木質材料細胞壁動態粘彈性機理及表征

《木質材料細胞壁動態粘彈性機理及表征》是依託南京林業大學，由李延軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：木質材料細胞壁動態粘彈性機理及表征
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李延軍
• 依託單位：南京林業大學

中文摘要

天然木質材料作為生物可降解材料，可潛在用於纖維增強複合材料的生產。本項目以木質材料為研究對象，運用原子力顯微鏡、納米動態力學分析、傅立葉紅外光譜等先進測試技術與手段，主要開展的研究為：①木質材料細胞壁動態粘彈性（儲存模量、損耗模量和損耗正切）與含水率、溫度、載荷、壓痕深度、頻率等因子的依存性研究，揭示木質材料細胞壁動態粘彈性測試誤差及來源；②研究影響木質材料細胞壁動態粘彈性的內在因素，如木質材料細胞壁的微纖絲角、結晶度、主要化學成分、分子聚合度等的影響；③木材加工工藝對細胞壁各層動態粘彈性的影響，如樹脂種類、半纖維素抽提、熱處理條件等；④木質材料巨觀和微觀動態粘彈性性能的相互關係研究，解明木質材料細胞壁動態粘彈性的結構-性能相關性。預期成果將為具有特殊功能的木質纖維增強複合材料的研發和拓寬木材的套用領域提供重要的理論依據，對推動我國木材科學理論體系的發展具有重要的理論和現實意義。

結題摘要

木質材料細胞壁的粘彈性行為直接影響著木材的巨觀力學性能，如何測量細胞壁粘彈性行為是一項具有挑戰性工作。本項目以木材和竹材為研究對象，聯合運用原子力顯微鏡、納米動態力學分析等先進測試技術研究細胞壁力學性能。主要包括：首先測定分析木質材料細胞壁動態粘彈性與含水率、溫度、載荷、壓痕深度、頻率等因子的依存性，揭示木質材料細胞壁動態粘彈性測試誤差及來源，最佳化納米壓痕測試條件；其次研究木質材料細胞壁的微纖絲角、結晶度、主要化學成分等對細胞壁粘彈性的影響，探明木質材料細胞壁動態粘彈性的內在因素；再研究加工工藝如樹脂浸漬、熱處理等對木質材料細胞壁動態粘彈性的影響；最後探究木質材料巨觀和微觀動態粘彈性性能的相互關係，解析木質材料細胞壁動態粘彈性的結構-性能相關性。研究結果表明：水分在木材中起增塑作用，隨著相對濕度的增大木材的阻尼性能增大；木材的儲存模量均隨著溫度的升高而逐漸減小；竹材纖維細胞次生壁S2層的彈性模量和硬度隨著竹齡增加呈遞減趨勢，而隨著竹竿高度的增加先減小後增加，表現出理想彈性固體的特性；納米壓痕粘彈性測試最佳化條件為：峰值載荷100-150µN，保載時間50-300s；高溫熱作用下木材半纖維素降解明顯，相對結晶度得到提高，有助於提高細胞壁的彈性模量和硬度；但當溫度高於190oC時，隨著處理時間延長，部分纖維素大分子鏈發生降解，細胞壁力學性能出現下降趨勢；酚醛樹脂浸漬將酚醛樹脂浸漬到木材細胞的管腔中，並滲透到細胞壁中，兩者之間的相互作用對木材細胞壁力學的增強有積極的貢獻；木材的儲能模量、損耗模量均與抗彎彈性模量存在顯著的正相關關係，通過建立微觀力學理論和本構模型實現對木材細胞壁的縱向黏彈性性能影響趨勢進行預測。本項目的成果對於發展木材資源利用、為材料改性和新材料開發以及木結構建築的安全和可靠性設計提供力學基礎等都具有重大的理論和現實意義。