木材動(dòng)態(tài)黏彈性的溫度、時(shí)間與頻率響應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、為深入探討木材動(dòng)態(tài)黏彈特性，以期為人工林木材高效合理的干燥技術(shù)、加工技術(shù)以及高性能、高附加值材料的制備與應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。本研究采用杉木（Cunninghamia lanceolata[Lamb.] Hook.）人工林木材作為試驗(yàn)材料，系統(tǒng)研究了溫度-時(shí)間-頻率作用下木材動(dòng)態(tài)黏彈性的響應(yīng)機(jī)理。
　　本論文包括4個(gè)部分的研究內(nèi)容：
　?、偻ㄟ^測(cè)定不同溫度下木材線性黏彈區(qū)域的臨界應(yīng)變值，得到臨界應(yīng)變值隨溫度和測(cè)量頻率變

2、化的信息，并以此作為動(dòng)態(tài)黏彈性能測(cè)試參數(shù)的選擇依據(jù)。
　?、谕ㄟ^測(cè)定木材在軸向、徑向和弦向上的動(dòng)態(tài)黏彈性，考察了木材動(dòng)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(shí)間譜和頻率譜。其中，通過測(cè)定動(dòng)態(tài)黏彈性能溫度譜，獲取木材力學(xué)狀態(tài)與松弛轉(zhuǎn)變行為方面的相關(guān)信息。對(duì)3種干燥材的動(dòng)態(tài)黏彈行為進(jìn)行考察，探討了不同干燥歷程對(duì)木材結(jié)構(gòu)與性能的影響及其機(jī)理；通過測(cè)定木材動(dòng)態(tài)黏彈性能時(shí)間譜，得到木

3、材的力學(xué)狀態(tài)與松弛轉(zhuǎn)變行為在熱作用過程中的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律；通過測(cè)定木材動(dòng)態(tài)黏彈性能頻率譜，得到木材的動(dòng)態(tài)剛度與阻尼性質(zhì)隨溫度、測(cè)量頻率的變化情況，并探討了經(jīng)歷溫度急劇變化后木材的動(dòng)態(tài)黏彈行為。④驗(yàn)證并分析了木材時(shí)-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(duì)水平移動(dòng)因子與溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行WLF與Arrhenius模型擬合，討論了時(shí)-溫等效原理描述木材動(dòng)態(tài)剛度與阻尼性能的適用性。
　　本論文的主要研究結(jié)論歸納如下：

4、>　　1.在-120~220℃范圍內(nèi)的不同恒定溫度水平下，木材線性黏彈區(qū)域的臨界應(yīng)變值為0.03％~0.19%，臨界應(yīng)變值隨溫度的升高呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。在-80、-20、40、120和220℃時(shí)，臨界應(yīng)變值的降幅明顯增大。臨界應(yīng)變值對(duì)溫度的響應(yīng)規(guī)律與木材的力學(xué)松弛過程有關(guān)，且隨測(cè)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(xiàn)相似的力

5、學(xué)松弛過程，力學(xué)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(fù)合材料的情況是相悖的。木材的動(dòng)態(tài)黏彈行為依賴于試驗(yàn)所選取的形變模式。
　　3.在-120~280℃范圍內(nèi)的勻速升溫過程中，木材的貯存模量隨溫度的升高呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。在溫度升高的方向上依次出現(xiàn)了4個(gè)力學(xué)松弛過程：①木材細(xì)胞壁無定形區(qū)中伯醇羥基的回轉(zhuǎn)取向運(yùn)動(dòng)與吸著水分子的回轉(zhuǎn)取向運(yùn)動(dòng)疊加而成

6、的松弛過程（出現(xiàn)在-100~-80℃溫度域）；②低分子量的半纖維素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變引起的松弛過程（出現(xiàn)在0~40℃溫度域）；③木質(zhì)素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變引起的松弛過程（出現(xiàn)在90℃附近）以及④木材細(xì)胞壁無定形聚合物的微布朗運(yùn)動(dòng)引起的松弛過程（出現(xiàn)在240℃附近）。力學(xué)損耗峰溫度隨著含水率的增加向低溫方向移動(dòng)。松弛轉(zhuǎn)變行為出現(xiàn)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(duì)照材之間的動(dòng)態(tài)剛度性質(zhì)、力學(xué)損耗峰溫度、力學(xué)損

7、耗峰強(qiáng)度以及力學(xué)松弛過程的表觀活化能均存在明顯差異。115℃干燥材動(dòng)態(tài)剛度相對(duì)較高，是因?yàn)樵谠摳稍镞^程中，木材細(xì)胞壁無定形區(qū)發(fā)生了結(jié)晶化或交聯(lián)化反應(yīng)，使得剛度增加。真空冷凍干燥材的動(dòng)態(tài)剛度相對(duì)較低，是由于在干燥過程中木材細(xì)胞壁在負(fù)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(duì)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(duì)照材之間動(dòng)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(nèi)的不同恒定溫度

8、水平下，溫度和熱作用時(shí)間主要引起木材出現(xiàn)動(dòng)態(tài)剛度降低、木質(zhì)素?zé)彳浕图?xì)胞壁無定形聚合物熱降解等一系列現(xiàn)象。升高溫度與延長熱作用時(shí)間對(duì)引起木材動(dòng)態(tài)剛度降低是等效的。在140、160和180℃恒溫過程的不同時(shí)間域內(nèi)均可觀察到木質(zhì)素的熱軟化現(xiàn)象，升高溫度可以縮短木質(zhì)素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的松弛時(shí)間。當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，木材細(xì)胞壁無定形聚合物發(fā)生熱降解是導(dǎo)致木材黏彈性能發(fā)生變化的一個(gè)主要因素。
　　6.在25~220℃范圍內(nèi)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(cè)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(duì)應(yīng)的特征頻率值移向高頻方向。經(jīng)歷溫度急劇變化后，木材的動(dòng)態(tài)剛度降低、阻尼性能增大，木材細(xì)胞壁無定形區(qū)內(nèi)形成了不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而加快分子鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛過程。
　　7.在25~150℃溫度范圍內(nèi)，利用時(shí)-溫等效原理描述低含水率（約為0.6%）木材的動(dòng)態(tài)剛度性質(zhì)是適用的，但無法用來預(yù)測(cè)木材在寬闊頻率范圍內(nèi)的松弛轉(zhuǎn)變行為