Rubin 2021-06-09

时域核磁共振用于木材水分研究

时域核磁共振作为一种高效、无损的检测技术,现已广泛应用于食品、化学、医学、制药等领域.通过时域核磁共振技术也可对木材水分进行研究。

木材是一种多孔介质,时域核磁共振所测得的信号大部分来自于木材孔隙内的水分。孔隙内的水分主要发生三种弛豫机制,一种为体弛豫(bulk relaxation),是指多孔介质孔隙内液体固有的弛豫机制,这与大多数液体体系的弛豫机制相同,其弛豫的快慢由液体的物理属性(粘度和化学成分)决定而与孔隙本身无关,通常发生在尺寸很大的孔隙内部或裂缝中。

另一个是扩散弛豫(diffusion-induced relaxation),是受孔隙内液体本身自扩散影响的弛豫机制,扩散只会影响体系的横向弛豫而不会影响体系的纵向弛豫,因此,只存在横向扩散弛豫。最后一种为表面弛豫(surface relaxation),是与多孔介质孔隙大小相关的弛豫机制,该弛豫发生在液体与固体的接触面,其弛豫的快慢由孔隙大小来决定,孔隙越小,弛豫的速度越快,通常发生在尺寸较小的孔隙内部。

当孔隙内的液体为水且磁场梯度近似为零的条件下,多孔介质体系的横向弛豫时间和纵向弛豫时间只与多孔介质的孔隙结构有关系,主要受体系的表面弛豫机制影响,而近似与其他两类弛豫机制无关。木材的NMR弛豫特性主要取决于固-液界面引起的表面弛豫过程。

时域核磁共振技术测定T2图谱及MRI图像,可观察木材饱水下不同相态的水分分布情况,离线观察木材干燥过程中的水分迁移过程。通过烘干及重水复原的实验,证明了NMR能采集到一部分木材骨架的信号,通过差谱法可得到水分的T2谱。在排除水分散失、结构变化的情况下,随着温度升高,NMR采集到木材的信号量不断下降,弛豫时间变短。

 

从MRI成像图中,可以清晰的看到木材的年轮以及木射线等信息,可离线监测木材烘干过程的水分变化及水分迁移情况,由于核磁无损、快速的特点有着其他方法不具备的优势。