木材動態(tài)黏彈性的溫度、時間與頻率響應機理研究.pdf

1、為深入探討木材動態(tài)黏彈特性，以期為人工林木材高效合理的干燥技術、加工技術以及高性能、高附加值材料的制備與應用提供理論依據和科學指導。本研究采用杉木（Cunninghamia lanceolata[Lamb.] Hook.）人工林木材作為試驗材料，系統(tǒng)研究了溫度-時間-頻率作用下木材動態(tài)黏彈性的響應機理。
　　本論文包括4個部分的研究內容：
　?、偻ㄟ^測定不同溫度下木材線性黏彈區(qū)域的臨界應變值，得到臨界應變值隨溫度和測量頻率變

2、化的信息，并以此作為動態(tài)黏彈性能測試參數的選擇依據。
　?、谕ㄟ^測定木材在軸向、徑向和弦向上的動態(tài)黏彈性，考察了木材動態(tài)黏彈性的各向異性行為。
　?、巯到y(tǒng)討論并分析了木材貯存模量、損耗模量與損耗因子的溫度譜、時間譜和頻率譜。其中，通過測定動態(tài)黏彈性能溫度譜，獲取木材力學狀態(tài)與松弛轉變行為方面的相關信息。對3種干燥材的動態(tài)黏彈行為進行考察，探討了不同干燥歷程對木材結構與性能的影響及其機理；通過測定木材動態(tài)黏彈性能時間譜，得到木

3、材的力學狀態(tài)與松弛轉變行為在熱作用過程中的經時變化規(guī)律；通過測定木材動態(tài)黏彈性能頻率譜，得到木材的動態(tài)剛度與阻尼性質隨溫度、測量頻率的變化情況，并探討了經歷溫度急劇變化后木材的動態(tài)黏彈行為。④驗證并分析了木材時-溫等效原理的適用性，通過合成貯存模量和損耗因子主曲線、對水平移動因子與溫度的關系曲線進行WLF與Arrhenius模型擬合，討論了時-溫等效原理描述木材動態(tài)剛度與阻尼性能的適用性。
　　本論文的主要研究結論歸納如下：

4、>　　1.在-120~220℃范圍內的不同恒定溫度水平下，木材線性黏彈區(qū)域的臨界應變值為0.03％~0.19%，臨界應變值隨溫度的升高呈現出減小的變化趨勢。在-80、-20、40、120和220℃時，臨界應變值的降幅明顯增大。臨界應變值對溫度的響應規(guī)律與木材的力學松弛過程有關，且隨測量頻率的增加而略有減小。
　　2.木材軸向試樣的貯存模量顯著高于橫向試樣的貯存模量，其中，弦向試樣的貯存模量最低。木材軸向、徑向和弦向試樣出現相似的力

5、學松弛過程，力學損耗峰溫度存在明顯差異。木材軸向試樣的剛度高，但其松弛過程的損耗峰溫度卻低于剛度較低的橫向試樣的損耗峰溫度，這與許多高聚物復合材料的情況是相悖的。木材的動態(tài)黏彈行為依賴于試驗所選取的形變模式。
　　3.在-120~280℃范圍內的勻速升溫過程中，木材的貯存模量隨溫度的升高呈現出減小的變化趨勢。在溫度升高的方向上依次出現了4個力學松弛過程：①木材細胞壁無定形區(qū)中伯醇羥基的回轉取向運動與吸著水分子的回轉取向運動疊加而成

6、的松弛過程（出現在-100~-80℃溫度域）；②低分子量的半纖維素發(fā)生玻璃化轉變引起的松弛過程（出現在0~40℃溫度域）；③木質素發(fā)生玻璃化轉變引起的松弛過程（出現在90℃附近）以及④木材細胞壁無定形聚合物的微布朗運動引起的松弛過程（出現在240℃附近）。力學損耗峰溫度隨著含水率的增加向低溫方向移動。松弛轉變行為出現的溫度越高，其表觀活化能值越大。
　　4.不同干燥材之間以及干燥材與對照材之間的動態(tài)剛度性質、力學損耗峰溫度、力學損

7、耗峰強度以及力學松弛過程的表觀活化能均存在明顯差異。115℃干燥材動態(tài)剛度相對較高，是因為在該干燥過程中，木材細胞壁無定形區(qū)發(fā)生了結晶化或交聯化反應，使得剛度增加。真空冷凍干燥材的動態(tài)剛度相對較低，是由于在干燥過程中木材細胞壁在負壓作用下發(fā)生了一定程度的破壞所致。干燥歷程改變了木材對水分子的吸著能力和吸著狀態(tài)。3種干燥材之間、干燥材與對照材之間動態(tài)黏彈行為的差異隨含水率的增加逐漸縮小。
　　5.在25~220℃范圍內的不同恒定溫度

8、水平下，溫度和熱作用時間主要引起木材出現動態(tài)剛度降低、木質素熱軟化和細胞壁無定形聚合物熱降解等一系列現象。升高溫度與延長熱作用時間對引起木材動態(tài)剛度降低是等效的。在140、160和180℃恒溫過程的不同時間域內均可觀察到木質素的熱軟化現象，升高溫度可以縮短木質素發(fā)生玻璃化轉變的松弛時間。當溫度高于180℃時，木材細胞壁無定形聚合物發(fā)生熱降解是導致木材黏彈性能發(fā)生變化的一個主要因素。
　　6.在25~220℃范圍內的不同恒定溫度水平

9、下，木材的貯存模量隨溫度的升高而降低，隨測量頻率（0.1~100 Hz）的增加而增大。隨著溫度的升高，損耗因子的極小值所對應的特征頻率值移向高頻方向。經歷溫度急劇變化后，木材的動態(tài)剛度降低、阻尼性能增大，木材細胞壁無定形區(qū)內形成了不穩(wěn)定結構，從而加快分子鏈段運動的松弛過程。
　　7.在25~150℃溫度范圍內，利用時-溫等效原理描述低含水率（約為0.6%）木材的動態(tài)剛度性質是適用的，但無法用來預測木材在寬闊頻率范圍內的松弛轉變行為