木材の粘弾性

Abstract

木材の変形は時間の影響をうけ, クリープや回復の現象があらわれ, その応力一歪み関係は図2 ･ 1に示したように荷重速度の影響をうける｡ しかもその流動図は, 式 (1--1) より明らかなように原点を通り, 木材のレオロジー的性質は粘弾性を示すことがあきらかである｡ また木材の応力一歪み曲線は周知のように, 他の条件が一定であれば湿度が増加するにつれて歪みの座標軸に近づいてくる｡ また, 図2 ･ 1にみるように, 曲線は荷重速度が小さくなるほど歪みの軸に近づき, さらに図2 ･ 2は温度の上昇が同様の効果を生ずることを示している｡ すなわち, 水分や温度の増加と, 時間の増加とは木材の力学挙動に類似の影響を与える｡ なお, 図2 ･ 2のデーターの変形の大きい部分に着目して非線型三要素模型により解析して, 式 (2--4) における常数βの値を求めると, 10に近い値をとり, 温度の上昇とともに, その値は小さくなって, 流動しやすくなることを示す｡ しかし, 木材の大変形に関するより精密な理論的研究を将来に期するには, まずその基礎となる小変形について理解を深めておく必要がある｡ 木材の小変形についてその静的粘弾性現象をみると, 重ね合わせ試験などの結果から, stress leve1にして30%以下, 歪みにして0.7 ~ 1%以下では線型粘弾性を示すことが分る｡ それで, 実測されたクリープコンプライアンス曲線や緩和弾性率曲線から遅延時間や緩和時間の分布を求めて温度や水分の影響をみると, 温度の上昇につれて分布は短時間側に移行するが, 時間--温度の換算則は厳密には成立せず, 又, 非結晶域における鎖状分子間の架橋作用をなして木材の吸湿性を著しく低下させるフオルムアルデヒド処理がスペクトルをより長時間側に移行させることなどが明らかとなって, 木材の粘弾性現象が主に木材実質の非晶領域にある鎖状分子の運動にもとずくことや, その運動状態が均一に温度の影響を受けないことが分る｡ さらに数種の合成高分子材料と比較すると図3 ･ 10にみるように, 木材は結晶高分子材料と同様の挙動を示す｡ 木材の変形における非晶領域の寄与を考察するために変形をさらに小さく限って動的ヤング率と水分との関係に着目する｡ 一般に木材の弾性率は, 細胞の変形に関与する項Cと細胞膜実質の弾性率Mとの積CMで与えられるが, 環境因子は主に後者に影響するものとみなせる｡ それでは, 組成分の中の何が最もMに影響するかをみると, 種々の化学的処理や熱処理にともなう弾性率変化の検討からそれはセルローズ分子であることが明らかになった｡ さらに熱弾性に関する実験結果は, 木材の弾性がエントロピー弾性ではなくて非理想的なエネルギ弾性であることを示した｡ 以上の考察に基いて, Nissan の理論における仮定が木材の非晶域において近似的に妥当と考えてその理論を修正し, ヤング率--含水率曲線の勾配から非晶領域にある水素結合のヤング率への寄与を求めた結果は, 表4 ･ 4にみるように, 例えばブナ材半径方向については84%に達している｡

This review involves a present interetation on the viscoelasticity of wood, and the gist is as follows. (1) Over high strees range, wood appears to follow the Eyrings non-linear three element theory of viscoelasticity qualitatively well. (2) But within the low stress range, the Leadermans' superposition test is nearly as apt and creep compliance D (log t), recovery compliance D (log t) and relaxation modulus E (log t) are independent of the magnitude of the load. These facts suggest that wood behaves as a linear viscoelastic material. (3) Translating horizontaly along the logarithmic time axis the superposition of the creep compliance curves D (log t) and relaxation modulus curves E (log t) that are determined at different temperatures are found incomplete. But when these curves are smoothed out and differentiated by logt, the slope of the curves obtained are analogous to the relaxation time spectra measured for a long time scale. (4) The phenomenological functions of the viscoelasticity of wood which are derived from the above data of D (log t) and E (log t) by the approximate calculation listed in Table 3･4 are compared with those of several polymers in Fig. 3･10. From these figures it is clear that wood exhibits a considerable degree of glass-like behavior. The positive value of the entropy of deformation of wood shows that the above is a fact. (5) It will be assumed that the technical modulus E consists of two components En and En, where En is contributed with H-bond in the amorphous area, and that the decrease in modulus E will be caused by the breaking of these H-bonds in the intermoeclar chains. From these postulations the contribution of H-bond to Young's modul EL and ER is quantified.