水蒸气处理对压缩木材变形固定和提高木材尺寸稳定性均有很好效果，水蒸气处理使压缩木内部应力释放及结晶结构增加，压缩变形得以固定(井上雅文等，1994)；使压缩木内部形成凝聚结构是变形固定的主要原因(原贵志等，2000)。利用动态热力学分析(dynamic thermo-mechanical analysis, DMA)方法，使用DMA分析仪对微波加热处理的木材弯曲变形固定效果(李大纲，2002)及木-塑复合材制作人造板尺寸稳定性进行分析(杨文斌，2002)，均有半纤维素、木质素发生降解及由此带来的变形固定效果的增强和材料尺寸稳定性提高。长时间高温热处理使压缩材内应力释放，压缩材变形得以固定(东原贵志等，2001；井上雅文等，1997)，水蒸气处理对不同树种和不同变形经历的压缩木，其应力-应变存在差异(刘一星等，1992a；1992b)，水蒸气处理和热处理后压缩木中主要构成物质的化学变化对压缩木变形固定有根本影响(井上雅文等，1994；2001；东原贵志等，2001；2004)。但有关利用DMA分析仪对水蒸气处理压缩材变形固定机理做木材构成物质的化学松弛和动态热力学性能分析的研究报道还未见到。DMA分析中的损耗模量能反映出黏滞性材料内部对外施振动力以热的形式损耗的变化特性；损耗角正切反映应变滞后应力的效应，能揭示高分子材料与黏滞性相关的相应变化(张俐娜等，2003；过丽梅，2002)。本文通过常温到高温的DMA分析，考察木材和压缩材这种高分子材料由玻璃态转变为高弹态的全过程，压缩矩形材各层次的热动力学参数间差异能从另一个侧面反映出半纤维素、木质素等构成物质在水蒸气处理压缩材变形固定中的变化趋势和对压缩变形固定的内在作用机理(赵钟声，2003)。

1 材料与方法 1.1 供试材料

黑龙江省帽儿山产大青杨(Populus ussuriensis)、东北林业大学哈尔滨试验林场产落叶松(Larix gmelinii)小径原木湿材，平均直径140~220 mm，平均树龄28~36 a。变形固定试验后的大青杨、落叶松试件分别取距压缩材表面0.5、2、3、4、5 cm部位并改制成尺寸为50 mm(纤维方向)×10 mm(径向)×5 mm(弦向)的DMA试件。

1.2 试验设备

WNSO.5-1.6-Y高温高压蒸汽锅炉; 高温高压处理罐; 压缩用模具; 德国NETZSCH公司生产的DMA-242型热分析仪等。

1.3 试验方法

压缩矩形材试件采用压缩率30%~40%、水蒸气温度180 ℃、时间20 min的变形固定处理。改制成的DMA试件，在DMA-242型分析仪上，试验温度25~350 ℃，采用3点弯曲试验。试验载荷按正弦规律变化。材料的动态力学行为是指在交变应力作用下的应变响应。木材是黏弹性高聚物，其应变滞后于应力一个相位角δ，动态力学试验采用用正弦交变应力，则复数模量E^*可表达为

式中ε₀、σ₀为最大应力幅时所对应的应变和应力。

E′为复数模量E^*的实数部分，由弹性形变储存的能量称为储能模量，。E″为复数模量E^*的虚数部分的摸，材料在形变过程中因黏性形变而以热的形式损耗的能量称为损耗模量，。

复数模量E^*的大小用复数模量的绝对值表示，称为动态模量E。。

损耗角正切，称为力学损耗因子。该值反映高聚物的内耗，即链段的运动滞后外力的变化。当高聚物分子上具有较大或极性的取代基时会产生很大的内耗(张俐娜等，2003；过丽梅，2002)。

储能模量只反映与弹性形变相关的变化规律，不能反映物质内部与黏性相关的运动及变形规律，对本文所述变形固定机理的论证意义不大，略去其温度-储能模量谱图。

2 结果与分析 2.1 落叶松试验结果与分析

由图 1可以看出试材均出现2个明显的内耗峰，图中左面的内耗峰是高聚物的次级松弛，是木材中半纤维素侧链等极性基团运动松弛形成的，该峰值的高低能半定量估测高聚物的支化程度(张俐娜等，2003)。如距表面4 mm的压缩材比素材内耗峰低，且弛豫时间缩短，说明水蒸气处理后半纤维素降解并凝聚使其支化度下降，即松弛时的内耗降低，黏滞性减小，使压缩材尺寸稳定性和变形固定效果增强；距表面0.5和2 mm的压缩材因密度大幅度增加而使其总体内耗略高于素材，而其内耗峰比素材平坦和窄说明总体黏滞性下降。图中右面的内耗峰是高聚物的主转变，即玻璃化转变。可见，压缩材峰值比素材高，转变起始点也比素材左移，特别是距表面0.5 mm处更为明显，这可能是因为在压缩方向上，木材细胞为非刚性串联，压缩时距木材表面越近的细胞变形越大，形成压缩材表面处木材密度最大(刘一星等，2004；赵钟声，2003; Liu et al., 2000)，水蒸气处理后半纤维素降解量及木质素低分子化程度增加，低分子量高聚物距压缩材表面越近其所占比例越大，使该处高聚物的玻璃化转变起始温度降低显著，且大量短链距的低分子质量高聚物在玻璃化转变开始时摩擦阻力增大，黏性内耗增加，使DMA测试时的振动损耗加大，损耗模量峰值大幅度提高。

由图 2可见在高聚物玻璃化转变前，落叶松压缩材的损耗角正切曲线比素材明显降低。因为水蒸气处理使木材组成物质半纤维素降解，其侧基、支链等极性基团被一定程度饱和，次级转变内耗峰都比素材低，材料的黏滞性下降明显，损耗角所代表的应变对应力的滞后减小，DMA图形中的损耗角正切值降低明显。曲线中段(小于300 ℃)的峰值区域主要为高聚物由玻璃态转变为高弹态的区域，由于玻璃化转变是在一个温度区间内完成的，压缩木表层因压缩使其压缩应力最大，水蒸气处理后木质素因降解而低分子化程度最大，低分子质量的高聚物比例增大，使玻璃化转变起始温度显著降低，距表面0.5 cm的曲线最为明显。这种发生在压缩率最大层面的木材主要构成物质的大量降解和低分子化及由此引起的高凝聚状态，使压缩材的黏性蠕变恢复丧失，压缩变形最终得以完全固定。曲线后段的上升为高聚物的黏流态转变。

2.2 大青杨试验结果与分析

由图 3可以看出水蒸气处理大青杨实体压缩材与落叶松类似，也出现次级松弛和主松弛，次级松弛机理与落叶松相似；距压缩材表面0.5 cm处主转变出现双峰结构，即高聚物形成双相交联结构，使其在玻璃态的稳定性比落叶松更好(赵钟声，2003)。落叶松并未出现这种现象，这可能与2树种中半纤维素、木质素所占比例及降解开始温度不同有关。各层的损耗模量曲线变化趋势与落叶松类似，即随着距压缩材表面距离的增大，损耗模量值降低加大。因为材料密度大，单位体积内物质增多使DMA测试时损耗模量也有所增大；材料降解及之后的凝聚，压缩材的黏滞性下降，使DMA测试时的损耗模量值降低。

由图 4可见，当温度低于高聚物玻璃化转变温度时(次级松弛区域)，大青杨压缩材的损耗角正切值均比素材低。因为水蒸气处理后，木材组成物质的侧基、支链等极性基团降解或被饱和，高聚物的支化度下降，次级转变内耗峰大都比素材低，材料的黏滞性明显下降，损耗角所代表的应变对应力的滞后减小，使得随着距压缩材表面距离的增加，DMA图形中的损耗角正切值降低明显，机理与落叶松类似。在压缩材表面处(距表面0.5 mm)主转变的起始温度大幅度降低。因水蒸气处理后，压缩材表面处低分子质量高聚物所占比例最大，在玻璃化转变时低分子质量高聚物先被激活，使转变开始的温度降低，转变的温度区域增宽。在水蒸气处理压缩材时，其半纤维素大量降解、应力充分释放，木质素低分子化并在冷却过程中分子间形成高凝聚态，抑制了其黏滞性蠕变恢复，形成压缩材得以最终变定的主要原因。

3 结论与讨论

2树种素材和水蒸气处理压缩矩形材的损耗模量均出现明显次级松弛和主转变，次级松弛阶段压缩材总体黏滞性下降，主转变的内耗峰由压缩矩形材里层至表层左移和峰值渐次增大，说明压缩矩形材经水蒸气定型处理后，半纤维素和木质素发生了大量的降解和低分子化，使压缩材黏性损耗降低、低分子质量分子比例增加。

次级松弛阶段2树种压缩材损耗角正切值均比素材低，即水蒸气处理使压缩材的黏性滞后明显降低，带来尺寸稳定性和变形固定效果增强；在玻璃化转变开始阶段压缩矩形材表层因低分子质量高聚物数量剧增，摩擦损耗增加，损耗模量峰值大幅度提高。

距表面0.5 cm的压缩材表面处出现明显的玻璃化转变起始转变温度大幅度降低现象。说明高温水蒸气处理使发生在压缩率最大层面的木材主要构成物质半纤维素、木质素的大量降解和低分子化及由此引起的高凝聚状态，使压缩材的黏性蠕变恢复丧失，(在前期半纤维素降解、应力充分释放的基础上)压缩变形最终得以完全固定。