水·热周期作用下木材的变形响应及吸附热力学特性

Studies on physical properties of wood subjected to changing temperature and humidity environment have received special attentions in recent years. This project will investigate dimensional responses and thermodynamic properties of Chinese fir and poplar wood with different sizes during cyclic hydro-thermal treatments. Namely, study the amplitude, phase lag, anisotropy and residual strain of dimensional changes at longitudinal and transverse directions of wood for different cyclic periods under three hydro-thermal conditions of humidity sinusoidally varying, temperature sinusoidally varying, and humidity and temperature sinusoidally varying. Further, calculate the differential adsorption heat, free energy change and differential entropy by using Clausius-Clapeyron equation, analyze the condition of adsorbed water in wood and discuss the phenomenon of thermodynamic sorption hysteresis. Finally, relate the dimensional responses of wood to their thermodynamic parameters through cyclic period and try to explain the macroscopic behavior of sorption and deformation of wood from the interaction between moisture and wood at molecular level..The results from this project should be helpful in providing a better understanding for some unusual behaviors of wood occurring under hydro-thermal nonequilibrium state, enriching the mechanism of hygroexpansion and the theories of wood physics. The project is also of highly practical importance by offering technical parameters for controlling dimensional stability of wood products during processing and utilization, and by optimizing hydro-thermal treatment parameters and thus promoting the development of unsteady processing technology such as wood bending.

温、湿度变动环境中木材物性的研究是近年来木材物理学者关注的焦点问题。本项目以不同尺寸的杉木、杨木为研究对象，考察它们在水、热周期作用下的变形响应和吸附热力学特性，即通过湿度正弦变化、温度正弦变化和温湿正弦变化三种水热条件，研究不同周期下木材在顺、横纹上尺寸变化的振幅、相位滞后、各向异性及残余应变等；同时，利用Clausius-Clapeyron公式计算微分吸着热、自由能及微分吸着熵，分析木材中水分的吸着状态，探讨热力学吸着滞后现象；最后，通过周期建立木材的变形响应与吸附热力学量之间的联系，从水分子与木材实质分子相互作用的微观角度解析木材在宏观上表现出的吸着和变形行为。.本项目不但有助于解释水、热非平衡态下木材的一些特异现象，丰富干缩湿胀机理及木材物理学理论；还可为木制品在加工、使用中尺寸稳定性的调控提供技术参数，更对优化水热工艺参数，促进木材弯曲等非稳态加工技术的发展具有重要的现实意义。

木材是一种天然吸湿性材料，其水分吸着、干缩湿胀等各种物理性质都会受到环境温、湿度的影响。由于日常及季节性温、湿度的变化，木材总是不断地进行吸湿和解吸，与此同时，其尺寸也发生相应的变化。因此，温、湿度变动环境中木材物性的研究是近年来木材物理学者关注的焦点问题。.本项目以不同尺寸的木材为研究对象，考察它们在水、热周期作用下的水分吸着、变形响应和吸附热力学特性，即通过湿度正弦变化、温度正弦变化和温湿正弦变化三种水热条件，研究不同周期下木材含水率变化的振幅、相位滞后、吸湿滞后，以及横纹尺寸变化的振幅、相位滞后、各向异性及残余应变等；同时，利用Clausius-Clapeyron公式计算微分吸着热、自由能变化及微分吸着熵，分析木材中水分的吸着状态，探讨热力学吸着滞后现象。研究主要发现：1)在水分周期作用下，随着周期的延长，木材含水率及弦、径向尺寸的振幅有所增加，相位滞后有所下降，温度的升高具有相同的作用，而试材厚度的增加则产生相反的效果；木材弦向尺寸变化率与径向尺寸变化率之比亦呈正弦趋势，但始终小于静态条件下的横向各向异性；基于木材表面水分交换和内部水分扩散提出的动态吸着模型具有一定普适性，对于针、阔叶树种及不同厚度的试材，均获得了良好的模拟效果。2)温度周期作用与水分周期作用不同之处在于，木材尺寸的响应在相位上与温度变化反相滞后；此外，在热周期作用的动态条件下，木材表现出膨胀滞后的行为和形变积累现象。3)在水、热共同周期作用下，木材达到的含水率与尺寸变化率大于两种独立作用，但是明显小于二者的叠加值；另一方面，木材水分与尺寸响应的振幅与水分、温度单独作用的叠加值相差不大。4) 微分吸着热、自由能变化及微分吸着熵随着含水率的增大而减小，随着周期的增大而增大，随着试材厚度的增大而减小；木材同时存在着水分吸湿滞后和热力学吸着滞后现象，前者与试材厚度及温度呈负相关，后者则与试材厚度及温度呈正相关。.本项目不但有助于从水分子与木材实质分子相互作用的微观角度解析木材在宏观上表现出的吸着和变形行为，从而丰富干缩湿胀机理乃至木材物理学的内涵和外延；还可为木制品在加工、使用中对其含水率和尺寸稳定性的调控提供技术参数，更对优化水热工艺参数，促进木材弯曲、表面压密等非稳态加工技术的发展具有重要的现实意义。

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