不同含水率速生杨木DMA图谱分析及应用1)

韩书广 那 斌 罗婉珺 吴羽飞 卢晓宁

(南京林业大学，南京，210037)

速生杨树作为我国短周期工业用材的主要材种之一，主要用于普通人造板的生产。由于其固有的缺点，如结构疏松、密度低、吸水性大、机械强度和尺寸稳定性差等，必须进行相应的改性加工才能在更广泛的领域应用。作为高分子材料，速生杨木的许多性质都强烈地依赖于温度和时间，由于动态力学分析(DMA)能够非常灵敏地描述高分子材料在程控温度、周期性应力下的动态模量或力学损耗与温度关系，进而揭示出被测材料的黏弹性及流变性能［1］，因而用于评价竹材高温软化、杉木干燥及杨木热处理效果等方面已有显著的效果［2-5］。考虑到水分影响着木材几乎所有的物理力学性质，因此将木材动态黏弹性与含水率联系起来研究很有必要。利用DMA技术研究不同含水率条件下速生材的黏弹性转变过程已有所开展［6］，所用试件的含水率范围较窄(分别为4.83%、11.19%和17.24%)，DMA扫描范围集中在低温区(-120～40℃)。而有关较大含水率范围、较高温度变化区间的热作用下材性转变过程的研究尚不多见。本研究将在较宽温度范围内，对多种含水率速生杨试件进行DMA分析，并力求将分析结果与速生杨木的加工实践联系起来，以期为速生杨木或其他工业用材的合理、高效、综合利用和功能性改良研究提供参考依据。

1 材料与方法

试件制备：试材选自江苏泗阳产速生杨木，10年生，胸径22 cm，气干密度0.35 g/cm3。将试材旋切成2 mm厚度的单板，取旋至试材直径15 cm处的无瑕疵单板带，并沿此单板纤维方向截取试件进行动态热机械分析，试件的最终尺寸为60 mm(长)×8 mm(宽)×2 mm(厚)。

试件含水率调整：含水率调整采用烘干法，将饱水试件放入电热恒温鼓风干燥箱(DHG—9030A)中，干燥箱温度调整为(103±1)℃，干燥至按照试件的绝干质量计算其达到各含水率时的相应质量计算值为止，目标含水率分别为绝干、6%、12%(南京春天平衡含水率)、18%、30%、50%、100%和水饱和(蒸馏水)。

动态黏弹性测定：采用德国Netzsch公司DMA242—C型动态热机械分析仪进行速生杨试件的动态黏弹性测定。参数为：温度扫描范围35～350℃，升温速度5℃·min-1，测量频率10 Hz。采用双悬臂梁弯曲形变模式，跨距32 mm，振幅40 μm，动态力6N，比例因子1.2。每种含水率水平重复测试3次，用平均值进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同含水率速生杨木储能模量与温度的关系

储能模量是表征材料弹性的物理量。由图1可见，绝干、6%和12%含水率试样的初始储能模量随含水率的升高而降低，这也是其初始强度在此含水率范围内随含水率变化的趋势。12%、18%、30%含水率试样的初始储能模量随含水率的升高而升高，试样含水率处于纤维饱和点(30%)时初始储能模量最大，这是因为吸着水在纤维饱和点时的含量最大，而吸着水存在于木材细胞壁内的微纤丝、大纤丝之间构成的微毛细管系统内或吸附在微晶表面和无定型区域内纤维素分子的游离羟基上，与木材结合紧密［7］，在纤维饱和点以下，含水率较高时有利于木材初始弹性的提高。50%、100%和水饱和试样的初始储能模量随含水率的升高而下降，速生杨木生材的含水率一般在100%和水饱和之间［8］，在此含水率范围内其初始储能模量相对较低［9］，这为速生杨木生材不加蒸煮直接旋切提供了理论依据。

图1 不同含水率速生杨木的储能模量

绝干、6%和12%含水率试样次级弹性转变开始时的温度分别为95、70、55℃，随含水率的升高而降低，但每一试样的弹性在发生次级转变前均随温度的升高而略有升高，表明在发生次级弹性转变前，对以上3种含水率速生杨木进行较低温度的热处理有利于其弹性的提高。在这3种含水率试样中，绝干含水率试样具有最高的次级弹性转变温度和最大的次级弹性转变储能模量，这对应用DMA技术评价其它木材的弹性极限具有参考意义，而对处于平衡含水率(12%)状态的速生杨木构件，从弹性的角度来看存在着温度上限，本试验中为55℃，这对确定绝大多数处于平衡含水率状态的木制品的安全使用温度是有帮助的。18%含水率以上试件开始次级弹性转变的温度和完成次级弹性转变的温度大致呈现为随含水率的升高而升高。当处于完成次级弹性转变温度以上时，下降的幅度很小甚至还有所回升(当含水率超过30%时)，这是因为在干燥状态下，纤维素的热软化范围为200～250℃，半纤维素的热软化范围为150～220℃，木质素的热软化范围为130～205℃［10］，在水分的增塑作用下，半纤维素和木素的热软化起始温度会提前，使储能模量下降幅度较小，而纤维素在此温度范围内未发生热软化;储能模量在完成初级弹性转变后有所回升则是由于在水分作用下，纤维素分子的结晶度有所增加［11-12］。因此从图1可以看出，完成次级弹性转变时的温度对不同含水率速生杨木热处理、弯曲变形温度的选择很有参考价值，其温度不应低于完成次级弹性转变的温度。次级弹性转变开始至次级弹性转变完成，即为玻璃化转变区域，当温度超过次级转变完成温度时，试件自此进入高弹态。另外，绝干试件不存在明显的玻璃化转变过程。不同含水率速生杨木完成次级弹性转变时的温度，各含水率试件发生主弹性转变，即由高弹态向黏流态转变的温度见表1。在各转变温度以上，纤维素开始软化，因此对速生杨木进行与温度有关的压缩强化、尺寸稳定化处理，刨花板、中密度纤维板端面密度的调整，甚至减少胶黏剂的用量乃至无胶胶合，木塑复合材料界面相容性的改善等都具有参考价值。

2.2 不同含水率速生杨木损耗模量与温度的关系

损耗模量是表征材料黏性的物理量，损耗模量越大黏性越大。当含水率介于0～12%时，初始损耗模量随含水率的升高而降低;当含水率介于12%～30%时，初始损耗模量随含水率的增大而增大;当含水率大于30%时，损耗模量又随含水率的升高而下降;初始损耗模量分别在平衡含水率(12%)时取得极小值、在纤维饱和点(含水率30%)时取得极大值。即速生杨木构件在平衡含水率时黏性最小，在纤维饱和点时黏性最大。这说明了2个问题：一是木质材料在平衡含水率附近工作性能最稳定;二是处于纤维饱和点时木质材料最软。在发生次级黏性转变之前，各含水率试件的损耗模量随温度的升高而升高。木质材料的黏性变化主要是由木素和半纤维素的热软化造成的，通过图1储能模量的变化来确定次级弹性转变完成时的温度较容易，但是用于界定次级弹性转变开始时的温度有一定的不确定性，尤其是含水率超过12%的试件，但是通过损耗模量的变化(图2)可以明显地确定开始发生和完成次级黏性转变时的温度，见表1。

图2 不同含水率速生杨木的损耗模量

表1 不同含水率速生杨木弹性和黏性转变时的温度

通过损耗模量描述的速生杨木的黏性转变过程实际上与含水率对木素、半纤维素的影响有关，表1中不同含水率速生杨木发生和完成次级黏性转变时的温度表明，水分的增塑作用在纤维饱和点附近最大化，因此如果考虑采用较低的温度对速生杨木进行塑化、弯曲、压缩等处理时，可以选择在纤维饱和点附近，125℃左右进行。

表1中相关数据还表明，速生杨木试件处于纤维饱和点时，具有最大的初始储能模量，最低的完成次级弹性转变温度，最大的初始损耗模量，最低的发生和完成次级黏性转变温度，尤其是具有最大的次级转变损耗模量，基于以上特征，结合数学方法，采用DMA来测定木材的纤维饱和点应该是可行的。

所有含水率试样发生主黏性转变的温度基本上集中在220、225℃附近，相差不大。在发生主黏性转变之前，损耗模量随温度的升高而渐渐升高，这是纤维素逐渐被软化的结果，至发生主黏性转变温度时达最大值，然后迅速下降，试件进入黏流态。

2.3 不同含水率速生杨木损耗因子与温度的关系

损耗因子对应于形变落后于应力的相位角，次转变发生时(低温区)，损耗因子达到峰值时的温度即为玻璃化转变温度［1］。由图3可知，6%、12%含水率试样的玻璃化转变温度为115℃，18%、30%含水率试样的玻璃化转变温度为95℃，其他含水率试样的玻璃化转变温度均随含水率的增大而增大，分别为50%(105℃)、100%(125℃)和水饱和(135℃)。明确不同含水率木材试件的玻璃化转变温度，对制定与温度有关的木材加工工艺具有非常重要的参考价值。另外，各含水率试件发生主转变(高温区)时的温度基本集中在240～245℃附近，主转变温度受含水率的影响很小。

图3 不同含水率速生杨木的损耗因子

3 结束语

储能模量和损耗模量分别明确地描述了速生杨木弹性和黏性随含水率的变化。在整个扫面温度范围内(35～350℃)试件会出现2个明显的弹性和黏性转变过程：完成次级弹性转变的温度随含水率的增加先减小后增大，30%含水率时出现极小值，发生主弹性转变的温度随含水率的增加而增大;损耗模量除绝干试件外，发生和完成次级黏性转变过程的温度基本上随含水率的增大先减小后增大，极小值都出现在30%含水率时，所有含水率试样发生主黏性转变的温度基本上集中在225℃附近。通过损耗因子图谱准确地获得了不同含水率试件从玻璃态到高弹态，从高弹态到黏流态的转变温度。

通过DMA技术研究木材的黏弹性转变过程可以获得很多有重要参考价值的信息，为制定相关加工工艺参数提供依据。

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