宽温度域桦木机械吸附蠕变研究

发布时间：2020-05-08 03:41

【摘要】：木材是吸湿性的黏弹性材料,人造板热压、木材干燥、木结构建筑等都会发生机械吸附蠕变现象。本文采用带湿度附件的DMA,研究了桦木12%、18%、24%三个含水率水平在25℃、55℃、85℃三个温度水平的干燥机械吸附蠕变特性,以及12%含水率在25℃、55℃、85℃三个温度水平的交变机械吸附蠕变特性。实验结果表明:干燥机械吸附蠕变桦木(Betula)干燥机械吸附蠕变与常规蠕变一样,试件刚受外力作用时会产生一个与时间无关的瞬时形变,试件含水率逐渐降低至终含水率6%,这段时间内干燥机械吸附蠕变产生很大蠕变。在终含水率6%下继续蠕变一段时间,干燥机械吸附蠕变完全转变成常规蠕变。最终干燥机械吸附蠕变产生的蠕变值是常规蠕变的数倍。桦木干燥机械吸附蠕变的总柔量和蠕变柔量均随着温度和含水率的增大而变大。温度和初含水率相同时,终含水率越低,干燥机械吸附蠕变的蠕变柔量越大。交变机械吸附蠕变桦木交变机械吸附蠕变的总柔量随着循环次数的增加而逐渐变大。试件吸湿时蠕变恢复(即蠕变减小),解吸时蠕变增大,解吸时的蠕变增量大于吸湿时的蠕变恢复量,每循环一次都会产生一定的蠕变净增量(循环蠕变增量)。随着循环次数增加,循环蠕变增量逐渐递减,最终桦木交变机械吸附蠕变趋向稳定。温度越高、循环次数越多,桦木各个解吸蠕变终点的总柔量、吸湿蠕变终点的总柔量、解吸蠕变增量和吸湿蠕变增量越大。桦木第一次吸湿的蠕变柔量,低温时蠕变柔量增加;高温时蠕变柔量减小。桦木交变机械吸附蠕变滞后于湿度的变化,两者有一相位差。温度越低,相位差越大。
【图文】：

弯曲木,木材

这些成分中含有羟基，羟基能与水分子结合，使得木材会受到水分的影响[1-4]。当木材受到外力和动态含水率变化的交互作用时会产生机械吸附蠕变现象，这种现象既是优点也是缺点。木结构建筑[5-8]中的木梁等承重部件受到环境温度和湿度变化时会产生异常的大变形，这种大变形会降低承重部件的安全性。但其在木材的加工和保护方面具有一定的优点，如木材的塑化处理、木材大变形加工、木材弯曲加工、人造板热压、木材干燥等都会应用木材机械吸附蠕变理论。木质丘比特箭[9]和微波弯曲木[10]的制作就是利用机械吸附蠕变理论，将箭身插入箭芯；微波弯曲木制作时，通过用 2450MHz 的微波照射处于饱水状态的木材，使木材热透。当对木材受到外力和含水率逐渐降下降时就会产生机械吸附蠕变现象。这种现象产生的变形特别大且大部分不恢复。这一现象涉及到了机械吸附蠕变的能量理论。木材在干燥过程中，其熵值降低，导致变形增大；木材进行吸湿时，其熵值增大，导致变形部分恢复。实际应用中，木材都是在高温、高湿的剧烈环境中被处理的，其产生的变形需要等同的能量才能使其完全恢复，，因此木材机械吸附蠕变产生的变形在常态条件下基本是被固定的。图 1-1 是弯曲木和丘比特箭，

蠕变曲线,蠕变曲线,交变,蠕变

图 1-2 Armstrong 的交变机械吸附蠕变曲线Figure 1-2 The mechano-sorptive creep curve with cycling of relative humidity from Armstrong1962 年，Armstrong 和 Kingston[18]进一步对木材含水率的变化对蠕变的影响进行研究。实验结果表明：这种蠕变产生的最终应变值不由时间决定，只由含水率变化决定，并且这种蠕变现象只在木材纤维饱和点以下产生。1962 年，Chistensen[19]研究含水率变化对小试件（木材）的机械吸附蠕变的影响。结果表明：小试件的蠕变速率与试件对水分的吸附速率有关。1964 年，Hearmon 和 Paton[20]研究了含水率的变化木材对机械吸附蠕变的影响。实验结果表明：木材机械吸附蠕变的蠕变速率与木材的吸附速率密切相关，但是解吸-吸湿的速率对蠕变的最终结果几乎没影响。1965 年，Gibson[21]首次从分子水平提出氢键断裂-重新组合来解释木材解吸-吸湿交变条件下产生的机械吸附蠕变现象，并将结果发表在 Nature 上。结果表明：当受载木材处于解吸阶段时，氢键发生暂时性的断裂和重新组合，导致应变增大；当受载木材处于吸湿阶段时，增加的蒸汽释放了能量，这些能量使得木材膨胀，另一方面作为振动能量，使木材抵抗外应力而产生蠕变恢复。
【学位授予单位】：浙江农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S781

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