毛竹吸着特性的研究

毛竹吸着特性的研究

在木材科学领域，水进入木材物理、木材力学、木材干燥、木材变化等大多数研究领域，形成了较为完整的知识体系。竹材与木材同属木质纤维材料,均具有吸湿特性。当外界的温湿度条件发生变化时,竹材能相应地从外界吸收水分或向外界释放水分,从而与外界达到一个新的含水率平衡。在这个水分吸着过程中,木材以及竹材的各项物理力学性都会受到影响,由于竹材与木材在化学组成与构造上不同,导致了其水分吸着等温线和纤维饱和点与木材之间存在一定差异。目前,有关木材的水分吸着特性已有较为系统的研究,但对竹材的水分吸着特性研究还非常有限,尤其有关竹粉以及竹纤维和薄壁细胞的水分吸着特性研究尚未见报道。水分吸着特性的研究通常需选择合适的数学模型来描述,目前已经发展了多种理论、半理论的数学模型,用于描述木材吸着(吸附/解吸)现象。Brunauer等提出的多分子吸附模型——BET模型,适用于大多数中孔吸附材料。笔者以毛竹为研究对象,测量不同相对湿度下竹块、竹粉、竹纤维、薄壁组织细胞的含水率,建立了相应的水分吸着等温线,探讨了成熟毛竹竹块、竹粉水分吸着特性的差异及原因,以及毛竹竹纤维和薄壁细胞水分吸着特性之间的差异,以期为竹材力学性能测试及应用提供理论依据。1材料和方法1.1材料和粉碎方法毛竹(PhyllostachyspubescensMazel.),2007年9月采集于浙江富阳,竹龄为4.5a,胸径>50mm。竹块吸湿试样的尺寸与GB/T15780—1995中竹材干缩率试样相同,为2cm×2cm×t(竹壁厚)。竹粉制作采用植物粉碎机。竹纤维和薄壁细胞制取采用离析法:即首先将竹块劈成火柴棍大小,20g左右,然后将试样在体积比为1∶1的过氧化氢和冰醋酸混合液中处理18h,温度为60℃。离析后的样品用纯水洗净后置于洁净的大容器内搅匀,然后迅速用0.16mm的筛网捞取,如此反复多次,筛网捞取的纤维自然晾干后收集备用。薄壁组织细胞由于尺寸小残留在水中,将水分蒸干即可。收集的竹纤维和薄壁组织样品。1.2湿度及测含水率样品在不同湿度下的含水率调节采用饱和盐溶液法。将制备的样品放置在装有不同饱和盐溶液或硅胶的干燥器中,在(20±2)℃下平衡60d。实验所选取的湿度水平以及对应的饱和盐溶液见表1。干燥器内的实际湿度用温湿度计测量,样品质量使用万分之一天平(SARTORIUSBP301S)称量。所得含水率为绝对含水率。采用一元三次函数对水分吸着等温线进行拟合,将相对湿度100%代入得到的回归方程,计算得到20℃时的纤维饱和点含水率。2结果与分析2.1竹块、竹粉的水分吸着等温线拟合的方法竹块和竹粉在20℃条件下的水分吸着等温线见图1。由图1可见竹块和竹粉的水分吸着等温线均呈反“S”形。从整体上看,竹粉的水分吸着等温线在竹块之上,这说明竹粉的吸湿性要高于竹块,即在相同相对湿度条件下,竹粉能吸附更多的水分子,导致对应的平衡含水率要高于竹块。通过计算竹块与竹粉在相同湿度下含水率的差值,将其绘制成曲线,如图2所示。从图2可知,竹块与竹粉的含水率差值呈抛物线形变化,在相对湿度为46%时两者差距最大,约为1.5%,之后随着湿度的增大差值稳定减小。在相对湿度为100%时,两者之间的差值约为0.37%。因为竹块和竹粉的化学成分相同,因此两者吸湿特性的差异很可能与样品形态有关。根据水分吸着理论,初级吸着水直接吸着在细胞壁的游离氢键上,具有较高的束缚能,而次级吸着吸附在初级吸着水上,束缚能较小。Brunauer等对Dent理论进行了完善和修正,指出水分吸着曲线约在相对湿度为45%之前时的决定因素是初级吸着水,即单分子层吸附;而相对湿度为45%～75%,水分吸着等温线的变化则由各初级吸着点上所容许吸着的最大分子层数决定。但相对湿度大于75%以后,细胞壁的微毛细管系统中产生大量的凝结水,使平衡含水率显著增加。毛竹在磨成粉之后,化学成分并没有发生改变,但是细胞壁结构的破坏使游离羟基增多,初级吸着点增加,吸附的初级吸着水增加,并随着相对湿度的增大在相对湿度为46%左右完成单分子层吸附,差值达到最大值,与实验结果一致。但是当相对湿度大于46%后,次级吸着水和毛细管凝结水起主要作用,此时细胞壁结构的破坏使得细胞壁内部的部分微毛细管系统被打开,能容纳的水分子层数减少,即次级吸着水和毛细管凝结水减少,竹块与竹粉之间的差值随之减小,到纤维饱和点时差值可以忽略不计。可以采用ORIGIN8.0进行三次多项式拟合,获得竹块、竹粉的水分吸着等温线回归方程,据此可以计算出任一相对湿度下样品的含水率,方便竹材力学性能与含水率关系的研究。毛竹竹块、竹粉的水分吸着等温线回归方程及计算所得的纤维饱和点含水率见表2。由表2可知,使用三次多项式对竹块和竹粉的水分吸着等温线拟合的效果很好,拟合优度均大于99%;根据回归方程进行计算所得竹块和竹粉的纤维饱和点相差不大,其中竹粉的纤维饱和点要略高于竹块,差值约为0.37%。2.2纤维饱和点、深毛竹纤维和薄壁组织细胞在20℃时的水分吸着等温线均呈反“S”形(图3)。在相对湿度0%～42%的范围内,竹纤维的水分吸着等温线与薄壁组织细胞差异较小,含水率差值约在±2%。但在相对湿度大于42%时(与单分子层吸附完成的临界相对湿度45%非常接近),竹纤维的水分吸着等温线要明显低于薄壁细胞。计算竹纤维与薄壁细胞在相同湿度下含水率的差值,将其绘制成曲线图(图4)。竹纤维与薄壁细胞含水率差值在相对湿度为100%时达到最大,约为10.67%。根据水分吸着等温线及纤维饱和点的分析推测,当相对湿度小于42%时,在竹纤维和薄壁组织细胞壁内主要形成单分子层吸附,两者之间游离的氢键数量差异不大,因此平衡含水率差异较小。在相对湿度大于42%后,多分子层吸附和毛细管凝结水起主要作用。由于薄壁组织细胞比纤维纹孔多,孔隙多,可能导致其次级吸着水层数和毛细管凝结水相对较多;同时薄壁组织细胞壁的木质化程度小于竹纤维,因此吸湿性要大于纤维,最终表现为薄壁组织细胞的纤维饱和点含水率显著高于竹纤维。同样可以采用三次多项式对毛竹纤维、薄壁组织细胞的水分吸着等温线进行拟合结果如下:y竹纤维=9.37×10-5x3-0.012x2+0.60x+0.09,R2=0.9483;y薄壁细胞=5.16×10-5x3-3.50×10-3x2+0.26x+1.86,R2=0.8357。根据回归方程计算出两者在20℃时的纤维饱和点含水率分别为34.07%和44.24%。单根毛竹纤维的含水率测量难度极大,通过实验建立的毛竹纤维水分吸着等温线的回归方程可以计算任一相对湿度下的竹纤维的含水率,方便了不同含水率下毛竹纤维力学性能研究。从毛竹纤维和薄壁细胞的水分吸着等温线回归方程及基于方程计算所得纤维饱和点含水率可知,使用三次多项式对竹纤维和薄壁组织细胞的水分吸着等温线进行拟合效果也较好,并且对竹纤维的拟合效果要优于薄壁组织细胞;根据回归方程进行计算所得竹纤维和薄壁细胞的纤维饱和点含水率均显著大于竹块(23.04%)和竹粉(23.91%),这是因为化学离析后的纤维和薄壁细胞脱掉了大部分的木质素和部分半纤维素,细胞壁内部的微毛细管系统(空间)增多,次级吸附水和毛细管凝结水增多的缘故。3织物的含水率(1)三次多项式对毛竹竹块、竹粉、竹纤维、薄壁细胞的水分吸着等温线拟合效果很好,利用回归方程可以获得它们的纤维饱和点含水率。竹粉