动态热机械分析在木材加工行业的应用

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木材工业CHINA WOOD INDUSTRY第19卷 第4期Vol. 19 No. 42005年7月July 2005 木材工业第19卷第4期2005年7月 讨论与建议 动态热机械分析在木材加工行业的应用 程瑞香 (东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040) 摘要： 阐述动态热机械分析的基本原理，讨论动态热机械分析方法在木质材料的力学性能检测和评价等方面的应应。 关键词： 动态热机械分析(DMA)；木材加工；木质材料；力学性能；玻璃化转化温度 中图分类号：TS6 文献标识码：A 文章编号：1001-8654(2005)04002803 Applications of Dynamic Mechanical Analysis in Wood Processing Industry CHENG Rurxiang (M aterial Science and Engineering C ollege， North east Forestry U niver sity， Harbin 150040， H eil on gjiang， China) Abstract： T his paper presents the principle of dynamic mechanical analysis (DMA) method， whichcould be used to examine and evaluate mechanical performance of wood based materials. It alsodiscusses some specific uses of DMA in the wood processing industry. Key words： dynamic mechanical analysis (DMA)； wood processing； wood material； mechanicalperformance； glass trans ition temper ature 动态热机械分析原理 动态热机械分析(DMA)是在程控温度下，测量物质在振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度关系的技术。通过 DMA测定材料受到周期性应力时的机械反应，可以确定材料的黏弹性及流变性能。有些DMA分析仪还可以测定材料的应力松弛及蠕变行为。在施加交变力时， DMA可同时考察温度、施力状况和频率对材料性能的影响。通过DMA测试，能对多种工况下材料的短、长期力学性能进行评估。 木质材料的许多性质对温度和时间具有强烈的依赖性，原因是其具有黏弹性。众所周知，一般材料可分为3大类，即黏性材料、弹性材料和黏弹性材料。黏性液体具有作用力(F)与变形速率(de/dt)成比例的性质，纯弹性固体具有作用力(F)和变形(e)成比例的性质，黏弹性材料则同时具有类似于黏性液体和纯弹性固体的性质，其应力和应变关系如图1所示，应变e滞后于应力0一个相位角8。对于虎克弹性体，8=0，动态变形时外力所做的功都作为势能贮存起来，以后又转换成动能而释放。对于牛顿黏性 ( 收稿日期：2004-0819；修改稿：200506-15 ) ( 作者简介：程瑞香(1968一)，女，东北林业大学副教授，博士。 ) 体，8=J/2，外力对系统所做的功都转变为热能而损耗。对于黏弹性材料，0<8JV2，外力对体系所做的功，一部分被贮存，另一部分则转变成热能。 图1 黏弹性材料的应力应变关系 Fig.1 Relation between stress and strain forviscoelastic materials 当黏弹性材料受到交变应力作用时，材料的模量具有复数形式： 而 式中：0一应力；8一应变；E一实数模量，又称储能模量，反映材料变形时储存能量的多少，以及材料弹性部分，表征材料的刚度；E"一虚数模量，又称损耗模 量，反映材料变形时能量损耗的多少，以及材料黏性成分，表征材料的阻尼特性2-3J；E*-复合模量；8一应力和应变之间的相位角，也称损耗角； tan 8一损耗角正切，力学损耗因子。 2DMA 在木材加工行业中的应用 2.1 测定玻璃化转变温度(Tg) 玻璃化转变是高聚物的普遍现象，Tg是表示聚合物玻璃化转变的重要指标。在发生玻璃化转变时，材料的许多性能会发生急剧变化，特别是力学性能。即使温度只在几度范围内变化，材料的模量也会改变三四个数量级，导致其使用性能发生较大改变。 测定Tg的方法很多，常用的有3种，即DMA、热机械分析法(TMA)和差示扫描量热法(DSC)。般情况下，材料发生玻璃化转变时，其热熔( DSC 测定的基础)和热膨胀系数(TMA测定的基础)变化不明显，而模量会发生几个数量级的变化，因而利用DMA测定Tg更容易，更灵敏。 木材是由结晶纤维素和非结晶半纤维素、木素等聚合物构成的。当加热到玻璃转化点温度时，木质材料的非结晶区部分会发生玻璃化转变，此时木质材料的物理力学强度均会发生巨大变化。在DMA测试中，利用损耗角正切曲线的峰顶温度，可以确定木材的T145]。 2.2 评定木质材料软化效果 在木材加工行业中，水热处理应用非常广泛。在水热处理过程中，由于水分的增塑作用，木质材料吸水后Tg降低，故可通过DMA测定木质材料的干、湿态 Tg，评判水热处理效果：相对于材料的干态Tg测定值，其湿态Tg测定值越低，说明水热处理的效果越好。干、湿态Tg都可由试验直接测得，但由于在升温过程中，材料会失去部分水分，因此，对于湿态Tg的测试结果尚有一些争议。 图2所示为取自同一根毛竹(Phyllostachyspubescens)的2个试件的DMA损耗角正切值( tan 8)随温度变化的曲线16。。-一个为对照，未进行软化处理，另一个在密闭、温度120℃条件下软化处理30min.以 tan 8峰值表示Tg，则未软化处理竹材的Tg为120℃，而软化竹材的Tg为88℃，下降了26.66%，说明高温120℃软化竹材的效果十分明显。 2.3 选择高温环境的使用材料 采用DMA 连续测定材料的模量，当接近Tg时，材料的强度、刚度急剧下降，因此，Tg代表着材料的最高使用温度，为高温下材料的使用选择提供依据。 图2 软化与未软化竹材 tan 8 随软化温度变化的曲线 Fig. 2Curves of mechanical loss factor vs. softeningtemperature for untreated and treated bamboo 图3是毛竹的DMA分析结果。可以看到，从45℃开始，随着温度升高，竹材复合模量E*逐渐降低，到115~130℃时降到最低，随后又升高，至180℃时达到峰值，说明115~130℃是竹材复合模量下降较多、性能恶化的温度点。 图3 竹材复合模量E 随温度变化的曲线 Fig 3(Composite modulus of bamboo vs. temperature 图4所示为木塑复合材料DMA 图谱，可见材料的储能模量发生急剧下降时的温度点，正对于损耗角正切曲线峰顶温度(Tg)；因此，Tg反映了木塑复合材料的最高使用温度，可作为衡量其耐热性的指标。 2.4 测定材料耐湿热环境的性能 可通过测定湿态玻璃化转变温度T gw来衡量复合材料耐湿热环境的能力。在潮湿环境下，复合材料吸收水分后T：下下降，也会使其耐热性降低；因此，湿和热对复合材料强度有显著的影响，湿态玻璃化转变温度Tgv是复合材料耐湿热环境性能的指标。 2.5 研究热固性材料的固化程度和测定凝胶点 DMAl可测量出树脂固化力学响应的变化，这种变化是树脂固化过程中发生分子交联的直接结果。树脂固化后，体系的交联密度增加，Tg相应提高，从Tg的相对高低可判断出树脂交联密度的大小。在高温动力学测量中，树脂的固化程度可用储能模量和相对刚度值来表示。 将黏性树脂涂于玻璃布上，在恒定的温度下采用 图4 木塑复合材料 E 和 tan8 随温度变化的曲线 Fig.4 Curves of storage modulus and mechanical lossfactor vs. temperature for wood plastic composites DMA，测量储能模量及损耗模量随时间的变化，可以反映体系黏度(模量)的变化。当发生凝胶时，体系的E及E发生突变。因此，在对热固性胶黏剂的固化过程进行动态研究时，可以通过测定E"极大值，来确定该温度下树脂固化的凝胶点17。 2.6 研究胶黏剂固化反应产物的动态力学行为 例如，利用DMA研究固化剂种类对固化产物的动态力学行为的影响。采用二异氰酸酯(TDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)作固化剂时，聚氨酯的Tg分别为-5和35℃，其差别正是由于固化剂的结构不同所致。HDI 是柔性的直键结构，形成的聚氨酯比较柔软，所以Tg较低；而TDI是芳香族化合物，对 (上接第24页) 4)竹指接集成材经老化试验后，水煮剥离率较高，但其指接处几乎无剥离。其 MOE 和MOR数值虽远低于竹集成材，但MOE 值仍高于马尾松和杉木，MOR 值略小于或与之持平。 ( 参考文献： ) ( [1] 赵仁杰，陈哲，张建辉.中国竹材人造板的科技创新历程与展 望[J].人造板通讯，2004，11(3)：911. ) ( [2] 唐宏辉，陈鸿斌，王正.结构用竹集成材制造工艺技术简介[J]. 人造板通讯，2004，11(9)：1619. ) ( [3] JAS SE 9. 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