国家自然基金项目主要研究成果展示

项目名称：木材细胞壁主分子链聚集态结构对热湿作用的响应与协调机制研究（31860187）

主要完成人：薛振华教授、刘俊英副教授、武洁讲师、阮福讲师、刘金炜硕士、包秀春硕士、赵栋梁硕士

主要研究成果：

Ⅰ.抽提物对木材结构与力学性能的影响

借助FTIR、XRD、BET、SEM等测试手段，对木材抽提处理前后微观构造变化、晶态结构变化、宏观力学性能等方面进行了研究，结果表明，抽提过程中樟子松与杨木的主要化学组成物均发生了不同程度的降解，半纤维素与木质素的降解造成纤维素的热降解温度向低温方向移动，热稳定性降低以及结晶度增大。且木材主化学成分降解，使得木材细胞壁出现较多的孔洞，结构的变化导致木材密度发生变化，进一步引起木材力学性能的改变。

i.抽提物对木材化学成分结构的影响

 

图1 木材的红外光谱图（A：抽提处理前后的樟子松；B：抽提处理前后的杨木；C：A图的局部放大）

 ii.    抽提物对木材显微结构的影响

iii. 抽提物对木材物理结晶性能的影响

 

 

iv.   抽提物对木材空隙分布的影响

 

 

 v.    抽提物对木质素分布的影响

vi. 抽提物对木材力学性能的影响

 

Ⅱ. 湿处理对木材结构与力学性能影响的研究

对抽提后试样进行吸湿处理发现，樟子松在相对湿度小于57.57%时水分子以单分子层吸附为主，反之则以多分子层吸附为主。杨木与之类似，其相对湿度分界点为45.2%。在单分子层吸附形成过程中，多分子层吸附速度逐渐加快。另外，水分子的进入会造成纤维素无定形区内的分子链重新排列，使得木材内的结晶区域面积增大，结晶度增加。与此同时，水分子的进入会增加木材的塑性，导致试材的弯曲强度与拉伸强度均呈现出降低的趋势，而冲击韧性则表现出增加的趋势。可见，木材对水分子的吸附存在一个均匀化过程，首先是单分子层吸附，然后是多分子层吸附。

i. 湿处理对木材吸湿性能的影响

 

 

ii. 湿处理对木材物理结晶性能的影响

 

 

iii. 湿处理对木材表面粗糙度的影响

图14 含水率对木材表面粗糙度的影响

 

 

iv. 湿处理对木材力学性能的影响

 

图15  EPS（A）与EP（B）的力学强度随含水率的变化曲线图

Ⅲ.湿处理对木材微观力学性能的影响

    通过纳米压痕测试发现，细胞壁的纵向弹性模量、硬度都与含水率成负相关关系。绝干状态下纵向弹性模量与硬度分别为12.79 GPa、0.62 GPa。当细胞壁含水率从0%增加到24.54%时，纵向弹性模量与硬度值分别下降到5.83 GPa、0.24 GPa，降幅达54.42%、61.29%。

 

 

Ⅳ.   湿处理木材模型的建立

 

以抽提后的樟子松与杨木为对象，建立了不同含水率下微纤丝无定形区体积计算的物理结构模型和分子机制结构模型，并以此拟合了无定形区吸附过程。

i.数值模型

 

 

 

 

 

 

 

ii.机理模型

 

图23 机理分析图

Ⅴ.热处理对木材化学成分结构的影响

在温度作用下，纤维素无定形区分子链发生降解，半纤维素中木糖环和甘露聚糖降解，木质素同时发生降解和交联反应。

 

  图24  A：不同温度热处理的樟子松红外光谱图；B：A图的局部放大

Ⅵ. 纤维素基膜材料与生物复合材料的制备

在原有研究的基础上，针对木材纤维素的多羟基结构特性，开展了系列拓展性研究，包括纤维素膜材料、纤维素凝胶基吸附材料等的制备与性能研究。

i.沙柳纤维素膜材料的制备

（1）反应次数对纤维素含量的影响

 

图25 纤维素含量随反应次数的变化

 （2）反应次数对木材显微结构的影响

 

（3）反应次数对木材化学成分结构的影响

  

（4）纤维素溶解前后结晶性能变化、纤维素含量对膜拉伸性能的影响

  

ii.纤维素凝胶基吸附材料的制备

（1）sba-15与介孔氧化铁结晶性能研究

 

图32  sba-15与介孔氧化铁XRD图

（2）介孔氧化铁空隙分布研究

 

图33 介孔氧化铁的氮气吸附-脱附曲线及孔径分布图

（3）纤维素凝胶化学成分结构分析、显微结构分析

 

（4）吸附时间对吸附量及亚甲基兰浓度的影响