木质材料的动态黏弹性是指在交变的应力、应变作用下发生的滞后现象和力学损耗(徐有明，2006)，是影响材料加工利用的重要因素。研究表明：木材在不同的含水率下，或经干燥、压缩等不同处理后，其动态黏弹性均会发生改变(蒋佳荔等，2006; 2008;赵钟声等，2008)，因此在实际应用中，木质材料所承受的动态交变载荷作用及其加工利用条件均会影响其动态黏弹性质。竹材具有优良的力学性能，不仅具有足够的弹性刚度，保持形状稳定性，而且具有一定的黏性，避免了脆性破坏，近年来在木质材料加工领域受到广泛青睐。然而在竹制品的生产过程中，许多工序都会影响竹材的力学性质，如竹片的热处理、软化展平、竹胶合板材及竹刨花板的热压工艺等，均会使竹材的黏弹性发生改变，从而影响竹质产品的质量和使用范围(江泽慧，2002; 涂道伍等，2007; 邵卓平，2003)，因此在竹材的功能性改良领域，研究改性工艺对竹材动态黏弹性质的变化不容忽视。

20世纪60年代，γ射线辐照技术开始应用于木质材料领域，并取得了很多有意义的成果，利用辐射法生产塑合木相比于传统的触媒法，不仅克服了材料尺寸和形状对加工工艺带来的不便，而且有利于环保及节约能源(Burmester, 1996; Gota et al., 1974; Aoki et al., 1977)。因此将γ射线辐照技术引入竹材的功能性改良及加工利用领域，使γ射线辐照代替竹材化学防护剂、辐射能代替热能，不仅可以显著降低竹材改性的能源消耗，而且对于竹材的功能性改良和竹塑复合材料的研发具有重要的研究价值和实践意义。有关γ射线辐照对竹材动态黏弹性的影响至今未见报道。基于此，本文对辐照前后竹材的动态黏弹性进行测试，研究γ射线辐照过程中竹材动态黏弹性的变化规律及影响机制，对于探索γ射线辐照技术在竹材领域中的应用前景具有重要的理论价值。

1 材料与方法 1.1 试验材料

本文以毛竹(Phyllostachys edulis)为研究对象，试材采自浙江省杭州地区，竹龄为4年。将毛竹加工制成精刨竹条(图 1)，然后选取颜色、密度相近的精刨竹条，制成300 mm(L)×20 mm(R)×5 mm(T)的竹块试样，并随机分组。

1.2 辐照工艺

将精刨竹条在合肥(国家)林业辐照中心进行辐照处理，辐照光源为⁶⁰Co，剂量率是4.4 kGy·h^-1, 辐照剂量分别为10，20，30，50，100，300，500，1 000 kGy。

1.3 试样制备

将辐照剂量为0(未辐照竹材)，10，20，30，50，100，300，500，1 000 kGy的竹材锯解，取断面为35 mm(L)×20 mm(R)× 5 mm(T)的精刨竹条，如图 2a所示；沿竹材轴向将其截取一根断面为35 mm×(L)×12 mm(R)× 5 mm(T)的试条，如图 2b所示；在试条上沿弦向靠近竹青处锯取薄竹片，如图 2c所示，尺寸为35 mm(L)×12 mm(R)×2.5 mm(T)；每组竹材制取3片试样，如图 2d所示。将试样放入恒温恒湿箱(温度21 ℃、湿度44%)调节含水率至12%。

1.4 试验方法

按照动态热机械分析仪(DMA Q800) 的使用要求校准设备，根据试验要求设定DMA的测试参数温度范围为40~300 ℃、升温速度是2 ℃·min^-1、测量频率为3 Hz。采用单悬臂梁弯曲形变模式，如图 3所示，弯曲变形模跨距为18 mm，振幅为15 μm，沿试样弦向进行弯曲。采用动态力学分析仪(DMA)对不同含水率干燥处理材的存储模量(E′)和损耗模量(E″)的计算公式如下：

式中：σ₀, ε₀分别表示应力和应变；F₀, D₀分别表示荷载幅值和位移幅值；K_σ, K_ε分别表示应力和应变常数。

2 结果与分析

为了消除竹材试样自身的差异对试验结果的影响，采用相对存储模量和相对损耗模量来代替存储模量和损耗模量，其中，相对存储模量E′/E₀′为任一温度下的存储模量E′与试验起始温度(40 ℃)下存储模量E₀′的比值，相对损耗模量E″/E₀″为任一温度下的损耗模量E″与40 ℃时损耗模量E₀″的比值。

2.1 γ射线辐照对竹材储存模量的影响

图 4是辐照剂量分别为0(未辐照竹材)，10，20，30，50，100，300，500，1 000 kGy竹材的相对存储模量(E′/E′₀)在3 Hz测定频率下的温度谱。从图中可以看出：随着温度的升高，辐照前后竹材的相对存储模量均呈减小趋势。这是因为温度升高，木材分子热运动能量逐渐增加，低温条件下一些小尺寸单元，如侧基、支链、主链或支链上的各种官能团以及个别链节的运动逐渐转变成链段或链段某一部分的运动，因此存储模量值减小(何曼君等，2000)。当温度在40~60 ℃之间时，辐照前后竹材的相对存储模量变化相对比较一致，降低幅度并不明显；当温度升至60 ℃以上时，未辐照处理竹材的相对存储模量下降幅度较为平缓，并且整个升温过程中未出现明显降低的拐点。而辐照后竹材，随着辐照剂量的增加，其相对存储模量在升温过程中的下降幅度则越发显著，当辐照剂量高于20 kGy后，竹材的相对存储模量在150~200 ℃之间出现了明显拐点，表明竹材经γ射线辐照处理后，化学性质发生了变化，升温的过程中化学组分分子链的活动更加剧烈，使得存储模量降低幅度加快。

2.2 γ射线辐照对竹材损耗模量的影响

辐照剂量为0(未辐照竹材), 10, 20, 30, 50, 100, 300, 500, 1 000 kGy竹材的相对损耗模量(E″/E″₀)-温度变化曲线如图 5所示。从图中可以看出：随着温度的升高，辐照前后竹材的相对损耗模量均呈现增大趋势。升温过程中出现了2个力学松弛阶段：其一是发生在130~150 ℃附近的α力学松弛过程; 其二是出现在200~250 ℃附近的β力学松弛过程。根据对木质材料中纤维素、半纤维素和木质素玻璃化转变温度的研究可知，木质素的玻璃化点为130~205 ℃，半纤维素的玻璃化点为150~220 ℃，纤维素的玻璃化点为200~250 ℃，而由于水分的存在，三者的玻璃化点会降低。因此，在动态黏弹性测试中，纤维素的玻璃化转变常发生在240 ℃左右，木质素和半纤维素的玻璃化转变常发生在200 ℃以下(Back et al., 1982)。由此可知，辐照前后竹材在升温过程中的α力学松弛是由半纤维素和木质素发生玻璃化转变引起的(蒋佳荔等，2006; Backman et al., 2001)，β力学松弛过程则是由于纤维素的玻璃化转变引起的。

从图 5中还可以观察到，竹材未经辐照处理前，α损耗峰不显著，经辐照处理后，随着辐照剂量的增大，α损耗峰逐渐变大。这主要是由于未辐照竹材内木质素、半纤维素均为非晶态高聚物，二者黏合在一起，分子的能量很低，链段运动被冻结，以致测不出链段运动所表现的改变。竹材经γ射线辐照后，半纤维素和木质素会发生降解、聚合反应，使得二者之间的结合更加紧密，从而使升温过程中α损耗峰增大。另外，β力学松弛过程主要是由纤维素的玻璃化转变引起的，纤维素属于部分结晶高聚物，是以结晶相和无定型相共存的两相体系，其存储模量介于晶相存储模量和非晶相存储模量之间，由于晶相存储模量高于非晶相存储模量，所以部分结晶度高聚物的结晶度越高其损耗模量越高。未辐照竹材升温过程中β损耗峰强度较大，说明竹材结晶度比较高，纤维素分子链之间的结合力比较大；当辐照剂量在10~100 kGy时，竹材β损耗峰强度略有升高，主要是由于此剂量范围内，竹材纤维素分子链发生了聚合反应，其相对结晶度略有升高所致；当辐照剂量高于100 kGy以后，竹材的β损耗峰强度明显降低，且随着辐照剂量的增加，降低的幅度更加明显。这说明γ射线辐照使竹材内纤维素的降解反应加剧，纤维素分子链之间的结合力降低，相对结晶度降低。

3 结论

1) 辐照前后竹材的存储模量随着温度的升高而降低，存储模量的降低幅度随着辐照剂量的增加而增大。未辐照竹材的存储模量随温度升高降低幅度小，辐照处理后竹材的存储模量随温度升高降低幅度大，表明γ射线辐照处理致使竹材的刚度下降。

2) 动态黏弹性测定过程中，随着温度的升高，辐照前后竹材出现了2个力学松弛过程：一个是出现在130~150 ℃附近的α力学松弛过程，主要由木质素和半纤维素的玻璃化转变引起；另一个出现在200~250 ℃附近的β力学松弛过程，主要由纤维素的玻璃化转变引起。其中α损耗峰强度随着辐照剂量的增加而逐渐增大，说明辐照使竹材木质素和半纤维素发生降解、聚合反应，增强了二者之间的黏结作用；而β损耗峰的强度呈现先升高后降低的趋势，说明辐照过程中纤维素的化学反应，既有聚合又有降解，但随着辐照剂量的增加，最终表现为降解反应。