楊葉麗 蔡英春 付宗營 趙景堯

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

溫度及含水率對落葉松和白樺動態(tài)黏彈性的定量分析1)

楊葉麗 蔡英春 付宗營 趙景堯

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

利用動態(tài)熱機械分析儀檢測了落葉松和白樺試材在不同含水率下的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg)，研究了二者的關(guān)系及不同初含水率下儲能模量隨溫度變化的規(guī)律。結(jié)果表明：落葉松和白樺試材玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均隨含水率升高而線性降低，表征二者關(guān)系的兩個線性方程之決定系數(shù)分別高達0.996 46與0.979 86；含水率每增大1%所引起的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的降低值，落葉松為6.71 ℃，大于白樺的6.64 ℃。落葉松和白樺的儲能模量均隨其溫度、初含水率的升高而減小。落葉松的儲能模量以約70 MPa/℃的平均幅度隨溫度的升高近似呈線性減小趨勢。白樺儲能模量在初含水率6%～13%時，約以146.9 MPa/℃的平均幅度隨溫度的升高呈近似線性減小趨勢；初含水率在15%～22%，隨溫度的上升產(chǎn)生了較為明顯的突變點，在100 ℃左右急劇減小。所得落葉松和樺木儲能模量與溫度及含水率關(guān)系的兩個數(shù)學(xué)表達式的決定系數(shù)分別達到0.910 43和0.886 54。

變定處理；木材含水率；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；儲能模量

木材作為天然高分子材料，具有黏彈性特征，在流變學(xué)上體現(xiàn)為儲能模量、損耗模量、損耗因子等。其中儲能模量的大小體現(xiàn)材料的彈性特征，損耗模量及損耗角正切的大小體現(xiàn)材料的阻尼特性；黏彈性特征中損耗因子峰值所對應(yīng)的溫度為材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[1]，在該溫度以下時，木材的彈性較強；在該溫度以上時，木材的彈性顯著下降[2]。所以該溫度亦稱謂軟化點。20世紀70年代以來，國內(nèi)外研究人員一直致力于研究木材的黏彈性特征，比較分析了不同情況下木材的動態(tài)黏彈性，取得了諸多成果。蔣佳荔[3-9]定性分析了-120～40 ℃下杉木動態(tài)黏彈性與含水率的依存性，研究發(fā)現(xiàn)該溫度范圍內(nèi)，杉木儲能模量和玻璃化溫度均隨含水率的升高而降低。E. Obataya、Y. Furuta et al.[10-11]日本學(xué)者對化學(xué)改性木材以及扁柏的動態(tài)黏彈特性進行了研究。Beckman[12]利用動態(tài)熱機械分析儀器，研究了樟子松弦向和徑向的動態(tài)機械特性。徐信武[13]研究了不同含水率速生楊木的彈性和黏性轉(zhuǎn)變溫度，為速生楊木的壓縮強化、尺寸穩(wěn)定化處理提供了參考依據(jù)。盡管目前對于木材的動態(tài)黏彈性特征已經(jīng)有較多的研究成果，但由于木材樹種之間的差異及實驗條件設(shè)置的不同，無法將結(jié)果推廣到各個樹種，且缺乏定量研究。

樺木，通直的適用于家具用材，彎曲的可橫截成樹盤、制成高附加值的工藝品等；落葉松小徑木適用于木結(jié)構(gòu)建筑用材(日式木建筑立柱常為含髓心方材)。家具用材的彎曲加工需要軟化、定型處理；樹盤干燥開裂的抑制，需要在接近纖維飽和點時軟化處理以松弛應(yīng)力；含髓心方材干燥表裂的抑制，需在前期進行軟化、變定處理。樺木和落葉松不同含水率時玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、含水率和溫度對儲能模量影響規(guī)律的把握，可為前述處理工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。本研究以白樺和落葉松為對象，測定了其在30～150 ℃溫度下不同平衡含水率時的儲能模量和損耗因子，定量地解析了白樺與落葉松不同含水率、溫度下的儲能模量以及不同含水率時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。以期為前述軟化和定型、軟化松弛應(yīng)力、軟化變定等處理工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)，為需密實化處理的楊木等軟質(zhì)木材的相關(guān)研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

試件：取自白樺和落葉松板材，無節(jié)子和缺陷、尺寸為35 mm(長)×10 mm(寬)×2.5 mm(厚)。主要儀器設(shè)備：GDS-100恒溫恒濕干燥箱，溫度范圍-10～100 ℃，波動度±0.5 ℃，濕度范圍35%～98%，波動度±3 ℃；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海-恒科技有限公司；電子天平，LT210/0.01 g；美國TA-Q800 DMA動態(tài)熱機械分析儀，頻率范圍0.01～200 Hz、溫度范圍-150～600 ℃。

1.2 方法

試件水分的平衡處理：采用恒溫恒濕箱對試件水分進行平衡處理，通過調(diào)節(jié)箱體內(nèi)干、濕球溫度，調(diào)制5個不同的恒溫恒濕環(huán)境，將試件分別置于其中進行吸濕或解吸。當試件在24 h內(nèi)質(zhì)量不變時，可認為試件含水率達到平衡狀態(tài)，稱質(zhì)量并計算其平衡含水率。5個溫、濕度環(huán)境及其所對應(yīng)的試件實際平衡含水率如表1所示。

表1 平衡處理環(huán)境條件及試件平衡含水率

動態(tài)黏彈性測定：動態(tài)熱機械分析儀采用三點彎曲形變模式，測量表1所列試件的儲能模量、損耗因子，由損耗因子確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。測定溫度范圍：30～150 ℃，設(shè)定頻率為1 Hz，升溫速率為5 ℃/min。

試件上述測定過程含水率變化檢測：為研究確定動態(tài)黏彈性與含水率的關(guān)系，需確定試件在動態(tài)黏彈性測定過程含水率的變化規(guī)律。由于分析儀內(nèi)試件質(zhì)量、試件環(huán)境濕度不能檢測，所以，本研究將平衡處理后不同含水率試件(表1)置于與DMA測試箱體容量、通氣孔尺寸一致的金屬容器中，使用電熱干燥箱按1.2中所述DMA測試時的溫度范圍和升溫速率加熱、稱質(zhì)量，間接實現(xiàn)試件在動態(tài)黏彈性測定過程含水率變化的檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與含水率的關(guān)系

5組不同初含水率(MC)白樺和落葉松試件損耗因子隨溫度(t)的變化如圖1、圖2所示，峰值所對應(yīng)的溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg)，圖中對不同初始含水率狀態(tài)下對應(yīng)的tg數(shù)據(jù)進行了標注。

圖1 落葉松損耗因子與溫度、初含水率關(guān)系

圖2 白樺損耗因子與溫度、初含水率關(guān)系

不同初含水率試件在不同含水率時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度如表2所示。從圖1、圖2及表2可以看出，落葉松與白樺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均隨含水率的升高而降低。為定量描述落葉松與白樺玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨含水率變化的關(guān)系，對表2表述的兩種樹種的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與含水率的關(guān)系進行線性回歸分析，如圖3、圖4所示，得到擬合方程(1)、(2)。

落葉松：

tg=-6.709 59MC+140.253 79(0≤MC≤8%；R2=0.996 46)。

(1)

白樺：

tg=-6.643 87MC+141.017 97(2.5%≤MC≤8%；R2=0.979 86)。

(2)

由式(1)、式(2)可知，落葉松與白樺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨含水率的上升均呈線性下降趨勢，方程的決定系數(shù)分別高達0.996 46與0.979 86，表明由該二式可分別較準確地計算兩樹種木材不同含水率時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。由表2可知，落葉松的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在0～8%的含水率變化范圍內(nèi)從140 ℃降低到86 ℃，含水率每增大1%平均下降6.71 ℃；白樺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在2.3%～8.0%的含水率變化范圍內(nèi)從124 ℃降低到86 ℃，含水率每增大1%平均下降6.64 ℃。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨含水率增大而下降的原因是木材中水分含量增加，所以從外界環(huán)境中獲取較少的熱量就可以使運動單元克服位壘以一定方式運動[7]。此外，木材含水率的增大，單位體積內(nèi)纖維素和木質(zhì)素分子的數(shù)目減少，摩擦力降低，分子間的結(jié)合力減弱[14]194也是其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降的原因。

表2 不同含水率處理材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

圖3 落葉松玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與含水率關(guān)系

2.2 儲能模量與溫度、初含水率關(guān)系

圖5、圖6分別示出了不同初含水率(試件在動態(tài)黏彈性檢測前的含水率)落葉松、白樺試件儲能模量(E′)與溫度的關(guān)系。

對圖5、圖6的原始數(shù)據(jù)進行回歸分析，所得三元方程(儲能模量與溫度及含水率關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式)如式(3)、(4)所示。

落葉松：

E′=71.511 7t-1 291.710 22MC+42 526.864 01 (7%≤MC≤17%；R2=0.910 43)；

(3)

白樺：

E′=186.233 5t-919.448 75MC+54 087.825 64 (6%≤MC≤22%；R2=0.886 54)。

(4)

式中：E′為試件的儲能模量(MPa)；t為試件溫度(℃)；MC為試件的初始含水率(%)。

圖4 白樺玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與含水率關(guān)系

圖5 落葉松儲能模量與溫度、初含水率關(guān)系

圖6 白樺儲能模量與溫度、初含水率關(guān)系

由圖5、圖6和式(3)、式(4)可知，白樺和落葉松的儲能模量均隨著其溫度、初含水率的升高而減小，但不同種木材在相同含水率范圍內(nèi)或同種木材在不同含水率范圍內(nèi)減小程度不同。圖5的數(shù)據(jù)表明，落葉松的儲能模量以約70 MPa/℃的平均幅度隨溫度的升高近似呈線性減小趨勢。由圖6可知，初含水率在6%～13%，白樺儲能模量約以146.9 MPa/℃的平均幅度隨溫度的上升呈近似線性減小趨勢；初含水率在15%～22%，儲能模量隨溫度的上升產(chǎn)生了較為明顯的突變點，在100 ℃左右急劇減小。

式(3)、式(4)的決定系數(shù)分別達到0.910 43和0.886 54，表明在一定初含水率范圍內(nèi)，可根據(jù)該兩式由初含水率分別較準確地確定落葉松及白樺試材不同溫度下的儲能模量。

溫度對儲能模量影響的主要原因為，溫度升高，細胞壁物質(zhì)分子運動加劇，微纖絲間松動增加，分子間摩擦力下降[14]195，因而導(dǎo)致木材儲能模量減?。怀鹾蕦δ苣Ａ坑绊懙闹饕?，與2.1節(jié)所述木材含水率對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響原因一致。

3 結(jié)論

落葉松和白樺試材玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均隨含水率升高而線性降低。前者在在0～8%的含水率范圍內(nèi)，后者在2.3%～8.0%的含水率范圍內(nèi)表征二者關(guān)系的兩個線性方程之決定系數(shù)，分別高達0.996 46與0.979 86，表明由兩式可較準確地計算兩樹種木材不同含水率時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；含水率每增大1%所引起的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的降低值，落葉松為6.71 ℃，大于白樺的6.64 ℃。

落葉松和白樺的儲能模量均隨著其溫度、初含水率的升高而減小。落葉松的儲能模量以約70 MPa/℃的平均幅度隨溫度的升高近似呈線性減小趨勢。白樺儲能模量在初含水率6%～13%時，約以146.9 MPa/℃的平均幅度隨溫度的上升呈近似線性減小趨勢；在初含水率15%～22%，隨溫度的上升產(chǎn)生了較為明顯的突變點，在100 ℃左右急劇減小。

所得落葉松和白樺儲能模量與溫度及初含水率關(guān)系的兩個數(shù)學(xué)表達式的決定系數(shù)分別達到0.910 43和0.886 54，表明在一定初含水率范圍內(nèi)，可根據(jù)兩式由初含水率分別較準確地確定兩樹種試材不同溫度下儲能摸量。

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Effects of Temperature and Moisture Content on Dynamic Viscoelasticity of Larch and Birch//

Yang Yeli, Cai Yingchun, Fu Zongying, Zhao Jingyao

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：66-69.

Dynamic mechanical analysis (DMA) of the White Birch and Larch were performed using a TAQ800 analyzer. The effect of moisture content on the glass transition temperature and the effect of temperature and initial moisture content on the storage modulus for White Birch and Larch were acquired. The glass transition temperature of larch and birch decreased linearly with the increase of moisture content, and the coefficient of determination of the two linear equations were 0.996 46 and 0.979 86, respectively. Each percent of moisture content increase cause the reduction of glass transition temperature for 6.71 ℃ on larch which is greater than that of birch for 6.64 ℃. The storage modulus of White Birch and Larch decreased with the increase of temperature and initial moisture content. The storage modulus of larch decreased approximately linearly with the increase of temperature at the average amplitude of about 70 MPa/℃. As for larch, the storage modulus was decreased with the decreasing temperature at the average amplitude of about 146.9 MPa/℃ when the initial moisture content was between 6% and 13%, and decreased drastically at 100 ℃, when the initial water content was between 15% and 22%. The correlation coefficients of the two mathematical expressions of the relationship of the storage modulus including temperature and water content of larch and birch were 0.910 43 and 0.886 54, respectively.

Drying set； Moisture content of wood； Glass transition temperature； Storage modulus

1)國家自然科學(xué)基金項目(31270595)。

楊葉麗，女，1991年2月生，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：631075611@qq.com。

蔡英春，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail：461971070@qq.com。

2017年3月8日。

S781.23

責任編輯：戴芳天。