木材纤维素非结晶区水分分布及其结合关系研究

项目名称：木材纤维素非结晶区水分分布及其结合关系研究（31260157）  

项目负责人：薛振华 教授  

项目参加人：冯利群 教授  

                       刘俊英副 教授         

                       郝一男 博士         

                       贺勤 博士         

                       解云焕 硕士         

                       梁宇飞 硕士         

                       张龙 硕士         

一、项目主要研究内容：

Ⅰ.不同预处理方法对纤维素结构的影响

将纤维素分别用一定浓度的NaOH和盐酸进行处理，然后用XRD对其结构进行检测，同时利用谢利(Scherrer)公式和Bragg方程分别计算晶面尺寸和晶面层间距。         

Ⅱ.纤维素结晶区水分吸附的时域核磁共振研究

通过重水质子置换，通过NMR测试质子弛豫过程，构筑纤维素的结构模型，测试水分子的吸着状态与分布。         

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Ⅲ.时域核磁对纤维素中水分状态及结合关系研究

ⅰ.吸湿过程中水分状态分析

ⅱ.纤维素与水分结合关系分析

Ⅳ.纳米纤维素的结构与性能表征分析

ⅰ.显微结构与超微结构分析

ⅱ.XRD、TG、FTIR分析

Ⅴ.实体木材的吸湿的热力学特性

ⅰ.吸湿及吸湿热力学分析

ⅱ.解吸及解吸热力学分析

ⅱ.解吸及解吸热力学分析

Ⅵ.纤维素吸湿过程的数学模型

ⅰ.静态吸湿的数学模型

ⅱ.解吸过程中活性吸着点数量分布的数学模型

Ⅶ.纤维素分子链及其与水分子相互作用的链态空间模型

ⅰ.纤维素预处理分子模型

ⅱ. 无定形区纤维素的分子模拟

二、取得的主要研究进展

（a）通过纤维素预处理及纳米纤维素的制备与表征，建立了纤维素晶区处理前后的链态分子结构模型，解释了处理前后纤维素的结晶度、晶区宽度、衍射峰强度和位置等特征值的变化。         

（b）通过重水置换并借助NMR测试表明，木材细胞壁中化合水含量很少，弛豫时间一般在几十微秒内就很快衰减到零，结合水和自由水的弛豫时间分别为几毫秒、十几毫秒到几百毫秒之间；木材吸湿过程中当单分子层水分吸附饱和后，多分子层水分开始吸附，结合水T2时间明显增大，多分子层水分流动性要比第一分子层流动性强；吸湿过程中纤维素无定形区不稳定氢键因水分吸附而被破坏，且形成多分子层水分吸附，纤维素发生润胀，使纤维素微孔隙孔径增大，毛细作用对水分的运动限制减弱，使孔隙中的水分运动更自由。         

（c）通过对木材吸湿性的热力学分析表明，木材吸着热和木材平衡含水率（MC）成负相关关系，水分子进入纤维素分子链中所形成的氢键分布不均匀。在第一阶段过渡到第二阶段时出现了一个极小值对应着单分子层的水分吸着达到最大，第三阶段木材吸着热有增大的趋势，是在水蒸气分压增大的情况下，水分子与纤维素分子链间形成氢键的分布趋于均匀化所致；在解吸过程中，在较低的MC时，木材中的水分脱离吸着点所需的功比解吸到较高MC所需的功要多；随着木材MC的升高，分子排列有序性比低MC的木材低，熵值也较低。         

（d）通过纤维素及纳米纤维素的吸湿及解吸过程研究，建立了等温吸湿过程活性吸着点分布的数学模型及解吸过程中任意热力学平衡态下活性吸着点分布以及吸着热计算的数学模型。通过计算表明，水分子进入纤维素非结晶区后，基本以单分子层分布，且有50％～75％的吸着点吸附水分子。         

（e）通过纤维素分子链与水分子的作用研究，借助Mater Studio软件建立了吸湿过程中，不同数量水分子进入纤维素非结晶区分子链上的链态空间结构模型。