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应拉木胶质层残余生长应力及其非正常形变过程研究

苌姗姗  
【摘要】: 为了进一步探索应拉木木材的异常特性及材性特点,在测定热带应拉木树种的孔隙结构基础上,又通过有机溶剂置换方式研究了栗木、夸斯苦木和杨木应拉木在有机溶剂置换过程中的重量损失及弦、纵向形变特性与规律,并与正常木作比较。采用氮气吸附法对应拉木木孔隙的比表面积和孔径孔容分布进行表征,为更全面认识胶质层的结构特性提供了一种新的思路与方法;通过实验和理论分析,探究了应拉木残余应力释放对其润胀特性的影响,并从分子水平对其中的非正常形变机理进行解释。 本研究主要得到了以下研究结论: (1).所有的应拉木树种均能产生不同程度的高拉伸应力(应变值从-2408到-1485微应变),以维持树干主轴的垂直或枝条的重新定向,但它们的微观解剖形态却有显著的差别,从具有厚壁的胶质层到与正常木显微构造没有区别均可以观察到。即使具有胶质层的应拉木树种间,在胶质层的外形、厚度及分布上也有显著的不同。拉伸应力水平与微观解剖形态的变异之间没有发现必然的相关关系。树种的微观结构特性及其与机械性能间的联系是研究生长应力机理产生的基础。虽然不同树种间产生的机理可能存在差异,甚至可能与孔隙特性没有直接的关联,但是很显然,孔隙特征作为木材成熟过程的一种形式存在于许多树种中。 (2).以氮气在77K下的吸附等温线为基础,分别利用BET(Brunauer、Emmett和Teller)法测定了应拉木纤维中孔隙的比表面积和BJH(Berrett、Joyner和Halenda)法确定了孔径孔容分布。中孔孔隙总是存在于未经绝干的试样中,但是树种间以及同一树种内的应拉木和正常木间,孔体积及孔结构类型差别很大。不具胶质层的应拉木,其孔体积与正常木相差不大。具有胶质层的应拉木可分为两种类型:一种具有薄壁的胶质层,其中包含一定量的中孔孔隙存在,但有时孔体积低于对应树种的正常木;一种具有厚壁的胶质层,显示出大量的中孔孔隙,即仅在具有厚壁胶质层的应拉木中观察到了大量中孔孔隙的存在,大量存在的中孔孔隙可归因于应拉木木纤维中的厚壁胶质层。若忽略孔体积的差异,应拉木试样的孔径总是分布在6-12nm。 (3).经乙醇置换处理过的正常木和应拉木试样在纵向、弦向上的形变都较小,选择乙醇作为CO_2超临界有机溶剂干燥的首选溶剂。与CO_2超临界干燥相比,冷冻干燥和常规干燥在纵向和弦向上均引起了试样较大的收缩变形。并且超临界有机溶剂干燥能有效克服冷冻干燥和普通干燥中因界面张力造成的试样内部骨架结构塌缩等缺陷,在干燥过程中能较好的复制试样在干燥状态下的微观结构,是测量试样孔隙表面特征和孔径结构分布的一种有效预处理干燥方法。 (4).依据试样纵向干缩值和微纤丝角度,确立栗木应拉木试样在倾斜树干上侧,正常木在倾斜树干的下侧,符合通常应拉木与正常木的分类。而夸斯苦木试样分为三种类型:正常木、应拉木和对应木。与栗木不同,夸斯苦木应拉木位于枝桠材下侧。尽管夸斯苦木应拉木中微纤丝角较通常应拉木偏大,但其纵向干缩值仍是对应正常木的3倍。在乙醇溶剂置换过程中,应拉木和正常木/对应木试样在弦向上均发生润胀,在70%浓度附近,润胀量达到最大,随后随着浓度增加,润胀有所回落。纵向上,正常木和对应木依微纤丝角度的不同发生不同程度的润胀,而无论是否具有胶质层,应拉木则发生收缩。溶剂分子与水分子间置换进而引发应拉木中拉伸应力的释放,是应拉木产生纵向收缩的主要原因。而在绝干干燥过程中,水分蒸发、应力释放以及胶质层内凝胶结构的塌陷是产生应拉木高纵向干缩的主要因素。 (5).在有机溶剂置换过程中,应拉木和正常木试样的重量均随溶液浓度升高而显著降低,但最终试样的重量损失量依置换溶剂的极性不同而存在显著差异。对于亲水(极性)溶剂,试样的最终重量损失约为14%,对于弱亲水(弱极性)溶剂,试样的最终重量损失约为20%。依溶剂置换模型计算得到的理论重量损失值与实际实验结果相符合。在逐渐增加溶液的有机溶剂置换过程中,浓度70%附近,系统处于最不稳定状态,试样的弦向尺寸及体积变化最大。当溶液浓度增至100%时,系统趋于稳定,试样弦向尺寸及体积回落至最初始状态附近(不超过±0.03%)。在纵向上,正常木试样发生润胀,而应拉木发生收缩,且应拉木试样的收缩程度远大于正常木发生润胀的程度。不同极性溶剂置换,引起试样的纵向收缩量显著不同。弱极性溶剂置换往往较极性溶剂引起应拉木试样更大的纵向收缩形变。 (6).在有机溶剂置换过程中,试样最终的重量损失量及尺寸形变与采取何种置换过程无关,当置换溶液的最终浓度相同,均可获得相近的重量损失及尺寸形变,但采用纯溶液直接进行置换时,需要进行大于三次的置换,试样的重量及尺寸变化值才趋于稳定。有机溶剂置换没有明显改变应拉木试样的孔隙结构,试样的宏观形变是由内部应力引起。应拉木在有机溶剂中的应力释放过程大约可划分为初始阶段的应力急剧减少过程和长时间的类似平坦区域的缓慢应力释放过程。且置换溶剂的分配系数越大,导致细胞壁无定形区内分子的运动加剧,初始阶段的应力释放程度越大。逐步增加浓度的有机溶剂置换、纯乙醇直接置换及溶剂循环置换仅仅是增加细胞壁中非结晶区内分子迁移运动的不同置换方式,最终均会引起胶质层/S_2层中内部残余应力释放。也就是说,应拉木在有机溶剂置换过程中纵向上产生的宏观收缩试样形变是因试样内部应力释放引起。


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