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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。毛竹材玻璃化转变温度的影响因素??黄梦雪,张文标,张晓春,余文军,李文珠,刘贤淼,戴春平,汪孙国(,浙江临安311300;,北京100102;,温哥华V6T1W5;,埃德蒙顿T6R3J6)毛竹材玻璃化转变温度的影响因素黄梦雪1,张文标1,张晓春1,余文军1,李文珠1,刘贤淼2,戴春平3,汪孙国4(,浙江临安311300;,北京100102;,温哥华V6T1W5;,埃德蒙顿T6R3J6)利用动态机械热分析仪(DMTA)研究毛竹Phyllostachysedulis材在不同初含水率、径向部位、竹龄和高度等条件下的玻璃化转变温度(Tg)并分析其变化规律,旨在为竹材的软化和展平提供理论依据。结果表明:①~℃范围,随初含水率增加(0%,15%,30%,60%和饱水),毛竹材的玻璃化转变温度显著降低,℃℃,毛竹材在较低含水率(<15%)范围内比高含水率(>15%)范围内变化对毛竹材的玻璃化转变温度影响更明显,表明提高毛竹材初含水率对竹材软化有益。②在相同竹龄、初含水率和高度条件下的毛竹材沿竹壁径向的竹青、竹肉和竹黄的玻璃化转变温度有差别但不显著,℃℃。③在相同径向部位和含水率条件下,不同竹龄和不同高度的毛竹材玻璃化转变温度均无明显差异,℃以内。这有助于实际生产中最大化利用原材料。图4表2参22木材科学与技术;毛竹;竹材;动态机械热分析仪;玻璃化转变温度;储能模量;损耗模量毛竹Phyllostachysedulis是竹类植物中用途最为广泛、经济价值最大的竹种,生长快,产量高,材质好,目前已开发出竹工艺品、竹地板、竹家具、竹炭等许多产品[1]。毛竹秆直径小,壁薄中空,尖削度大,中间有节,竹青、竹肉和竹黄层的结构不同,这些特点造成毛竹产品加工难以实现连续机械化、自动化,生产效率低,材料有效利用率一般只有20%~50%,同时产品制作过程中常需使用大量的胶黏剂和化学物质,污染环境,严重制约了竹材加工业的健康快速发展,产业亟须创新和转型升级。原竹展平技术是近来许多专家学者和厂商关注的热点,它的成功开发将为竹材的工业化利用开辟新的途径,可以解决毛竹材本身结构和加工过程中的相应难题,被竹加工行业认为是目前科技含量最高的产品。而原竹展平技术的关键是竹材软化,软化又与竹材的玻璃化转变温度(Tg)直接有关,当温度加热到Tg时,材料的形变明显地增加,并在随后的一定温度区间形变相对稳定,此状态即为高弹态,即竹材的非结晶区部分从玻璃态转变到高弹态的过程,此时竹材的性质会发生巨大的改变[2]。许多专家学者如张齐生[3]、汪孙国等[4]、姜海波等[5]、钱俊等[6]和程瑞香等[7]已开展了竹材软化方面的工作,主要采用尿素、碳酸氢钠等弱碱类软化剂,℃,时间都在30min以上,软化效果不理想,未达到竹材的Tg。李霞镇等[8]对富阳产含水率8%的毛竹材竹青和竹黄的Tg研究分析表明,,逐渐增大,~℃范围内,、。江敬艳[9]用动态机械热分析仪(DMTA)~℃,~℃,℃,℃。MATAN等[10]利用DMTA测试不同初含水率(0%,13%,37%和60%)3~4年生的泰国马来甜龙竹Dendrocalamusasper的Tg,绝干时Tg最大为(±)℃,含水率60%时最小是(±)℃。目前,对竹材Tg方面的研究报道很少也不全面。因此,本研究用DMTA系统研究了毛竹材不同初含水率、竹材部位、竹龄和高度等条件下的Tg,分析变化规律,以便为原竹筒软化和展平提供理论依据。,由浙江德长竹木有限公司提供。竹龄分别为3年生、5年生和7年生,壁厚8~10mm,竹筒弯曲度≤%,无干枯、虫蛀、虫眼、腐朽、干燥裂纹及明显外伤,材质符合GB/T2690-1999《毛竹材》标准要求。,,,再将竹筒依次连续截取成竹块:(L)mm×(T)mm×tmm(R),并将每个竹块从弦向劈分成竹青、竹肉、竹黄的竹薄片,(L)mm×(T)mm×(R)表面平整、厚度均匀的标准试件,以备试验用。,即将试件放置水中浸渍至饱和,将饱和试件放入设定温度(±)℃的恒温干燥箱中干燥,根据目标含水率将试件干燥至相应质量为止,取出密封。目标初含水率分别为绝干,15%,30%,60%,饱水状态。(DMTA)。DMTA把材料的黏弹性分为2个模量:一是储能模量E′,即材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量,反映材料黏弹性中的弹性成分,表征材料的刚度;二是损耗模量E″,即材料产生形变时能量散失或转变为热的现象,反映材料黏弹性部分中的黏性成分,表征材料的阻尼特性[11]。在DMTA图谱中Tg有3种对应温度,第1种是E′曲线上折点所对应的温度;第2种是E″曲线峰点所对应的温度;第3种为tanδ峰所对应的温度[12]。本研究以ISO标准中建议的E″曲线峰点所对应的温度作为Tg。研究采用双悬臂梁弯曲形变模式。测试参数为:~℃,℃·min-1,,。在室温下测量试件的长度、宽度和厚度,并输入仪器中;再将毛竹片放入DMTA样品室的夹具中加以固定,然后关闭样品室,开始试验。完成一个试件后,需待样品室的温度降至室温,℃才能进行下一个试件的测试。&、竹肉和竹黄试件,进行DMTA的E′和E″测试,测试数据图谱(图1)E″曲线峰所对应的温度即为毛竹材的Tg(表1)。由表1可知:随着初含水率升高,毛竹材竹青、竹肉和竹黄的Tg均不同程度降低,将绝干状态与饱水状态的毛竹材的Tg进行对比,℃,℃,℃。这是由于初含水率的增加,半纤维素降解,水分子容易进入毛竹材纤维的无定形区使纤维润胀,纤维素分子之间的相互移动变得易发生,从而使表征竹材刚度的弹性模量降低,塑性增强,进而使毛竹材Tg降低。同时含水率增加也使毛竹材含有的自由水增多,在细胞腔中的少量的自由水形成类似雪的极细冰晶,这种冰晶在低温时使毛竹材在受力作用时需要克服细胞间隙间的摩擦[13-14],因此,毛竹材初含水率升高,使反应毛竹材黏性的损害模量值相应增大。从表1中还可知:初含水率(MC)比较低的变化(<15%)比初含水率(MC)高(>15%)的变化对毛竹材的Tg影响更大,从而说明,毛竹材细胞腔中自由水对毛竹材的Tg影响相对较小。从图1竹肉的E′和E″曲线图谱中还可知:不同初含水率的毛竹材E′均随着温度的升高呈现不同程度的下降趋势;在初始温度状态下(℃进行分析),初含水率越大,E′越低,绝干毛竹材E′,饱水毛竹材E′,,表明随着初含水率的升高,毛竹材弹性模量降低和抗弯曲性能降低,达到了竹材半纤维素和木质素的玻璃化转变温度,使竹材容易软化。′和E″图Figure1E′andE″of5yearsoldbambooofmedianlayerwithvariousinitialmoisturecontents图2不同竹部位5年生30%毛竹材的E′和E″图Figure2E′andE″of5yearsoldbambooin30%MCwithdifferentradialpositions从表1可知:在毛竹初含水率为0%,15%和30%时,毛竹材的竹黄Tg>竹青Tg>竹肉Tg,同江敬艳等[9]研究7年生毛竹材绝干含水率时结果相吻合;在初含水率为60%和饱水时,毛竹材的竹青Tg>竹肉Tg>竹黄Tg,同李霞镇等[8]。从图2中也可看出:毛竹材(30%MC)3个部位的竹壁径由内而外E′和E″依次增大,即靠近竹青部位最大,℃,,。主要是由于毛竹材的有机组成和竹壁部位有关[10,15],-纤维素含量最高,从竹青到竹黄逐渐升高,综纤维素含量基本不变,半纤维素从竹青到竹黄逐渐降低[16],竹材三大主要有机成分相互交联作用,随着温度升高,毛竹材细胞壁软化,木素降解,纤维素结晶区被破坏。当毛竹材试件处于纤维饱和点以上时,竹黄Tg小于竹肉,竹青Tg最大。这是由于在增加试件含水率的过程中,会有抽提物被抽出,毛竹竹青结构致密,含有腊质和有机硅,竹青部分的冷水、热水抽提物较竹黄低。竹黄中的抽提物降低,其有机成分的交联程度也降低,导致竹黄Tg降低程度比竹青和竹肉大。再者,水分的增加使纤维内部结合力降低,半纤维素含有大量氢键吸收水分,易发生降解。同时水分增加可以破坏三大成分之间的连接键,降低其交联程度,从而提高竹材的软化性能。由于水分增加到一定程度后竹青Tg大于竹黄Tg,这从一定程度上可推断竹青部位有机物的交联程度大于竹肉和竹黄且竹青部位受水分影响较小。%毛竹不同部位进行不同竹龄毛竹材的Tg测试(表2),并得到竹肉DMTA的E′和E″测试图谱(图3)。从表2可知:竹龄(3年生、5年生和7年生)~℃,~℃,~℃,不同竹龄同一部位的毛竹材Tg基本相近无显著差异,绝干毛竹材Tg也是类似的结论,但绝干毛竹材Tg数值远比初含水率30%的要高。从图3可知:℃℃时,3年生、5年生和7年生E″呈先增大后减小的趋势,毛竹材E′均呈下降趋势,3年生E′,5年生E′,7年生E′,7年生毛竹材的抗弯曲性能最低。不同竹龄的绝干毛竹材的竹青、竹肉和竹黄的Tg也无显著差异,但比30%初含水率的毛竹材Tg要高,进一步说明,初含水率的大小对毛竹材的Tg有较大的影响。表2不同竹龄的TgTable2Tgofbamboowithdifferentages在毛竹材成熟阶段,纤维素的含量随着竹龄的增加而减少,到Ⅱ度毛竹(3~4年生)纤维素含量趋于稳定,3,5,7年生竹材木质素、半纤维素和α-纤维素含量差异较小,综纤维素含量的差异不显著,且随着毛竹成熟度的增加,竹材内的热抽提物、灰分等少量成分逐渐减少[15-17],故随着竹龄的增加,毛竹材的储存模量和损耗模量会相应的增加。研究表明:木质材料的Tg是纤维素、半纤维素和木质素共同作用的结果。在全干状态下纤维素、~℃,~℃~℃[18-20],水分增加其对应的软化点温度会相应的降低。在竹材的成熟过程中,木质化与细胞壁增厚同时进行,随着细胞壁连续的增厚,纤维素、半纤维素和木素同时积累,各自增加的质量比例保持不变,即三大组分在成熟竹材中的干质量百分率不随竹龄的变化而变化[21-22]。因此,在试验选定水平内,竹龄对成熟毛竹材的Tg影响不明显。%的5年生毛竹不同高度的竹肉部位DMTA的E′和E″测试图谱(图4)。不同高度的毛竹材E″随着温度的增加呈先增大后减小的趋势,,,,℃,表明不同高度同一部位(竹肉)毛竹材Tg变化不显著。由图4还可知:℃℃时,,′均随着温度的增加而降低,′,′,′;在同一温度下,不同高度的竹材的E′和E″都具有随着毛竹高度的增加而降低的趋势,在温度开始变化阶段,′最高,′最低,毛竹材越靠近稍部其抗弯曲性能越低。这是由于毛竹材的有机组成中木质素、综纤维素随着毛竹高度的增加而逐渐增加,半纤维素从基部到稍部逐渐降低,但α-纤维素含量没有显著的变化。竹材Tg与纤维素、半纤维素和木质素含量及其三者之间的混溶性有关,不同高度毛竹材的有机成分含量不同导致了Tg差异,它还与有机成分的交联程度有关,交联程度随着毛竹材高度的增加而降低,可看出基部的毛竹材的Tg和损耗模量要略高于梢部处的,所以综合来看,,。图3不同竹龄30%毛竹材竹肉的E′和E″图Figure3E′andE″ofmedianlayerin30%MCwithdifferentages图4不同高度5年生30%毛竹材竹肉的E′和E″图Figure4E′andE″of5yearsoldbambooofmedianlayerin30%MCwithdifferentheights3结论竹材初含水率对毛竹材的Tg影响显著,随着初含水率增加,其Tg显著降低;℃,℃。在相同竹龄、初含水率和相同部位的毛竹材沿竹壁径向的Tg不同。说明实际生产中可通过控制毛竹材的初含水率来降低Tg,从而实现毛竹材充分软化。在平衡含水率以下(0%,15%和30%)其竹肉Tg最小,其次是竹青和竹黄;在含水率较高(60%和饱水状态)其竹黄Tg最小,其次是竹肉和竹青。说明在实际竹材软化过程中可以考虑去除竹青和竹黄,便于降低竹材Tg,易于实现软化充分。30%初含水率条件下不同竹龄和高度毛竹材Tg并无显著差异。竹龄(3年生、5年生和7年生)~℃,~℃,~℃;,,,℃。说明实际生产过程中可以选用竹材的竹龄和高度更加宽泛。[1][J].浙江林学院学报,2003,20(1):1-[J].JZhejiangForColl,2003,20(1):1-4.[2][J].木材工业,2005,19(4):28-[J].ChinaWoodInd,2005,19(4):28-30.