毛竹径向梯度结构对吸湿的影响Ⅱ：吸湿-湿胀行为

摘要

【目的】竹材的吸湿性及其引发的湿胀变形是限制其高附加值利用的关键，然而基于径向梯度结构的吸湿-湿胀机制尚未被阐明。为此，本研究以毛竹为对象，比较不同相对湿度（RH）条件下竹青侧至竹黄侧在吸湿平衡态和吸湿过程中的水分-变形响应行为，旨在揭示竹壁径向梯度结构对吸湿-湿胀行为的影响。【方法】将毛竹沿竹壁径向划分为竹青侧、竹中部与竹黄侧3个部分，基于纤维体积分数量化梯度结构。在11%、33%、57%、84%和97%这5个相对湿度下，测定各部位在吸湿过程和平衡态的含水率与尺寸变化。进一步采用Hailwood-Horrobin(H-H)理论解析吸着等温线，并运用Parallel Exponential Kinetics(PEK)模型表征吸湿动力学过程，对比分析不同部位吸湿-湿胀行为的差异与规律。【结果】毛竹在径向具有梯度结构，纤维体积分数从竹青侧（34.13±0.84）%到竹黄侧（15.87±0.12）%呈递减趋势。在本研究条件下的吸湿平衡态，平衡含水率（EMC）表现出竹青侧<竹中部<竹黄侧的梯度特征，而湿胀率均呈现竹青侧>竹中部>竹黄侧的相反趋势，当RH > 57%时，这种差异更为显著。在吸湿过程中，当RH≤57%时，竹黄侧在吸湿初期的吸湿速率显著高于竹青侧，相应地，湿胀响应也更快；而当RH > 57%时，不同位置在吸湿初期的吸湿速率趋于一致，竹青侧则始终表现出了最大的湿胀率。【结论】毛竹的吸湿-湿胀关系随着吸湿过程的进行而发生阶段性转变，此转变源于由竹黄侧至竹青侧递增的纤维体积分数，它决定了竹黄侧到竹青侧由“强吸湿、快湿胀响应”向“弱吸湿、高湿胀潜力”过渡的特性。本研究揭示了毛竹梯度结构对吸湿-湿胀耦合行为的主导机制，研究结果不仅有助于竹材尺寸稳定化改性的进一步探索，也可为新型功能梯度竹复合材料的结构优化设计提供有效策略。

关键词

毛竹 / 水分-变形响应 / 径向梯度结构 / 纤维体积分数 / 平衡含水率(EMC) / Hailwood-Horrobin(H-H)理论 / Parallel Exponential Kinetics(PEK)模型 / 功能梯度材料 / 尺寸稳定性