨ º¤¶§∏¨ ·²ª¯¤¶¶·µ¤±¶¬·¬²±²©«¨ °¬¦¨¯¯∏¯²¶¨ º¬·« ²¯º °²¯ ¦¨∏¯¤µº¨ ¬ª«·oº«¬¯¨ ·«¨ Βµ¨ ¤¯¬¤·¬²±
³µ²¦¨¶¶²¦¦∏µµ¨§¬± ²¯º¨ µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ µ¤±ª¨ º¤¶¥¤¶¨§²±·«¨ µ¨²µ¬¨±·¤·¬²±²© °¨ ·«¼¯ ²¯ ªµ²∏³¶¬±¤°²µ³«²∏¶²©º²²§¦¨¯¯ º¤¯¯¤±§
·«¨ µ¨²µ¬¨±·¤·¬²± ²©¤§¶²µ¥¨§ º¤·¨µ°²¯ ¦¨∏¯¨¬± º²²§q׫¨ ²¯¶¶³¨¤®·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²© °¨ ¦«¤±¬¦¤¯ µ¨ ¤¯¬¤·¬²± ³µ²¦¨¶¶¨¶°²√¨ §·²
²¯º¨ µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ µ¤±ª¨ º¬·«·«¨ ¬±¦µ¨¤¶¨ ²©°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·¶o¤±§°²√¨ §·²«¬ª«¨µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ µ¤±ª¨ º¬·«·«¨ ·¨¶·¬±ª©µ¨ ∏´¨±¦¼
¬±¦µ¨¤¶¨ q׫¨ ¤³³¤µ¨±·¤¦·¬√¤·¬²± ±¨¨ µª¼²© °¨ ¦«¤±¬¦¤¯ µ¨ ¤¯¬¤·¬²±³µ²¦¨¶¶¨¶§¨¦µ¨¤¶¨§º¬·«·«¨ ¬±¦µ¨¤¶¨ ²©°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·¶qƒ²µ
Αµ¨ ¤¯¬¤·¬²± ³µ²¦¨¶¶o«¬ª«2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¤±§ ²¯º2·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §µ¬¨§ º²²§¶¶«²º¨ § ²¯º¨ µ√¤¯∏¨ ·«¤±·«¤·©²µ©µ¨ ½¨¨ 2√¤¦∏∏° §µ¬¨§
º²²§q
Κεψ ωορδσ} §µ¬¨§º²²§~ °¨ ¦«¤±¬¦¤¯ µ¨ ¤¯¬¤·¬²± ³µ²¦¨¶¶~°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·~¤³³¤µ¨±·¤¦·¬√¤·¬²± ±¨¨ µª¼
木材干燥是在热力作用下以蒸发或沸腾的汽化方式排出木材内部的水分 o木材干燥过程是一个复杂的
物理和化学过程 o在外界热 !压力和温湿度的作用下 o木材性质会发生变化 ∀国内外学者围绕着各种木材干
燥方法开展了大量的研究工作 o但大多着重于干燥工艺基准 !干燥质量 !干燥速度以及干燥成本等方面的比
较和分析上 o较少注意到干燥方法所引起的木材物理力学性质的变化 o尤其是黏弹性质 ∀
经过干燥处理的木材 o在使用过程中常常受到动态交变载荷的作用 o此时材料所表现出来的黏弹性质尤
为重要 o其在一定程度上会受到使用环境温度和湿度的影响 ∀笔者曾围绕不同平衡含水率条件下木材动态
黏弹性的表现k蒋佳荔等 oussyl !绝干状态下不同干燥方法处理材的动态黏弹性质k蒋佳荔等 ousszl进行了
研究 o结果表明水分影响着木材的黏弹性质 o不同干燥方法处理材之间的黏弹性质也存在一定的差异 o因此
有必要进一步研究干燥处理材动态黏弹性的含水率依存性 ∀
t 材料与方法
111 试样制备
试验材料采用江西产杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl的心材 o生材含水率约为 {y h o平均基本密度为
s1uzu ª#¦°pv ∀图 t为试样锯解示意图 o将原木锯解 o取断面为 tus °°k径向l ≅ xs °°k弦向l的带髓心径切
板材k图 t¤l ~从髓心沿木材轴向将板材一分为二 o取其中一根试条k图 t¥l ~在试条上沿弦向锯取厚度为
u1x °° !径向宽度为 vx °°的薄试条k图 t¦l ~沿薄试条的轴向连续锯取长度为 tu °°的试样k图 t§l o尺寸
为 }tu °°kl ≅ vx °°k• l ≅ u1x °°k×l ∀以上试样均无节子和缺陷 o在 v ∗ {年轮区域内取材 ∀
图 t 径向试样锯解示意图
ƒ¬ªqt ≥¤º¬±ª °¨ ·«²§©²µµ¤§¬¤¯ ¶³¨¦¬° ±¨¶
112 干燥处理试验
高温干燥和低温干燥均在
恒温干燥箱k⁄÷2wssl中进行 ∀
高温干燥温度为 ttx ε o干燥时
间为 { «~ 低温干燥温度为
yx ε o干燥时间为 us «∀进行
真空冷冻干燥时 o首先将试样置
于 p u| ε 的低温冰箱中预冻
uw «o取出后在真空冷冻干燥机
kƒ×≥ ¶¼¶·¨°¶l中进行干燥 o冷凝
图 u 单悬臂梁弯曲形变示意图
ƒ¬ªqu ≥®¨·¦« °¤³²©¶¬±ª¯¨¦¤±·¬¯¨ √¨ µ¥¨ ±§¬±ª
温度为 p w| ε o升华发生时的真空度为 ty1x °¤o干燥时间为 uw «∀
经高温干燥 !低温干燥和真空冷冻干燥后 o试样均达到绝干状态 ∀
将试样装入塑料封口袋中 o置于装有硅胶干燥剂的干燥器中保存
待用 ∀
113 试样含水率的调整
采用饱和盐溶液调湿法 o利用氯化镁 !氯化钠和硝酸钾调制 v
个恒温恒湿环境 o温度保持 t{ ∗ uu ε o相对湿度分别为 vv h !y{ h
和 {x h o将绝干状态的高温干燥处理材 !低温干燥处理材和真空冷冻干燥处理材试样置于 v个恒温恒湿环
境中进行吸湿 o当试样在 uw «内的质量变化小于其绝干质量的 s1t h时 o可认为试样达到含水率平衡态 ∀
114 动态黏弹性测定
采用 ⁄„k§¼±¤°¬¦°¨ ¦«¤±¬¦¤¯ ¤±¤¯¼¶¬¶l u|{s型动态力学分析仪对不同含水率干燥处理材的贮存模量 Εχ
和损耗模量 Εδ进行测定 ∀温度范围为 p tus ∗ ws ε o低温环境中用液氮制冷 ∀升温速度是 u ε #°¬±pt o测量
频率为 s1x !t !u !x !ts ‹½∀采用单悬臂梁弯曲形变模式k图 ul o跨距 t{ °° o振幅 tx Λ° o沿试样径向弯曲 ∀
115 动态黏弹性测定过程中试样含水率的变化
本试验用动态力学分析仪不具备环境湿度控制系统 os ε 以下的试验用液氮进行制冷控制温度 o可以认
为这一过程木材与周围环境发生水分吸着或解吸的程度很小 ∀温度升至 s ε 附近 o外界环境湿度对木材试
样含水率的影响逐渐增强 ∀通过在动态黏弹性测定前和测定完成后分别对试样进行称重 o确定测定过程中
试样含水率的实际变化 ∀
表 1 干燥处理材在相对湿度环境中的平衡含水率
Ταβ .1 Τηε Ε ΜΧ οφ δρψινγ τρεατεδ ωοοδ ατταινεδ
ον ρελατιϖε ηυµιδιτψ χονδιτιονσ h
试样 ≥³¨¦¬° ±¨¶ 相对湿度 • ¨¯¤·¬√¨«∏°¬§¬·¼Πhvv y{ {x
高温干燥 ‹×⁄ v1vw |1ww tx1yt
低温干燥 ×⁄ w1uw ts1yy ty1vs
真空冷冻干燥 ƒ∂ ⁄ x1sx tt1vz tz1xu
u 结果与分析
211 干燥处理材的平衡含水率
v种干燥处理材在同一相对湿度环境中达到的平
衡含水率存在差异 ∀表 t列出了在 vv h !y{ h和 {x h
相对湿度的环境中 o高温干燥 !低温干燥和真空冷冻干
燥处理材的平衡含水率 ∀从表中可以看到 o干燥处理
材的平衡含水率均随着相对湿度的增加而增大 ~在同
一相对湿度条件下 o高温干燥处理材的平衡含水率最低 o可能是因为高温干燥过程中一部分吸湿性较高的半
|tt 第 |期 蒋佳荔等 }干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性
纤维素降解为吸湿性较低的物质 o如糠醛k‹¬µ¤¬ετ αλqot|zul ~真空冷冻干燥处理材的平衡含水率最高 o分析
其原因 o真空冷冻干燥是在水的三相点以下使木材中冻结的水分升华而脱去 o在这个过程中 o首先是木材中
的水形成冰晶 o发生体积膨胀 o冰晶升华时 o细胞壁易发生皱缩 o甚至引起木材细胞壁破坏k∞µ¬¦®¶²± ετ αλqo
t|yy ~t|y{ ~≤«²²±ª ετ αλqot|zv ~| ετ αλqoussxl o因此木材细胞壁中的吸着区域增多 o吸湿性增大 o达到的
平衡含水率高 ∀
212 单频(1 Ηζ)测定条件下干燥处理材的动态黏弹性
为了消除试样自身的差异对试验结果造成的影响 o采用相对贮存模量和相对损耗模量来代替贮存模量
图 v 干燥处理材的相对贮存模量和相对损耗模量在 t ‹½测定频率下的温度谱
ƒ¬ªqv × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¶³¨¦·¤²©·«¨ µ¨ ¤¯·¬√¨ ¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶¤±§µ¨ ¤¯·¬√¨ ²¯¶¶
°²§∏¯∏¶°¨ ¤¶∏µ¨§¤·t ‹½©²µ§µ¬¨§º²²§¶
„ }高温干燥 ‹×⁄~…}低温干燥 ×⁄~≤ }真空冷冻干燥 ƒ∂ ⁄q
τ 相对湿度 • ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼ vv h ~ ϖ 相对湿度 • ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼ y{ h ~
≅ 相对湿度 • ¨¯¤·¬√¨«∏°¬§¬·¼ {x h q
和损耗模量 ∀其中 o相对贮存模量 ΕχΠΕχs 为任一温度下的贮存模量 Εχ与试验起始温度 p tus ε 下贮存模量
Εχs 的比值 ~相对损耗模量 ΕδΠΕsδ为任一温度下的损耗模量 Εδ与 p tus ε 时损耗模量 Εδs 的比值 ∀
图 v是干燥处理材在 vv h !y{ h和 {x h相对湿度环境中达到含水率平衡态时的相对贮存模量 ΕχΠΕχs 和
相对损耗模量 ΕδΠΕδs 在 t ‹½测定频率下的温度谱 ∀从 ΕχΠΕχs 温度谱中可以观察到 o随着温度的升高相对
贮存模量呈减小的趋势 o这是因为温度升高 o木材分子热运动能量逐渐增加 o低温条件下一些小尺寸单元 o如
侧基 !支链 !主链或支链上的各种官能团以及个别链节的运动 o逐渐转变成链段或链段某一部分的运动 o因此
贮存模量值减小k何曼君等 ousssl ∀在贮存模量减小的区域 o相对损耗模量 ΕδΠΕδs 温度谱中出现了 u个力
学松弛过程 }其一是发生在 s ∗ ws ε 附近的 Α力学松弛过程 o是由低分子质量的半纤维素发生玻璃化转变引
起的k…¤¦®°¤± ετ αλqousst ~蒋佳荔等 oussyl ~另一个是出现在 p tus ∗ p |s ε 附近的 Β力学松弛过程 ∀根
据 ≥∏ª¬¼¤°¤等kt||y ~t||{l的研究结果 oΒ力学松弛过程是基于吸着水分子回转取向运动的松弛过程和基于
木材细胞壁无定形区中伯醇羟基回转取向运动的松弛过程两者叠加而成的 ∀从 ΕχΠΕχs 和 ΕδΠΕδs 温度谱中
还可以观察到木材动态黏弹性随含水率的变化情况 }随着木材含水率的增加 o相对贮存模量随温度升高而降
低的程度逐渐增大 o同一温度
下 o在 {x h 相对湿度环境中降
低程度最大 o在 vv h 相对湿度
环境中降低程度最小 ~力学松
弛过程的强度随着含水率的增
加而降低 o在 vv h 相对湿度环
境中达含水率平衡态的干燥处
理材 o其相对损耗模量明显高于
在 y{ h和 {x h相对湿度环境中
达含水率平衡态时的相对损耗
模量值 o这个现象表明水分的存
在使得干燥处理材内部分子运
动的能量损耗减小 ∀此外 o力学
松弛过程的损耗峰温度随着含
水率的增加向低温方向移动 o反
映了水对木材的增塑作用
kƒ∏µ∏·¤ ετ αλqousstl ∀表 u 列
出了 v 种干燥处理材在 vv h !
y{ h和 {x h相对湿度环境中达
到含水率平衡态时 Α和 Β力学
松弛过程的损耗峰温度 ∀从表
中可以看到 o在同一相对湿度条
件下 o高温干燥处理材的力学损
耗峰温度高于低温干燥处理材
和真空冷冻干燥处理材的力学
sut 林 业 科 学 ww卷
表 2 不同含水率平衡态的干燥处理材力学
松弛过程的损耗峰温度
Ταβ .2 Λοσσ πεακ τεµ περατυρεσφορ δρψινγ τρεατεδ
ωοοδ ωιτη ϖαριουσ µ οιστυρε χοντεντσ
力学松弛
 ¦¨«¤±¬¦¤¯
µ¨ ¤¯¬¤·¬²±
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨
«∏°¬§¬·¼Πh
温度 × °¨³¨µ¤·∏µ¨Πε
高温干燥
‹×⁄
低温干燥
×⁄
真空冷冻干燥
ƒ∂ ⁄
vv vx vx vt
Α y{ tv tt tu
{x x v v
vv p {| p |u p {|
Β y{ p tsv p tsx p ts|
{x p ttv p ttw p tty
损耗峰温度 ∀一方面可能是因为经高温干燥处理
后木材内部分子之间的结合力较大 o刚度较高 ~
另一方面可能是由干燥处理材在同一相对湿度条
件下达到的平衡含水率存在差异所引起的 ∀由表
t可知 o在同一相对湿度条件下 o高温干燥处理材
的平衡含水率最低 o即木材中水分含量少 o因此木
材需要从外界环境中获取更多的热量才能使运动
单元克服其以一定方式运动所需要的位垒 o开始
一定方式的热运动 ∀此外 o从表 u中还能直观地
看到干燥处理材力学松弛过程的损耗峰温度随着
含水率增加而降低的情况 ∀
213 多频(015 ∗ 10 Ηζ)测定条件下干燥处理材
图 w 高温干燥处理材的贮存模量和损耗模量在 s1x ∗ ts ‹½测定频率下的温度谱
ƒ¬ªqw × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¶³¨¦·µ¤²©¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶¤±§ ²¯¶¶°²§∏¯∏¶° ¤¨¶∏µ¨§¤·s1x ∗ ts ‹½©²µ‹×⁄ º²²§
„ }含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·v1vw h ~…}含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·|1ww h ~
≤ }含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·tx1yt h q
υ s1x ‹½~ τ t ‹½~ ≅ u ‹½~ ω x ‹½~ ϖ ts ‹½q
的动态黏弹性
图 w ∗ y分别为高温干燥 !
低温干燥和真空冷冻干燥处理
材在 vv h !y{ h 和 {x h 相对湿
度环境中达含水率平衡态时的
贮存模量 Εχ和损耗模量 Εδ在
s1x !t !u !x !ts ‹½测定频率下
的温度谱 ∀从贮存模量温度谱
中可以观察到 oΕχ随着测量频
率的增加而增大 o但不同频率之
间贮存模量的差异很小 o曲线几
乎重合在一起 ∀从损耗模量温
度谱中可以观察到 o随着温度的
升高依次出现了 Β和 Α u个力
学松弛过程 ∀在同一平衡含水
率条件下 o随着测量频率的增
加 o力学松弛过程的损耗峰温度
向高温方向移动 ~力学损耗峰
的强度随着测量频率的增加而
降低 ∀表 v列出了在不同相对
湿度环境中达含水率平衡态的
干燥处理材在 s1x ∗ ts ‹½测定
条件下力学松弛过程的损耗峰
温度 o以此说明力学损耗峰温度
随着含水率和频率的改变而发
生变化的情况 ∀从表中可以看到 o在同一测定频率下 o随着平衡含水率的增大 o木材力学松弛过程的损耗峰
温度降低 ∀在 vv h相对湿度环境中达到平衡含水率的 v种干燥处理材 oΑ力学松弛过程的损耗峰温度与频
率之间没有明显的规律性 o推测可能是由于木材经过干燥处理后 o木材的分子结构或化学成分发生了一定程
度的变化 o从而导致吸湿初期水分在干燥处理材内部分布不均匀的缘故 ∀随着含水率的增加 oΑ松弛过程损
耗峰温度的变化与频率之间的规律性明显 o即损耗峰温度随着测量频率的增加而增大 ∀对于发生在低温域
的 Β松弛过程 o无论在低含水率状态或高含水率状态 ov种干燥处理材的力学损耗峰温度均随着频率的增大
向高温方向移动 o呈现明显的规律性 ∀
tut 第 |期 蒋佳荔等 }干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性
图 x 低温干燥处理材的贮存模量和损耗模量在 s1x ∗ ts ‹½测定频率下的温度谱
ƒ¬ªqx × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¶³¨¦·µ¤²©¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶¤±§ ²¯¶¶°²§∏¯∏¶°¨ ¤¶∏µ¨§¤·s1x ∗ ts ‹½©²µ×⁄ º²²§
„ }含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·w1uw h ~…}含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·ts1yy h ~
≤ }含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·ty1vs h q
υ s1x ‹½~ τ t ‹½~ ≅ u ‹½~ ω x ‹½~ ϖ ts ‹½q
表 3 多频测定条件下干燥处理材力学松弛过程的损耗峰温度
Ταβ .3 Λοσσ πεακ τεµ περατυρεσφορ δρψινγ τρεατεδ ωοοδ µεασυρεδ
βψ µ υλτι2φρεθυενχψ µ οδε ε
试样
≥³¨¦¬°¨ ±¶
频率
ƒµ¨ ∏´¨ ±¦¼Π‹½
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼ vv h
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼ y{ h
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼ {x h
Α Β Α Β Α Β
s1x vv p |t { p ts{ p t p tt{
t vx p {| tv p tsv x p ttv
高温干燥 ‹×⁄ u vx p {y ut p || { p ts|
x vw p zy vu p |y tx p tsy
ts vw p zv v| p |v uy p tsu
s1x vv p |w y p tsz p u p tt|
t vx p |u tt p tsx w p ttw
低温干燥 ×⁄ u vw p {u tx p tst { p ttt
x v{ p z{ uy p |{ us p tsz
ts vz p zx vv p |w uz p tsw
s1x vw p |t ts p ttt p v  p tus
t vt p {| tu p ts| v p tty
真空冷冻干燥 ƒ∂ ⁄ u vx p {x us p tsy z p ts|
x vx p {u uz p |{ tw p tsy
ts v{ p z| vw p |t uu p tsu
214 木材力学松弛过程的表观
活化能
根据 „µµ¨«¨ ±¬∏¶公式k过梅
丽 oussul o将测定频率的对数
±¯φ相对于力学损耗峰对应的绝
对温度的倒数tΠΤ作图 o如图 z
所示 ∀进行线性回归的决定系
数均在 s1{|以上 o由直线的斜
率可计算得到松弛过程所需要
的活化能 ∃ Η∀
通过以上计算 o可分别求得
不同含水率平衡态 v种干燥处
理材 Α和 Β力学松弛过程所需
的表观活化能 o列于表 w中 ∀由
于在 vv h相对湿度环境中达含
水率平衡态的干燥处理材 o它们
Α松弛过程的损耗峰温度与频
率之间没有明显的规律性 o因此
无法求得该含水率状态下的表
观活化能值 ∀从表中可以看到 o
Α力学松弛过程的表观活化能
高于 Β力学松弛过程的表观活
化能 o这与 Α力学松弛过程出
现在较高温度域的现象是一致
的 ∀ Α力学松弛过程的表观活
化能随着含水率的增大而减小 o说明水分的存在使得干燥处理材的黏性增大 o低分子质量的半纤维素更容易
发生玻璃化转变 ∀高温干燥和低温干燥处理材 Α松弛过程的表观活化能比较接近 o低于真空冷冻干燥处理
材 Α松弛过程的表观活化能 o可能是因为在受热干燥过程中木材的一部分半纤维素遭到破坏所致 ∀对于 Β
力学松弛过程 o高温干燥和低温干燥处理材的表观活化能随着含水率的增加呈现出先增大后减小的趋势 o在
低含水率下 k相对湿度
vv h l o高温干燥和低温干燥
处理材的表观活化能低 o可
能是因为处于绝干状态木材
的细胞壁无定形区中 o同一
纤维素分子链的伯醇羟基之
间以及相邻纤维素分子链的
伯醇羟基之间彼此以氢键相
连而饱和 o在吸湿的初期阶
段 o由于水分子的进入 o木材
中的一部分氢键连接被切断
了 o使得部分伯醇羟基得以
释放进行回转取向运动 o因
此所需表观活化能少 ~随着
含水率的增加 o木材内形成
单分子层的吸着水分子 o伯
uut 林 业 科 学 ww卷
图 y 真空冷冻干燥处理材的贮存模量和损耗模量在 s1x ∗ ts ‹½
测定频率下的温度谱
ƒ¬ªqy × °¨³¨µ¤·∏µ¨ ¶³¨¦·µ¤²©¶·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶¤±§ ²¯¶¶°²§∏¯∏¶
°¨ ¤¶∏µ¨§¤·s1x ∗ ts ‹½©²µƒ∂ ⁄ º²²§
„ 含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·x1sx h ~…含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·tt1vz h ~
≤ 含水率 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·tz1xu h q
υ s1x ‹½~ τ t ‹½~ ≅ u ‹½~ ω x ‹½~ ϖ ts ‹½
醇羟基与吸着水分子复合基团
的尺寸增大 o会使得发生回转取
向运动时需要克服的位垒增加 o
这就需要更多的能量才能使基
团活化得以运动 ∀此外 o随着木
材含水率的进一步增大 o当木材
内部形成多分子层吸着水分子
时 o吸着水分子的回转取向运动
将占据主导地位 o所需表观活化
能降低 ∀真空冷冻干燥处理材
的表观活化能则随着含水率的
增加而减小 o可能是因为其在
vv h相对湿度环境下的平衡含
水率较高 o即吸着水分子较多的
缘故 ∀
v 结论
tl 干燥处理材的贮存模量
随着温度的升高而减小 o贮存模
量的减小程度随着含水率的增
加而增大 ∀高温干燥处理材的
贮存模量随温度升高而降低的
程度最小 o真空冷冻干燥处理材
的贮存模量随温度升高而降低
的程度最大 o表明经高温干燥处
理的木材具有较高的刚度 ∀
ul 动态黏弹性测定过程
表 4 力学松弛过程的表观活化能和线性回归的决定因子
Ταβ .4 Αππαρεντ αχτιϖιτψ ενεργψ οφ στρεσσ ρελαξατιον προχεσσ ανδ
δετερµινατιον χοεφφιχιεντ οφλινεαρ ρεγρεσσιον
试样 ≥³¨¦¬°¨ ±¶ 相对湿度• ¨¯¤·¬√¨«∏°¬§¬·¼Πh
∃ ΗΑΠ
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uΑ
∃ ΗΒΠ
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Β
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高温干燥 ‹×⁄ y{ zz1vu s1|| w|1xs s1|z
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低温干燥 ×⁄ y{ zy1yz s1|| xy1u| s1||
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真空冷冻干燥 ƒ∂ ⁄ y{ {x1sy s1|{ vw1yy s1|y
{x {t1zv s1|| u{1xz s1{|
中 o随着温度的升高 v种干燥
处理材依次出现了 u个力学松
弛过程 }一个是出现在较高温
度域的 Α力学松弛过程 o是由
低分子质量的半纤维素发生玻
璃化转变引起的 ~另一个是出
现在低温域的 Β力学松弛过
程 o是基于木材细胞壁无定型
区中伯醇羟基的回转取向运动
与吸着水分子的回转取向运动
两者叠加而成 ∀力学松弛过程
的损耗峰温度随着含水率的增
加向低温方向移动 ∀
vl 在 s1x ∗ ts ‹½频率范围内 o不同频率之间贮存模量的差异很小 ∀随着测量频率的升高 o力学松弛过
程的损耗峰温度向高温方向移动 ∀
wl Α力学松弛过程的表观活化能高于 Β力学松弛过程的表观活化能 ∀ Α力学松弛过程的表观活化能随
着含水率的增大而减小 o真空冷冻干燥处理材的表观活化能最大 ~对于 Β力学松弛过程 ov种干燥处理材的
表观活化能随含水率的变化规律存在差异 ∀
vut 第 |期 蒋佳荔等 }干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性
图 z 力学松弛过程的损耗峰对应的绝对温度的倒数与频率的对数之间的关系
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υ 高温干燥 ‹×⁄~ τ 低温干燥 ×⁄~ ω 真空冷冻干燥 ƒ∂ ⁄q
参 考 文 献
过梅丽 qussu1 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 q
何曼君 o陈维笑 o董西侠 qusss1 高分子物理 q上海 }复旦大学出版社 q
蒋佳荔 o吕建雄 qussy1 木材动态黏弹性的含水率依存性 q北京林业大学学报 ou{k增刊 ul }tt{ p tuv q
蒋佳荔 o吕建雄 qussz1 干燥处理材的动态黏弹性 q中国林学会木材科学分会第十一次学术研讨会论文集 q
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k责任编辑 石红青l
wut 林 业 科 学 ww卷