榆木順紋壓縮率和PDR的變化規(guī)律研究

張 燕，宋魁彥，佟 達

(東北林業(yè)大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

隨著人們生活質量的提高，對于家具造型美觀的要求也不斷提升，曲木家具作為一種家具的制造形式，越來越受到消費者的關注。傳統(tǒng)曲木家具的制造是將實體木材軟化后進行機械加壓彎曲，這樣所獲得的彎曲部件曲率半徑較大、成功率較低，不能滿足現(xiàn)代家具造型美觀和多樣化的需求。木材進行順紋壓縮后可以提高木材的彎曲曲率半徑［1－2］，木材順紋壓縮率和順紋壓縮回彈永久變形率 (PDR－Permanent Deformation Rate)變化規(guī)律的研究是木材順紋壓縮機理研究的重要組成部分，對于減小木材的彎曲曲率半徑，提高曲木家具制造的水平具有較好的實踐意義。榆木是東北主要樹種之一，且具有良好的彎曲性能。木材進行堿液處理后，其中半纖維素、木質素發(fā)生降解，使微纖絲間的聯(lián)接減弱，細胞壁發(fā)生分層，當受到拉應力或者壓應力時，微纖絲間會較容易產(chǎn)生滑移，削弱了木材的力學性能［3－6］。同時堿液也可能對纖維素的結晶區(qū)產(chǎn)生一定的影響，因此堿液處理可以顯著降低木材的力學性能，有利于木材的順紋壓縮［7－8］。本文研究了經(jīng)堿液處理后榆木順紋壓縮率和PDR的變化規(guī)律以及其回彈性質。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

榆木試材采自黑龍江省帽兒山實驗林場，選取胸徑處直徑為24～26 cm的原木，并在離地1.2～1.9 m處取得試驗的原木樣段，在每段木材靠近樹皮部分取得成熟材，靠近髓心部分取得幼齡材，幼齡材和成熟材試材的尺寸為270(縱向) ×16(徑向) ×16(弦向)mm。

1.2 堿液處理

將榆木的幼齡材和成熟材放入由NaOH和改性劑組成的溶液當中，常溫常壓下處理240～300 min，軟化方案分為A、B、C。軟化方案A的NaOH質量分數(shù)為4%～5%，改性劑質量分數(shù)為10%～15%;方案B中NaOH質量分數(shù)為6%～7%，改性劑質量分數(shù)為10%～15%;方案C中NaOH質量分數(shù)為8% ～9%，改性劑質量分數(shù)為10%～15%。

1.3 木材順紋壓縮測試

木材順紋壓縮試驗采用萬能力學實驗機，并配以順紋壓縮模具，以3 mm/min的壓縮速度分別對木材榆木幼齡材和成熟材試材進行順紋壓縮，利用振動無損檢測的方法測定并計算有效的木材最大順紋壓縮率和PDR。

1.4 木材壓縮回彈試驗

當榆木幼齡材和成熟材試材順紋壓縮達到最大壓縮率時，保持試材壓縮率不變，即保持壓縮量穩(wěn)定的時間為2～5 min后進行卸壓，試材開始發(fā)生回彈現(xiàn)象，每隔一定時間測定回彈的變化，直到回彈基本穩(wěn)定為止。

2 結果與討論

2.1 順紋壓縮率和PDR

榆木幼齡材和成熟材試材進行順紋壓縮后的試驗結果見表1:在順紋壓縮過程中，采用軟化方案為A進行軟化時，幼齡材和成熟材試材順紋壓縮率均可以達到19%，幼齡材和成熟材的PDR平均值分別為2.98%和2.97%;當繼續(xù)增加順紋壓縮率，達到20%壓縮率時，幼齡材和成熟材的順紋壓縮成功率分別降低為20% 和80%;當采用軟化方案為B進行軟化時，成熟材的順紋壓縮率可以達到21%，PDR的平均值為4.45%，幼齡材則無法達到21% 的順紋壓縮率，在順紋壓縮率為20%時，幼齡材的順紋壓縮成功率為60%，當順紋壓縮率增加為22% 時，成熟材順紋壓縮成功率為60%。當軟化方案為C時，成熟材的順紋壓縮率可以達到19%，PDR的平均值為3.59%，而幼齡材則無法達到，在順紋壓縮率為19%時，幼齡材順紋壓縮成功率僅為20%，當在順紋壓縮率為20% 時，成熟材順紋壓縮成功率為60%。

表1 榆木試材順紋壓縮率和PDR試驗結果Tab.1 Longitudinal compressive ratio of elm samples and results of PDR test

經(jīng)過堿液處理后，榆木木材的成熟材的順紋壓縮率和成功率均高于幼齡材，幼齡材的PDR值的標準差和變異系數(shù)均大于成熟材，說明幼齡材的順紋壓縮過程較不穩(wěn)定。在相同的壓縮率條件下，成熟材的PDR值小于幼齡材，當溶液中的NaOH的質量分數(shù)較低時，木材沒有得到充分軟化，半纖維素和木質素降解量較少，氫氧化鈉溶液中的Na+以“水合離子”的形式帶入纖維間發(fā)生潤脹作用的水分子較少，木材微纖絲纖維素分子鏈間距離增大不多，木材的順紋壓縮過程較困難，順紋壓縮的PDR值較小;隨著溶液中NaOH濃度的升高，順紋壓縮的PDR值升高，但是成熟材的標準差和變異系數(shù)也有所增加，受軟化程度影響，壓縮過程中的個體差異性增大。但是當溶液中的NaOH的質量分數(shù)較高時，木材軟化過度，順紋壓縮成功率也大大降低，且對幼齡材影響更為明顯，當溶液中的NaOH的質量分數(shù)為6%～7% 時，軟化程度適中，木材的順紋壓縮率最大，隨著順紋壓縮率的增加，榆木的順紋壓縮PDR值也有所增加。

2.2 順紋壓縮回彈分析

將順紋壓縮率和PDR值較大的軟化方案B的試材進行順紋壓縮恢復試驗。將堿液處理后的榆木順紋壓縮至最大順紋壓縮率后，保壓2～5 min，使經(jīng)軟化處理后壓縮發(fā)生滑移和卷曲的榆木分子鏈重新形成新的化學鍵。隨后泄壓發(fā)生恢復，其順紋壓縮恢復曲線如圖1所示，幼齡材和成熟材均在開始的1 min內木材即刻發(fā)生恢復，隨后木材的恢復曲線變緩，恢復量表現(xiàn)出平滑的遞增趨勢，而在15 min后，恢復量不再增加，曲線變得平穩(wěn)。幼齡材在1 min瞬時恢復后的回彈余量均大于成熟材，但在1 min內的恢復卻較小。

圖1 堿液處理榆木順紋壓縮恢復曲線Fig.1 The rebounding curve of longitudinal compressive elm wood with Alkali treatment

榆木幼齡材和成熟材試材的恢復曲線可以分為3個階段，首先是瞬時恢復的彈性變形恢復階段，在此階段木材受順紋壓縮應力發(fā)生滑移或卷曲而沒有形成化學鍵的微纖絲發(fā)生彈性恢復，恢復速率較快;其次是緩慢的彈塑性變形恢復階段，在此階段，由于順紋壓縮使木材的內部應力增大，微纖絲間部分重新形成的化學鍵發(fā)生斷裂，隨著時間的延長使應力得以釋放，表現(xiàn)為緩慢的恢復現(xiàn)象;最后的塑性變形階段，木材發(fā)生永久變形，不再進行恢復，木材中產(chǎn)生的應力與新形成的化學鍵鍵能平衡。幼齡材木質素的含量高于成熟材，在壓縮過程中木質素交聯(lián)的網(wǎng)狀結構制約幼齡材的順紋壓縮，所以幼齡材的最大順紋壓縮率和PDR值較小，同樣，在回彈過程中的速率也較低，雖然幼齡材的回彈余量較高，但是其起始的壓縮量也較小，所以回彈速率仍為幼齡材小于成熟材。

3 結論

(1)采用軟化方案B，即NaOH的質量分數(shù)為6%～7%，改性劑的質量分數(shù)為10% ～15%時，獲得最大順紋壓縮率和PDR值;在相同順紋壓縮率的條件下，隨著溶液濃度的升高，木材的PDR值升高，成熟材的PDR值小于幼齡材。

(2)榆木幼齡材和成熟材試材的順紋壓縮恢復曲線分為3個階段，分別為瞬時恢復的彈性變形恢復階段，緩慢恢復的彈塑性變形階段和出現(xiàn)永久變形的塑性階段;幼齡材的恢復速率小于成熟材。

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