（木材科学与技术专业论文）干燥处理材的动态粘弹性研究.pdf

月 t f 异很小干燥处理材和对照材在轴向上的贮存模量随温度升高而降低的程度最小，在径 向上次之，在弦向上的降低程度最大。干燥处理材和对照材在轴向的力学损耗峰温度低 于木材横向的力学损耗峰温度。弦向上的力学松弛过程的强度最大，轴向上力学松弛过 程的强度最小，表明木材弦向表现出更多的粘性性质。 ( 5 ) 干燥处理材和对照材在拉伸形变模式下的贮存模量和损耗模量分别大于在弯曲形 变模式下的贮存模量和损耗模量。形变模式的选择对于燥处理材和对照材损耗模量的比 较结果以及对轴向力学松弛过程的损耗峰温度有明显的影响。 关键词：干燥处理材，动态粘弹性，含水率，各向异性，形变模式 一 ， 1 。卢 a b s t r a c t d y n a m i c v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e sf o rw o o dt r e a t e db y d i f f e r e n td r y i n gm e t h o d s j i a l ij i a n g ( w o o ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f j i a n x i o n gl u a b s t r a c t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fd r y i n gm e t h o d so np h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fw o o d ，a n dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n ds c i e n t i f i ci n s t r u c t i o n sf o rd r y i n g t e c h n i q u e s ，t e c h n i q u e sp r o c e s s i n ga n dh i g h l ya d d i t i o n a lv a l u em a t e r i a l so fp l a n t a t i o nw o o d ， t h ed y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f w o o dt r e a t e db yh i g ht e m p e r a t u r ed r y i n g ( h t d ，1 1 5 c ) ， l o wt e m p e r a t u r ed r y i n g ( l a d ，6 5 。c ) a n df r e e z ev a c u u md r y i n g ( f v d ) m e t h o d sw e r es t u d i e d r e s p e c t i v e l yi nt h i ss t u d y d y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f w o o d t r e a t e db yt h r e ed r y i n gm e t h o d sw e t ee x a m i n e d u n d e rc o m p l e t e l yd r i e ds t a t e ，a n dd y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fd r y i n gt r e a t e dw o o da n d u n t r e a t e dw o o dw e r ea l s oe x a m i n e dr e s p e c t i v e l yu n d e rv a r i o u se q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n t s t h ee f f e c to fw a t e ro nd y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fb o t hd r y i n gt r e a t e da n du n t r e a t e d w o o dw e r ed i s c u s s e d , a n dt h ea p p a r e ma c t i v a t i o ne n e r g yo ft w om e c h a n i c a lr e l a x a t i o n p r o c e s sw e r ec a l c u l a t e d t h ed y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e si nl o n g i t u d i n a l ，r a d i a l a n d t a n g e n t i a ld i r e c t i o n sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，t h er e a s o n s f o rd i f f e r e n c e sa m o n gt h r e ed i r e c t i o n s w e r ea n a l y s e d t h es a m e n e s sa n dd i f f e r e n c eo f d y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f b o t hd r y i n g t r e a t e da n du n t r e a t e dw o o dw e r ef i n a l l yi n v e s t i g a t e du n d e rs i n g l ec a n t i l e v e rb e n d i n gm o d e a n dt e n s i o nm o d e n l em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t o m g em o d u l u so f d r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e dw o o dw e r ed e c r e a s e dw i t h t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，a n dt h i st r e n dw a sa l m o s tn o ta f f e c t e db ym o i s t u r ec o n t e n t ，t e s t i n g f r e q u e n c y , s t r u c t u r a ld i r e c t i o na n ds t r a i nm o d eo fw o o d t h ed e c r e a s e de x t e n to fs t o r a g e m o d u l u so fh t ds p e c i m e n sw e r el o w e rt h a nt h a to ft h eo t h e rt w od r y i n gt r e a t e dw o o da n d u n t r e a t e dw o o dw i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，a n dt h ed e c r e a s e de x t e n to ff v ds p e c i m e n s w e r em a x i m a l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er i g i d i t yo fw o o dw e r ei n c r e a s e da f t e rh t d ，t h e r e a s o nw a st h a tt h ep o s s i b i l i t yo fc r o s s l i n kr e a c t i o no rc r y s t a l l i z a t i o ni nw o o dc e l lw a l ld u r i n g d r y i n gp r o c e s s t os o m ee x t e n t , t h er e a s o nw h yr i g i d i t yd e c r e a s e dw a sp o s s i b l yt h a tt h ec e l l w a l ld e s t r o y e dd u r i n gf v dp r o c e s s w i t hm o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h ed e c r e a s e de x t e n to f a b s t r a c t s t o r a g em o d u l u so fd r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e dw o o di n c r e a s e dw i t ht e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g ，b u tt h ed i f f e r e n c eo f d e c r e a s e de x t e n ti ns t o r a g em o d u l u sa m o n gd r y i n gt r e a t e d w o o da n du n t r e a t e dw o o dw e r ed e c r e a s e d ( 2 ) t h e r ew e r et w om e c h a n i c a lr e l a x a t i o np r o c e s s e sf o rd r y i n gt r e a t e dw o o da n d u n t r e a t e dw o o di nt h i se x p e r i m e n t t h ear e l a x a t i o np r o c e s si nh i g ht e m p e r a t u r er a n g ew a s c a u s e db yg l a s st r a n s i t i o no f h e m i c e l l u l o s ew i t hl o wm o l e c u l a rw e i g h t , w h i l et h edr e l a x a t i o n p r o c e s so e e u r e di nl o wt e m p e r a t u r er a n g ew a sb a s e do nt h er e o r i e n t a t i o no fm e t h y l o lg r o u p s i na m o r p h o u so fw o o dc e l lw a l l ( c o m p l e t e l y 出i e ds t a t e ) a n dt h er e o r i e n t a t i o no fa d s o r b e d w a t e rm o l e e u l a r si nw o o d ( m o i s t u r ee x i s t i n gs t a t e ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fm o i s t u r ec o n t e n t , t h el o s sp e a kt e m p e r a t u r eo f m e c h a n i c a lr e l a x a t i o np r o c e s sm o v e dt ol o wt e m p e r a t u r er a n g e ( 3 ) t h ed i f f e r e n c eo fs t o r a g em o d u l u sw a si n s i g n i f i c a n tu n d e rd i f f e r e n tm e a s u r e d f r e q u e n c i e sr a n g i n gf r o mo 5 h zt o1 0 n z , t h el o s sp e a kt e m p e r a t u r eo fm e c h a n i c a lr e l a x a t i o n p r o c e s sm o v e dt oh i 。曲t e m p e r a t u r ew i t ht h et e s t i n gf r e q u e n c yi n c r e a s i n g t h ea p p a r e n t a c t i v a t i o ne n e r g yo far e l a x a t i o np r o c e s sw a sh i g h e rt h a nt h a to f1 3r e l a x a t i o np r o c e s sf o r d r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e dw o o d t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yo fo r r e l a x a t i o n p r o c e s sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fm o i s t u r ec o n t e n t s ，w h i l et h a to fpr e l a x a t i o np r o c e s s w a sc o m p l e xw i t l lt h ec h a n g eo f m o i s t u r ec o n t e n t s ( 4 ) t h es t o r a g em o d u l u sa n dl o s sm o d u l u si nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nw e r es i g n i f i c a n t l y l a r g e rt h a nt h a ti nr a d i a la n dt a n g e n t i a ld i r e c i o nf o rd r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e dw o o d , t h ed i f f e r e n c eo fs t o r a g em o d u l u sa n dl o s sm o d u l u sb e t w e e nr a d i a ld i r e c t i o na n dt a n g e n t i a l d i r e c t i o nw a ss i g n i f i c a n tf o rb o t hh t da n dl t ds p e c i m e n s ，w h i l et h ed i f f e r e n c eo fs t o r a g e m o d u l u sa n dl o s sm o d u l u sb e t w e e nr a d i a ld i r e c t i o na n dt a n g e n t i a ld i r e c t i o nw a si n s i g n i f i c a n t f o rf v ds p e c i m e n s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e ，t h ed e c r e a s e de x t e n to fs t o r a g e m o d u l u si nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nw a sm i n i m a lf o rb o t hd r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e d w o o d ，a n dt h eb i g g e s ti nt a n g e n t i a ld i r e c t i o n t h el o s sp e a i 【t e m p e r a t u r ei nl o n g i t u d i n a l d i r e c t i o nw a sl o w e rt h a nt h a ti nt r a n s v e r s ed i r e c t i o nf o rb o t h d r y i n gt r e a t e dw o o da n d u n 仃e a t e dw o o d 。t h ei n t e n t i o no fm e c h a n i c a lr e l a x a t i o np r o c e s si n t a n g e n t i a ld i r e c t i o nw a s h i g h e s t , a n dl o w e s ti nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw o o dw o u l ds h o w e d m o r ev i s c o s i t yb e h a v i o ri nt a n g e n t i a ld i r e c t i o n ( 5 ) t h es t o r a g em o d u l u sa n dl o s sm o d u l u si nt e n s i o nm o d ew e r el a r g e rt h a nt h o s ei n s i n g l ec a n t i l e v e rb e n d i n gm o d ef o rb o t hd r y i n gt r e a t e dw o o da n du n t r e a t e dw o o d t h ee f f e c t o f s t r a i nm o d eo nl o s sp e a kt e m p e r a t u r ei nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nw a ss i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：d r y i n gt r e a t e dw o o d ，d y n a m i cv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e s ，m o i s t u r ec o n t e n t , a n i s o t r o p i c , s t r a i nm o d e ， l j 图表目录 图1 - 1 木材的蠕变现象 图表目录 图1 - 2 木材的应力松弛现象 图1 3 木材细胞壁次生壁的推定构造 表1 1 无氧条件下绝干木材的热转变 图2 - 1 径向试样锯解示意图 图2 - 2 单悬臂梁弯曲形变示意图 表2 1 干燥处理材和对照材在相对湿度环境中的平衡含水率 表2 - 2 动态粘弹性测定前后试样含水率的变化 图2 3 绝干状态下干燥处理材的相对贮存模量e ，e 0 、贮存模量的相对变化a e 和相对损耗模量e ”e o ”在1 h z 测定频率下的温度谱 1 7 图2 - 43 3 r h 含水率平衡态的干燥处理材和对照材的相对贮存模量e e 0 、贮存模 量的相对变化e 和相对损耗模量e ”，e 0 ”在1 h z 测定频率下的温度谱1 9 图2 56 8 r h 含水率平衡态的干燥处理材和对照材的相对贮存模量e e o 、贮存模 量的相对变化e 和相对损耗模量e ”，e 0 ”在1 h z 测定频率下的温度谱一2 1 图2 - 68 5 r h 含水率平衡态的干燥处理材和对照材的相对贮存模量e e 0 、贮存模 量的相对变化e 和相对损耗模量e ”e o ”在1 h z 测定频率下的温度谱一2 2 表2 3 不同含水率平衡态的干燥处理材和对照材力学松弛过程的损耗峰温度2 3 图2 - 7 干燥处理材和对照材在绝干状态和在3 3 ，6 8 ，8 5 r t - i 含水率平衡态的相 对贮存模量e e o 和相对损耗模量e ”e o ”在1 h z 测定频率下的温度谱2 4 图2 - 8 1 2 0 c - - - 4 0 c 干燥处理材和对照材的贮存模量降低率与含水率的关系2 5 图2 - 9 高温干燥处理材在绝干状态和在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的贮存模 量e 和损耗模量e ”在o 5 h z , 1 h z , 2 h z , 5 h z , 1 0 h z 测定频率下的温度谱2 7 图2 1 0 低温干燥处理材在绝干状态和在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的贮存 模量e 和损耗模量e ”在0 5 h z l i - i z , 2 h z , 5 i - i z , 1 0 h z 测定频率下的温度谱一2 8 图2 - l l 真空冷冻干燥处理材在绝干状态和在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的 贮存模量e ，和损耗模量e 在0 5 h z , l i - i z ，2 h z , 5 h z , 1 0 h z 测定频率下的温度谱 图2 - 1 2 对照材在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的贮存模量e 和损耗模量e ” 在o 5 h z ，l h z ，2 h z , 5 h z , 1 0 h z 测定频率下的温度谱 表2 _ 4 多频测定条件下干燥处理材和对照材力学松弛过程的损耗峰温度3 1 图2 一1 3 在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的干燥处理材和对照材a 松弛过程的 也o 0 母n h ：2 ：2 图表目录 损耗峰对应的绝对温度的倒数l r 与频率的对数1 1 1 f 之间的关系 3 3 图2 1 4 绝干状态和在3 3 ，6 8 ，8 5 r h 含水率平衡态的干燥处理材和对照材p 松弛过程损耗峰对应的绝对温度的倒数l ，r 与频率的对数l n f 之间的关系3 4 表2 5 不同含水率平衡态的干燥处理材和对照材的力学松弛过程的表观活化能和线 性回归的决定因子 图3 - 1 轴向、径向和弦向试样锯解示意图 图3 - 2 干燥处理材和对照材贮存模量e 的各向异性 图3 3 绝干状态下三种干燥处理材的轴向贮存模量e 温度谱 3 5 3 8 4 0 4 1 表3 1 干燥处理材和对照材在轴向、径向和弦向力学松弛过程的损耗蜂温度一4 2 图3 - 4 干燥处理材和对照材损耗模量e ”的各向异性 4 3 图3 5 干燥处理材和对照材轴向、径向和弦向的相对贮存模量e e o 和相对损耗模 量e ”e o ”温度谱 图4 - 1 单悬臂梁弯曲( a ) 和拉伸形变示意图 4 4 4 7 图4 2 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材轴向的贮存模量e 温度谱一4 9 图4 3 干燥处理材和对照材轴向的相对贮存模量e 忱o 和相对损耗模量e ” 巳0 ”在两 种形变模式下的比较 图4 - 4 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材轴向的损耗模量e ”温度谱一5 1 图4 5 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材轴向的相对贮存模量e e o 和相 对损耗模量e ”1 ”温度谱 5 2 图4 - 6 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材径向的贮存模量e 温度谱一5 4 图4 7 干燥处理材和对照材径向的相对贮存模量e e o 和相对损耗模量e ”e o ”在两 种形变模式下的比较 5 5 图4 - 8 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材径向的损耗模量e ”温度谱一5 6 图4 - 9 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材径向的相对贮存模量e e o 和相 对损耗模量e ”力巳0 ”温度谱 5 7 图4 - 1 0 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材弦向的贮存模量e 温度谱一一5 9 图4 1 1 干燥处理材和对照材弦向的相对贮存模量e e o 和相对损耗模量e ”门三o ”在 两种形变模式下的比较 6 0 图4 一1 2 弯曲和拉伸形变模式下干燥处理材和对照材弦向的损耗模量e ”温度谱一6 l 图4 1 3 弯曲和拉伸形变模式下于燥处理材和对照材弦向的相对贮存模量e 】三o 和相 对损耗模量e ”，e 0 ”温度谱 疑 k k , i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名；羞丝蕴日期：垒：z ：z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的规定， 本研究生培养单位有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅本人授权本研究生培养单位可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：茎丝蕴 勿占年7 月7 日 学位论文作者毕业联系方式 工作单位： 联系电话： 电子邮件： 通讯地址、邮编： 导师签名： -j味14 厶 ， 第一章绪论 1 1 绪言 第一章绪论 木材干燥是木材利用中不可或缺的一个环节，在木材工业中起着举足轻重的作用。 木材在使用之前必须经过干燥，木材的干燥方法很多，主要有自然干燥、常规蒸汽干燥、 过热蒸汽干燥、高温干燥、微波干燥、高频真空干燥、冷冻干燥、超临界干燥、溶剂置 换干燥等【l 】。其中常规蒸汽干燥是国内外最早进行系统研究和大量推广使用的干燥方法， 其特点是干燥温度和相对湿度可以灵活控制，并适合于干燥任何树种的木材。目前，国 内外常规蒸汽干燥仍然占绝对优势。高温干燥是在常规蒸汽干燥的方法上研究和使用高 温高效干燥的一种方法，一般干燥温度在1 0 0 以上均可称之为高温干燥 2 1 ，干燥速度 快，成本低，并且具有尺寸稳定性好的优点 3 1 ，近年来也得到了一定程度的应用。真空 冷冻干燥是在低温低压情况下对木材进行干燥，水的蒸发温度随着压力的降低而降低， 在三相点以下，水分以升华蒸发的方式从木材中排除，在干燥机理方面与其它干燥方法 有着本质的不同。目前，木材真空冷冻干燥在国内外尚处于试验研究阶段。 木材干燥最直接的目的是将水分从木材中排除，达到一定的含水率以满足木材使用 的需要，在干燥过程中，木材受到外界多种因素的作用( 例如热，压力等等) 。经过干 燥处理的木材在加工或使用过程中往往受到交变应力或交变应变的作用，这时木材会分 别表现弹性和粘性的性质，弹性和粘性的综合即粘弹性木材的粘弹性影响着它的加工 条件和使用条件，还可以用它来评价木材的减震特性等等。通过考察干燥处理材的粘弹 性以及干燥处理方法对木材粘弹性的影响，将有助于为人工林木材高效合理的干燥技 术、加工技术及其高性能高附加值材料的应用提供理论依据和科学指导，同时，还可以 为丰富和发展木材流变学的基础论理提供新论据。有关各种木材干燥方法的研究，国内 外学者已有许多报导 4 , 5 1 ，但很少注意到不同干燥处理所引起的木材物理力学性质的变 化，尤其是不同干燥处理材的粘弹性。本章归纳了木材粘弹性的概念、特征和测定方法， 重点归纳了迄今为止有关木材动态粘弹性方面的研究，为更深入地探索干燥处理材的粘 弹性奠定基础 1 2 木材粘弹性的概念及其特征睛咖 理想弹性体具有确定的构形，在静载作用下发生的变形与时间无关，卸除外力后能 完全恢复原状粘性流体没有确定的形状，取决于容器，外力作用下变形随时间发展， 产生不可逆的流动高分子材料的形变性质与时间的关系介于理想弹性体和理想粘性 体，因此高分子材料常被称为粘弹性材料。高聚物的力学性质随时间的变化统称为力学 第一章绪论 松弛。 木材作为一种生物质的高分子材料同时具有弹性和粘性两种不同机理的变形，木材 的这种性质称为粘弹性。粘弹性可分为静态粘弹性和动态粘弹性，静态粘弹性包括蠕变 和应力松弛，它们是静态力学松弛过程；动态粘弹性是指在交交的应力、应变作用下发 生的滞后现象和力学损耗，它们是动态力学松弛过程。 1 2 1 木材的静态粘弹性 1 2 1 1 木材的蠕变 木材的蠕变是指在一定的温度和较小恒定外力( 拉力，压力或扭力等) 作用下，木 材的形变随时间的增加而逐渐增大的现象( 图l - 1 ) 从分子运动和变化的角度来看，蠕 变过程包括普弹形变、高弹形变和粘性流动三种形变。蠕变现象取决于温度的高低和外 力的大小，温度过低，外力太小，蠕变很小而且很慢，在短时间内不易觉察；温度过高， 外力过大，形变发展很快，也感觉不到蠕变现象。一般在适当的外力作用下，商聚物的 玻璃化温度以上不远，链段能缓慢运动，可观察到较明显的蠕变现象 应 力 恒定应力 时问 应 变 幽1 - 1 术材的蠕变现象 f i g 1 - 1t h ec r e e p o f w o o d 时间 关于木材的蠕变和机械吸湿蠕变，国内外木材学界的学者已经发表了许多研究报 告。王培元【9 4 4 1 对木材和刨花的蠕变行为进行了大量的研究；李大纲【1 5 1 6 l 曾对木材弯曲 蠕变性能与含水率、应力水平、温度的关系进行考察，根掘实验结果初步确定粘弹性模 型元件数和元件常数。王洁瑛掣仃l 采用在空气介质中热处理，对径向压缩的杉木试材进 r 不同温度、不同时间的热处理。研究试材在绝干状态、吸湿与解吸过程中的蠕变行为。 k i t a h a r a 与y a k a w a t s l 研究了温度升高和降低过程中，木材轴向的弯曲蠕变行为； s c h n i e w i n d 0 9 1 研究了木材弦向的拉伸蠕变行为；a r i m a 2 毗司研究了木材径向的压缩蠕变 干j 为；a b a s o l o 等田】通过测定不同温度条件下的动态杨氏模量和蠕变柔量值，考察了热、 加载方式、加载时间三个因素对藤条( c a l a m u sm e r r i l l i ib e c c ) 力学性质的影响，研究 结果表明藤条的力学性质与木材的相似，杨氏模量随着温度的升高而平稳地下降。蠕变 柔量随着加载时间的增长而逐渐增加，蠕变柔量的变化速率在各个温度条件下几乎是相 2 第一章绪论 同的；b e n g t s s o n 等 2 4 1 对高温干燥( 1 1 5 ) 和常规低温干燥( 7 0 ) 的云杉( p t c e aa b i e s ) 试材进行弯曲蠕变性能测定，研究了木材蠕交特性对温度的依赖性。a r m s t r o n g 等 2 5 2 s 1 对水分非平衡态下木材的变形行为进行了深入的研究，归纳了术材机械吸湿蠕变的一些 典型特征：在循环发生的吸湿和解吸过程中，木材在第一个吸湿阶段，蠕变量很大，而 在后续的吸湿阶段中。有一定程度的蠕变回复；在所有的解吸阶段，初期蠕变迅速增大， 而后的变化会趋于平缓。l e i c e s t e r 2 9 、m u k u d a i l 3 0 - 3 2 、h u n t _ 【3 3 1 等构筑了模拟机械吸湿蠕 变的力学模型，用于解释木材的机械吸湿蠕变行为。 1 2 1 2 木材的应力松弛 木材的应力松弛是指在恒定温度和形变保持不变的情况下，木材内部的应力随时问 增加而逐渐衰减的现象( 图1 2 ) 应力松弛和蠕变是一个问题的两个方面，都反映了高 聚物内部分子的三种运动情况。温度过高，链段运动时遇到的内摩擦力很小，应力很快 就松弛掉了，可以快到几乎觉察不到的地步；温度太低，链段运动受到的内摩擦力很大， 链段运动的能力很弱，应力松弛很慢，也不易觉察得到。只有在玻璃化温度附近几十度 范围内，应力松弛现象比较明显。 虑 力 时间 戍 变 恒定应变 图l - 2 木材的应力松弛现象 f i g 1 - 2t h es t r e 鲒r e l a x a t i o no f w o o d 时间 一般地跚，高分子物质发生物性变化时，物质内部对应的构造也将发生变化。相 应的构造变化可区分为一次结合和二次结合。一次结合指的是共价键，离子键，金属键 等牢固的化学键，二次结合指的是氢键、范德华键。s t e i n 和t o b o i s k y f 3 5 l 把基于非品区 部分的结晶化、结晶部分再取向，以及分子扩散运动等二次结合导致的应力松弛称为 物理应力松弛；把基于分子链的切断反应、架桥( 交联) 反应、交换反应等一次结合引起 的应力松弛，称为化学应力松弛。关于木材的物理应力松弛和化学应力松弛，i i d a 等【，”7 】 研究了在恒定温度，温度升商过程和温度降低过程中木材的应力松弛特性，研究结果表 明，在较低和较高恒定温度下的应力松弛量几乎是相同的，在温度升高过程中，小材的 应力松弛量增加了，温度降低过程中的应力松弛行为与温度升高过程中的应力松地行为 存在很大的差异f u s h i t a n i 哪l 研究了润涨状态下木材的应力松弛，认为温度是影响木材 应力松弛的重要因素之一。n a k a n o 等p g ! 采用三氟醋酸脂充胀木材，使本材获得不同程 第一章绪论 度的增重，然后测定木材的应力松弛，研究表明脂含量对木材的应力松弛行为有很大的 影响。a o l d 等 4 0 4 3 对水解过程和二甲基亚砜溶液润涨过程中木材的化学应力松弛行为进 行了较为系统的研究。 1 2 2 木材的动态粘弹性 木材在实际使用中，往往受到大小和方向不断变化的外力作用。数学上，对于各种 复杂的动态交变的应力或应变都可以用若干个正弦函数的组合来描述，因此动态力学实 验一般是对试样施加正弦应力或正弦应变的条件下进行的。木材等复合高聚物材料在这 种动态应力或应变作用下的粘弹性力学行为是滞后现象和力学损耗现象，称为动态粘弹 性。贮存模量e 、损耗模量e ”和力学损耗t a n 8 是表征动态粘弹性的重要参量。 1 2 2 1 滞后现象( h y s t e r e s i s ) 木材等粘弹性材料的力学响应依赖于时间，应变响应的周期性变化滞后于应力的变 化，即同频而不同相位，这种现象称为滞后现象 对木材施加一个正弦交变应变： 8 ( t ) = e o s i n c o t( 1 1 ) 木材的应力响应会超前于应变一个相位角6 ( 0 0 8 9 0 0 ) ： 6 ( c ) = 6 0 s i n ( ( o r + 8 )( 1 2 ) 展开，得到： 6 ( t ) = 8 0 c o s s s i n c o t + 8 0 s i n 6 c o s c o t( 1 3 ) 可见，应力由两部分组成，第一项与应变同相位，是弹性形变的动力；第二项与应 变相差9 0 0 角，消耗于克服摩擦阻力，体现材料的粘性。 定义e 为同相的应力和应变的比值，而e ”为相差9 0 0 角的应力和应变的振幅的比 值，即 e 气6 幽) c o s 6 e = ( 8 0 o ) s i n 8 e + 鼍6 0 ，曲( c o s 6 + i s i n 6 ) = e + 泥” ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 复数模量r ( c o m p l e xm o d u l u s ) e 的实数部分e 叫贮存模量( s t o r a g em o d u l u s ) ，表征 材料在形变过程中由于弹性形变而贮存的能量；虚数部分e 叫j o o s s m o d u l u s ) ，表征材料在形变过程中因粘性形变而以热的形式损耗的能量。 屯 p 第一章绪论 1 2 2 2 力学损耗( m e o h a n i c a ll o s s ) 木材等粘弹性材料的应变变化落后于应力变化，发生滞后现象，与此同时，在每一 个循环周期变化过程中都要消耗功，称为力学损耗或内耗。力学损耗有多种不同的表征 方式 ( 1 ) 粘弹性高聚物材料在正弦应力或正弦应变作用下的应力应变曲线达到平衡时，形 成一个稳定的滞后圈将滞后圈面积积分后，计算得到每个循环周期中单位体积损耗的 能量为力学损耗： w 砸” ( 1 7 ) 它表明每一循环周期的能量损耗正比于损耗模量和应变振幅的平方。 ( 2 ) 定义每个循环周期中损耗能量w 与最大贮存能量w 之比值为力学损耗： u = a w w = 2 丌t 9 5( 1 8 ) ( 3 ) 以损耗角正切或损耗因子t 9 8 表征： t 9 5 = e ”，e ( 1 9 ) ( 4 ) 不同的动态力学实验方法定义的物理量不同，力学损耗的表征也不同。如扭摆式 自由振动法动态力学实验中用对数减量表征力学损耗。 1 3 木材的粘弹性测定 测定木材的粘弹性有静态方法和动态方法，静态方法一般是用较大的时间量程来观 察应力松弛、蠕变及蠕变的回复等，所测得的为静粘弹性；动态方法是用振动法产生周 期的应力或应变来进行测定，常用的有自由衰减振动法、强迫共振法、强迫非共振法和 声波传播法，所测得的为动粘弹性本研究是采用强迫非共振法进行干燥处理材的动态 粘弹性的测定 1 4 木材动态粘弹性的研究现状 1 4 1 木材动态粘弹性与木材构造的关系 木材是具有三个主方向( 轴向、径向和弦向，其中径向和弦向常统称为横向) 的各 向异性材料，一些研究者展开了关于木材构造的各向异性与木材动态粘弹性关系的研究 工作 4 4 - 4 s 。m a n o 4 4 研究了栓皮栎( q u e r c u ss u b e rl ) 平行纹理方向与垂直纹理方向在 拉伸、弯曲和压缩形变模式下的动态粘弹性，研究表明，平行纹理方向的贮存模量高于 垂直纹理方向的贮存模量；形变模式的选择会对木材粘弹性的表现产生影响。b a c k m a n 和l i n d b e r g 4 a 测定了欧洲赤松( p i n u ss y l v e s t r i sl ) 木材的径向和弦向的动态粘弹性， 第一章绪论 在温度范围1 2 0 c 8 0 c ，与弦向相比，木材径向的贮存模量较大而力学损耗较小，但 木材弦向的力学损耗峰温度较高。此外，他们认为年轮间的距离对弦向木材的粘弹性行 为影响不显著。f u r u t a 等【蛔研究了饱水的日本扁柏( c h a m a e c y p a r i so b t u s ae n d l ) 木材 轴向与横向动态粘弹性的差异，温度范围1 0 c 9 5 c ，频率0 0 5 h z 条件下，木材横向 的力学损耗峰温度出现在8 0 附近，他们认为这是木材基质物质m a t r i x 的微布朗运动 引起的；根据曲线的走向推测木材轴向的力学损耗峰温度将在9 5 c 以上出现。 木材广泛用于制作乐器的面板材料，木材面板的材质在很大程度上地决定了乐器的 性能，一般认为优良的木材面板必须具备高的声学转换效率( 正，p ) 3 ，i 钿6 l ) 和高度的各向 异性( e ( 3 ) 【4 7 】。因此弄清楚木材构造与其动态粘弹性的关系是非常必要的。针对这一目 的，o b a t a y a 等 4 8 1 测定了北美云杉( p i c e as i t c h e n s i sc a r t ) 木材的密度( p ) 、木材平行 纹理方向的贮存模量( e ) 和损耗因子( t a n 6 l ) 、木材垂直纹理方向的贮存模量( g ) 和损耗因子( t a n 8 s ) 。并运用相对声学转换效率( a ，p ) - 3 t a n 8 l ) 和反映木材各向异 性程度的物理量( p ，( e g ) ( t a u s s t a n 6 l ) ) 来评价木材的声学性能，他们认为优质 木材面板的根本要求是具有足够小的微纤丝角，从而得到较高的a 与b 值，采用化学处 理的方法不能同时提高木材的口和b 值。 1 4 2 木材动态粘弹性与木材化学组成的关系 木材是由纤维素、半纤维素和木质素以及少量有机内含物( 抽提物) 和无机物( 灰分) 组成的一种复杂的高分子材料。木材细胞壁具有复杂的层状构造图1 3 【毋】是木材细胞 壁次生壁的推定构造示意图相邻微纤丝之间填充着m a t r i x 。微纤丝是链状纤维素分子 构成的结晶构造体，结晶表面的纤维素及一部分半纤维素为非结晶性，在水热处理时纤 维素不软化。另一方面，m a t r i x 由无定形的纤维素、半纤维素和木质素的一部分构成， 木质素是无定形的网状高分子，半纤维素是非结晶性的