不同含水率速生楊木DMA圖譜分析及應(yīng)用1)

韓書廣 那 斌 羅婉珺 吳羽飛 盧曉寧

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

速生楊樹作為我國短周期工業(yè)用材的主要材種之一，主要用于普通人造板的生產(chǎn)。由于其固有的缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)疏松、密度低、吸水性大、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性差等，必須進(jìn)行相應(yīng)的改性加工才能在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用。作為高分子材料，速生楊木的許多性質(zhì)都強(qiáng)烈地依賴于溫度和時間，由于動態(tài)力學(xué)分析(DMA)能夠非常靈敏地描述高分子材料在程控溫度、周期性應(yīng)力下的動態(tài)模量或力學(xué)損耗與溫度關(guān)系，進(jìn)而揭示出被測材料的黏彈性及流變性能［1］，因而用于評價(jià)竹材高溫軟化、杉木干燥及楊木熱處理效果等方面已有顯著的效果［2-5］?？紤]到水分影響著木材幾乎所有的物理力學(xué)性質(zhì)，因此將木材動態(tài)黏彈性與含水率聯(lián)系起來研究很有必要。利用DMA技術(shù)研究不同含水率條件下速生材的黏彈性轉(zhuǎn)變過程已有所開展［6］，所用試件的含水率范圍較窄(分別為4.83%、11.19%和17.24%)，DMA掃描范圍集中在低溫區(qū)(-120～40℃)。而有關(guān)較大含水率范圍、較高溫度變化區(qū)間的熱作用下材性轉(zhuǎn)變過程的研究尚不多見。本研究將在較寬溫度范圍內(nèi)，對多種含水率速生楊試件進(jìn)行DMA分析，并力求將分析結(jié)果與速生楊木的加工實(shí)踐聯(lián)系起來，以期為速生楊木或其他工業(yè)用材的合理、高效、綜合利用和功能性改良研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

試件制備：試材選自江蘇泗陽產(chǎn)速生楊木，10年生，胸徑22 cm，氣干密度0.35 g/cm3。將試材旋切成2 mm厚度的單板，取旋至試材直徑15 cm處的無瑕疵單板帶，并沿此單板纖維方向截取試件進(jìn)行動態(tài)熱機(jī)械分析，試件的最終尺寸為60 mm(長)×8 mm(寬)×2 mm(厚)。

試件含水率調(diào)整：含水率調(diào)整采用烘干法，將飽水試件放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG—9030A)中，干燥箱溫度調(diào)整為(103±1)℃，干燥至按照試件的絕干質(zhì)量計(jì)算其達(dá)到各含水率時的相應(yīng)質(zhì)量計(jì)算值為止，目標(biāo)含水率分別為絕干、6%、12%(南京春天平衡含水率)、18%、30%、50%、100%和水飽和(蒸餾水)。

動態(tài)黏彈性測定：采用德國Netzsch公司DMA242—C型動態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行速生楊試件的動態(tài)黏彈性測定。參數(shù)為：溫度掃描范圍35～350℃，升溫速度5℃·min-1，測量頻率10 Hz。采用雙懸臂梁彎曲形變模式，跨距32 mm，振幅40 μm，動態(tài)力6N，比例因子1.2。每種含水率水平重復(fù)測試3次，用平均值進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水率速生楊木儲能模量與溫度的關(guān)系

儲能模量是表征材料彈性的物理量。由圖1可見，絕干、6%和12%含水率試樣的初始儲能模量隨含水率的升高而降低，這也是其初始強(qiáng)度在此含水率范圍內(nèi)隨含水率變化的趨勢。12%、18%、30%含水率試樣的初始儲能模量隨含水率的升高而升高，試樣含水率處于纖維飽和點(diǎn)(30%)時初始儲能模量最大，這是因?yàn)槲诶w維飽和點(diǎn)時的含量最大，而吸著水存在于木材細(xì)胞壁內(nèi)的微纖絲、大纖絲之間構(gòu)成的微毛細(xì)管系統(tǒng)內(nèi)或吸附在微晶表面和無定型區(qū)域內(nèi)纖維素分子的游離羥基上，與木材結(jié)合緊密［7］，在纖維飽和點(diǎn)以下，含水率較高時有利于木材初始彈性的提高。50%、100%和水飽和試樣的初始儲能模量隨含水率的升高而下降，速生楊木生材的含水率一般在100%和水飽和之間［8］，在此含水率范圍內(nèi)其初始儲能模量相對較低［9］，這為速生楊木生材不加蒸煮直接旋切提供了理論依據(jù)。

圖1 不同含水率速生楊木的儲能模量

絕干、6%和12%含水率試樣次級彈性轉(zhuǎn)變開始時的溫度分別為95、70、55℃，隨含水率的升高而降低，但每一試樣的彈性在發(fā)生次級轉(zhuǎn)變前均隨溫度的升高而略有升高，表明在發(fā)生次級彈性轉(zhuǎn)變前，對以上3種含水率速生楊木進(jìn)行較低溫度的熱處理有利于其彈性的提高。在這3種含水率試樣中，絕干含水率試樣具有最高的次級彈性轉(zhuǎn)變溫度和最大的次級彈性轉(zhuǎn)變儲能模量，這對應(yīng)用DMA技術(shù)評價(jià)其它木材的彈性極限具有參考意義，而對處于平衡含水率(12%)狀態(tài)的速生楊木構(gòu)件，從彈性的角度來看存在著溫度上限，本試驗(yàn)中為55℃，這對確定絕大多數(shù)處于平衡含水率狀態(tài)的木制品的安全使用溫度是有幫助的。18%含水率以上試件開始次級彈性轉(zhuǎn)變的溫度和完成次級彈性轉(zhuǎn)變的溫度大致呈現(xiàn)為隨含水率的升高而升高。當(dāng)處于完成次級彈性轉(zhuǎn)變溫度以上時，下降的幅度很小甚至還有所回升(當(dāng)含水率超過30%時)，這是因?yàn)樵诟稍餇顟B(tài)下，纖維素的熱軟化范圍為200～250℃，半纖維素的熱軟化范圍為150～220℃，木質(zhì)素的熱軟化范圍為130～205℃［10］，在水分的增塑作用下，半纖維素和木素的熱軟化起始溫度會提前，使儲能模量下降幅度較小，而纖維素在此溫度范圍內(nèi)未發(fā)生熱軟化;儲能模量在完成初級彈性轉(zhuǎn)變后有所回升則是由于在水分作用下，纖維素分子的結(jié)晶度有所增加［11-12］。因此從圖1可以看出，完成次級彈性轉(zhuǎn)變時的溫度對不同含水率速生楊木熱處理、彎曲變形溫度的選擇很有參考價(jià)值，其溫度不應(yīng)低于完成次級彈性轉(zhuǎn)變的溫度。次級彈性轉(zhuǎn)變開始至次級彈性轉(zhuǎn)變完成，即為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，當(dāng)溫度超過次級轉(zhuǎn)變完成溫度時，試件自此進(jìn)入高彈態(tài)。另外，絕干試件不存在明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變過程。不同含水率速生楊木完成次級彈性轉(zhuǎn)變時的溫度，各含水率試件發(fā)生主彈性轉(zhuǎn)變，即由高彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度見表1。在各轉(zhuǎn)變溫度以上，纖維素開始軟化，因此對速生楊木進(jìn)行與溫度有關(guān)的壓縮強(qiáng)化、尺寸穩(wěn)定化處理，刨花板、中密度纖維板端面密度的調(diào)整，甚至減少膠黏劑的用量乃至無膠膠合，木塑復(fù)合材料界面相容性的改善等都具有參考價(jià)值。

2.2 不同含水率速生楊木損耗模量與溫度的關(guān)系

損耗模量是表征材料黏性的物理量，損耗模量越大黏性越大。當(dāng)含水率介于0～12%時，初始損耗模量隨含水率的升高而降低;當(dāng)含水率介于12%～30%時，初始損耗模量隨含水率的增大而增大;當(dāng)含水率大于30%時，損耗模量又隨含水率的升高而下降;初始損耗模量分別在平衡含水率(12%)時取得極小值、在纖維飽和點(diǎn)(含水率30%)時取得極大值。即速生楊木構(gòu)件在平衡含水率時黏性最小，在纖維飽和點(diǎn)時黏性最大。這說明了2個問題：一是木質(zhì)材料在平衡含水率附近工作性能最穩(wěn)定;二是處于纖維飽和點(diǎn)時木質(zhì)材料最軟。在發(fā)生次級黏性轉(zhuǎn)變之前，各含水率試件的損耗模量隨溫度的升高而升高。木質(zhì)材料的黏性變化主要是由木素和半纖維素的熱軟化造成的，通過圖1儲能模量的變化來確定次級彈性轉(zhuǎn)變完成時的溫度較容易，但是用于界定次級彈性轉(zhuǎn)變開始時的溫度有一定的不確定性，尤其是含水率超過12%的試件，但是通過損耗模量的變化(圖2)可以明顯地確定開始發(fā)生和完成次級黏性轉(zhuǎn)變時的溫度，見表1。

圖2 不同含水率速生楊木的損耗模量

表1 不同含水率速生楊木彈性和黏性轉(zhuǎn)變時的溫度

通過損耗模量描述的速生楊木的黏性轉(zhuǎn)變過程實(shí)際上與含水率對木素、半纖維素的影響有關(guān)，表1中不同含水率速生楊木發(fā)生和完成次級黏性轉(zhuǎn)變時的溫度表明，水分的增塑作用在纖維飽和點(diǎn)附近最大化，因此如果考慮采用較低的溫度對速生楊木進(jìn)行塑化、彎曲、壓縮等處理時，可以選擇在纖維飽和點(diǎn)附近，125℃左右進(jìn)行。

表1中相關(guān)數(shù)據(jù)還表明，速生楊木試件處于纖維飽和點(diǎn)時，具有最大的初始儲能模量，最低的完成次級彈性轉(zhuǎn)變溫度，最大的初始損耗模量，最低的發(fā)生和完成次級黏性轉(zhuǎn)變溫度，尤其是具有最大的次級轉(zhuǎn)變損耗模量，基于以上特征，結(jié)合數(shù)學(xué)方法，采用DMA來測定木材的纖維飽和點(diǎn)應(yīng)該是可行的。

所有含水率試樣發(fā)生主黏性轉(zhuǎn)變的溫度基本上集中在220、225℃附近，相差不大。在發(fā)生主黏性轉(zhuǎn)變之前，損耗模量隨溫度的升高而漸漸升高，這是纖維素逐漸被軟化的結(jié)果，至發(fā)生主黏性轉(zhuǎn)變溫度時達(dá)最大值，然后迅速下降，試件進(jìn)入黏流態(tài)。

2.3 不同含水率速生楊木損耗因子與溫度的關(guān)系

損耗因子對應(yīng)于形變落后于應(yīng)力的相位角，次轉(zhuǎn)變發(fā)生時(低溫區(qū))，損耗因子達(dá)到峰值時的溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度［1］。由圖3可知，6%、12%含水率試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為115℃，18%、30%含水率試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為95℃，其他含水率試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均隨含水率的增大而增大，分別為50%(105℃)、100%(125℃)和水飽和(135℃)。明確不同含水率木材試件的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，對制定與溫度有關(guān)的木材加工工藝具有非常重要的參考價(jià)值。另外，各含水率試件發(fā)生主轉(zhuǎn)變(高溫區(qū))時的溫度基本集中在240～245℃附近，主轉(zhuǎn)變溫度受含水率的影響很小。

圖3 不同含水率速生楊木的損耗因子

3 結(jié)束語

儲能模量和損耗模量分別明確地描述了速生楊木彈性和黏性隨含水率的變化。在整個掃面溫度范圍內(nèi)(35～350℃)試件會出現(xiàn)2個明顯的彈性和黏性轉(zhuǎn)變過程：完成次級彈性轉(zhuǎn)變的溫度隨含水率的增加先減小后增大，30%含水率時出現(xiàn)極小值，發(fā)生主彈性轉(zhuǎn)變的溫度隨含水率的增加而增大;損耗模量除絕干試件外，發(fā)生和完成次級黏性轉(zhuǎn)變過程的溫度基本上隨含水率的增大先減小后增大，極小值都出現(xiàn)在30%含水率時，所有含水率試樣發(fā)生主黏性轉(zhuǎn)變的溫度基本上集中在225℃附近。通過損耗因子圖譜準(zhǔn)確地獲得了不同含水率試件從玻璃態(tài)到高彈態(tài)，從高彈態(tài)到黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。

通過DMA技術(shù)研究木材的黏彈性轉(zhuǎn)變過程可以獲得很多有重要參考價(jià)值的信息，為制定相關(guān)加工工藝參數(shù)提供依據(jù)。

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