微米木纖維頸椎夾板的制備及其彈性模量模型

張 楊，馬 巖

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

微米木纖維頸椎夾板的制備及其彈性模量模型

張 楊，馬 巖

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

為制備出在強度上滿足醫(yī)用條件的頸椎夾板，以微米級的木纖維為材料，通過對密度0.439 g/cm3、含水率12%～15%的毛白楊進(jìn)行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)木材內(nèi)部呈現(xiàn)穩(wěn)定的蜂窩狀單向多孔結(jié)構(gòu)，用其切削出平均厚度為52 mm的木纖維，具有良好的韌性和強度，經(jīng)過模壓可用于制造醫(yī)用頸椎夾板。對木纖維不同鋪裝狀態(tài)下的彈性模量進(jìn)行計算，得出了在模壓過程中纖維尺寸、密度、壓縮量、施膠量、膠合程度等因素都會對夾板彈性模量產(chǎn)生一定的影響。

微米木纖維板；毛白楊; 醫(yī)用頸椎夾板；制備；彈性模量模型；高壓縮比

近年來，醫(yī)學(xué)界對生物醫(yī)用材料要求提高，要具有很好的吸附性、通透性，以及與人體皮膚的相容性，并且要制成具有一定彈性和可塑性的輕質(zhì)材料[1]，對生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能要求更加苛刻，傳統(tǒng)的金屬與非金屬合金材料在制造醫(yī)用材料的過程中越來越不能滿足使用要求。微米木纖維生物醫(yī)用材料是以木質(zhì)材料為基材,利用木材工業(yè)新型纖維加工技術(shù)，獲得微米厚度、長度的微米長纖維，通過模壓制成滿足醫(yī)學(xué)要求的特定形狀、性能指標(biāo)的新材料[2-4]。這種由微米級木纖維制成的醫(yī)療用具超出了傳統(tǒng)木材的概念，對于人體皮膚而言是一種具有良好的透氣性、相容性、高壓縮比、高彈性模量的生物醫(yī)用材料[5-9]。

為了滿足今后生產(chǎn)與使用的要求，需要對木纖維制成夾板后所具有的力學(xué)性能進(jìn)行研究，木纖維的鋪裝方向、厚度、密度及彈性模量對頸椎夾板的性能均有一定影響[10-12]。現(xiàn)階段的研究主要集中在微米木纖維頸椎夾板的彈性模量計算上。筆者根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)骨傷夾板設(shè)計理論，從材料微觀組織方面研究骨傷夾板特性[13-15]，在木纖維隨機鋪裝的前提下，計算其彈性模量，分析微米木纖維頸椎夾板的力學(xué)性能。

1 纖維夾板的制備

1.1 試驗材料

實驗?zāi)静倪x用毛白楊Populus tomentosa，密度為0.439 g/cm3，含水率為12%～15%。毛白楊徑向與橫向截面的微觀組織形態(tài)見圖1。從圖1a中可以觀察到木材內(nèi)部呈現(xiàn)細(xì)長的蜂窩狀單向多孔結(jié)構(gòu)，孔的形狀呈方形和多邊形（見圖1b）。利用木材這種蜂窩狀單向多孔結(jié)構(gòu)的特征，在切削木纖維時，通過控制刀具半徑及角度來控制木纖維的厚度，切削會破壞木材細(xì)胞蜂窩狀多孔的結(jié)構(gòu)，通過微米木纖維的定向重組加工，從而生產(chǎn)在結(jié)構(gòu)上完全沒有缺陷的木纖維重構(gòu)人造木。

圖1 毛白楊的顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of Populus tomentosa wood fiber

1.2 纖維夾板的制備工藝

制備微米木纖維時，采用長刨花切削機先將木材沿軸向切削出平均厚度為52 mm的微米木纖維。當(dāng)木纖維達(dá)到這個厚度時會非常柔軟，這一點達(dá)到了醫(yī)用生物材料的要求?？紤]到頸椎夾板的制作，刨削完成以后，將木纖維打碎成寬度為4～8 mm、長度為15～30 mm的纖維絲，纖維的絮狀形貌如圖2所示。模壓密度最大為1.05 g/cm3，平均密度為0.76 g/cm3，一般施加最大壓力為7 MPa。每75 g微米木纖維配脲醛樹脂膠30 mL，施膠前將膠放在玻璃容器中加熱至60～70℃，使膠變稀，可提高拌膠均勻性。加熱至150～180 ℃，保溫10 min，脲醛樹脂膠產(chǎn)生固結(jié)，由于壓力較大，必須保壓2.5～3 h，當(dāng)模具溫度降低為室溫后才可開起模具，否則模壓件會由于突然減壓而開裂，不能成型。

圖2 毛白楊刨削后的木纖維形態(tài)Fig.2 Wood fiber morphology of P. tomentosa after planed and cut

圖3 微米木纖維的微觀組織Fig.3 Microstructure of micron wood fiber

1.3 纖維夾板微觀結(jié)構(gòu)分析

所制備的毛白楊微米木纖維頸椎夾板模壓后斷面的SEM照片見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)木纖維斷面是成不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)形式，相比毛白楊單位面積上的孔穴更加細(xì)小，分布更加密集。這種材料的多孔結(jié)構(gòu)具有良好的吸能效果，并且與人的皮膚毛孔結(jié)構(gòu)類似，因此推斷會具備良好的吸附型及通透性。從孔穴分布來看，纖維橫向受力上具有一定的彈性特征，可觀察到纖維絲排布規(guī)則緊密，加入膠液后增強了木纖維的結(jié)合強度，從而使其制成的材料在具有一定強度的同時，還具有良好的韌性與彈性，這就提高了夾板的舒適性。

由于制備時木纖維在空間中是隨機分布的，所以木纖維內(nèi)部的單向多孔結(jié)構(gòu)也在頸托中沿各個方向分布，多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間立體化，這使得制備的夾板在各個方向既保持一定的強度，又具有很高的韌性，從而提高了這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)夾板的舒適度和治療效果。

2 纖維夾板的彈性模量模型

2.1 彈性模量的理論分析

頸椎夾板的彈性模量分析模型如圖4所示，下半部分作為微米木纖維頸椎夾板的強度計算單元，對其而言，當(dāng)外力作用于頸椎夾板時，如果其符合復(fù)合材料力學(xué)中正交各向異性材料條件，那么應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為：

其中：Ert為彈性模量(XOY平面內(nèi))；El為彈性模量 (z方向 )；εn為應(yīng)變 (n方向 )；λnm為應(yīng)力在n方向上橫向應(yīng)變的泊松比；Grt為切變模量；σn為n正應(yīng)力(n方向)；γnm為切應(yīng)變(n、m平面內(nèi))；τnm為切應(yīng)力 (n、m坐標(biāo)軸 )。n=r，t，l；m=t，l，r，其中r為n與x軸坐標(biāo)夾角；t為n與z軸坐標(biāo)夾角；l為n與y軸坐標(biāo)夾角。

圖4 頸椎夾板強度計算單元分析模型Fig.4 Analysis model of strength calculation unit of cervical splint

在模壓夾板過程中纖維的方向存在著一定的隨機性。纖維在沒有受到任何壓力作用下，其分布的方向是任意的，受到壓力作用后，纖維分布的方向存在于XOY平面內(nèi)，但也會有少量纖維分布于Z方向（見圖5），由于其并不影響計算，所以可忽略不計。綜上所述，假設(shè)模壓后纖維分布方向為理想狀態(tài)（XOY平面內(nèi)）。

圖5 木纖維鋪裝的坐標(biāo)關(guān)系Fig.5 Coordinate relation of wood fiber pavement

在此前提下，設(shè)在XOY平面內(nèi)各方向上Ert相同，但微米木纖維頸椎夾板的Ert與主方向上的彈性模量El的應(yīng)力方向是不同的，在整個平面內(nèi)積分，積分后可以滿足以下關(guān)系[16]：

將式（3）看作為在Ert方向上求解El的平均值，因此就能將E1rt假設(shè)為在Ert方向上的木纖維彈性模量，那么，定向異型模壓木纖維頸椎夾板彈性模量就可以假設(shè)成是由E1rt所構(gòu)成。說明理論上在Ert與El兩者應(yīng)變相同的情況下，定向模壓木纖維夾板的強度相當(dāng)于非定向模壓的5倍左右。

2.2 纖維夾板彈性模量模型分析

式（3）充分地說明了鋪裝時工藝上的影響會帶來木纖維不同方向承載能力不一樣，會產(chǎn)生夾板強度下降的問題。它卻不能體現(xiàn)加工過程中其他因素對強度的影響，如：纖維尺寸、密度、膠合強度、施膠量等因素。所以，只用式（3）分析其彈性模量是不準(zhǔn)確的，施膠量對木纖維夾板彈性模量的影響[17]為：

式中：Eg為膠料的彈性模量；Vm為微米木纖維頸椎夾板的體積率；K為膠料與頸椎夾板的體積比，即施膠率。

根據(jù)經(jīng)驗，一般情況下使用脲醛膠時，Eg為El的1.3倍左右。這里引用超薄刨花強度增加系數(shù)R來說明木纖維微米化后對夾板彈性模量的影響為：

式中：ρm為微米木纖維頸椎夾板的密度；Φ為超薄刨花的孔穴壓縮變化率。

當(dāng)微米木纖維壓制成頸椎夾板的孔穴比值大于原來木材細(xì)胞的孔穴比值時，Φ＞0；小于原來木材細(xì)胞孔穴比值時，Φ＜0；在兩者相等時，Φ=0。

在一定程度上，系數(shù)R可以體現(xiàn)出木纖維夾板壓縮程度給彈性模量帶來的影響。無論用木纖維模壓質(zhì)輕密度低還是高密度的頸椎夾板，其強度上的變化都可以通過這個系數(shù)反映出來。

同樣，這里引用膠合系數(shù)ξ是因為膠合程度也會對木材的壓縮強度帶來一定影響。在膠合完成時，ξ在（0，1）之間變化，ξ=1；如沒有完成膠合，ξ=0；當(dāng)木纖維和膠的膠合狀態(tài)不均時，ξ值由實驗標(biāo)定。

在實際加工中，微米木纖維頸椎夾板經(jīng)壓縮后木纖維在Z向仍有分布，這也會對微米木纖維頸椎夾板的強度產(chǎn)生影響。因此，引入不直系數(shù)L，并且L在（0，1）之間變化，當(dāng)木纖維排列方向完全在XOY平面內(nèi)（Z方向沒有分布時），L=0；當(dāng)木纖維排列方向并沒有完全在XOY平面（Z方向也可能有分布時）內(nèi)，L≠0，其值需要實驗標(biāo)定。

在一般情況下，不采用理論公式來說明ξ和L，其數(shù)值是由實驗檢測和標(biāo)定的。

則可得：

模壓過程中木纖維的壓縮效果同樣會對夾板的強度帶來影響，可由式（8）、（9）表示：

式中：Cy為木纖維壓縮比；vm為自然狀態(tài)下木纖維體積；Cg為膠料壓縮比；vg為自然狀態(tài)下膠料體積；vy為夾板體積。

將公式（8）、（9）代入式（5），則一定程度上反映了壓縮量對Ert所帶來的影響，同時也反映出木纖維壓縮的密度對夾板強度產(chǎn)生的影響。

3 結(jié) 論

（1）密度為0.439 g/cm3、含水率12%～15%的毛白楊，內(nèi)部組織具有穩(wěn)定的蜂窩狀單向多孔結(jié)構(gòu)，具備制成微米木纖維的條件。用其切削出平均厚度為52 mm的微米木纖維，呈現(xiàn)出良好的韌性和強度。

（2）通過對SEM照片的分析，可發(fā)現(xiàn)木纖維夾板斷面形貌是不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)形式，從孔穴分布來看，纖維橫向受力上具有一定的彈性特征，并且纖維絲排布規(guī)則緊密，加入膠液后增強了結(jié)合強度，從而使夾板在具有一定強度的同時，還具有良好的韌性與彈性，提高了夾板的舒適性。

（3）通過纖維夾板彈性模量的建立，描述了在木纖維不同鋪裝狀態(tài)下的彈性模量計算，分析了在模壓過程中纖維尺寸、密度、微米化程度、壓縮量、施膠量、膠合程度等因素對夾板彈性模量均存在一定影響。

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Preparation of micron wood fibre cervical splint and its elastic modulus model

ZHANG Yang, MA Yan
(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

In order to meet the medical criteria in the strength of cervical splints, with micron grade wood fiber as the material, the micron wood fibre cervical splint was prepared. Through the micro-organisational observation onPopulus tomentosawood fibre (its density was 0.439 g/cm3 and its moisture content was between12%～15%, it was found that the interior structure of the wood fibre showed a stable honeycombed unidirectional spongy structure. The wood fibre had good toughness and intensity when it was cut into the micron wood fibre (average thickness 52mm) and it can be uses in medical cervical splint manufacturing after molded. By calculating the elastic modulus values under the different pavement states of wood fibers, it also could be found that in the molding process, the fiber size, density, amount of compression, amount of glue, gluing effect and other factors all will cause in fluences to the elastic modulus of the cervical splint.

micron wood fibre boards;Populus tomentosa; medical cervical splints; preparation; elastic modulus model; high compression ratio

S781

A

1673-923X(2015)05-0129-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.022

2014-03-12

國家自然科學(xué)基金項目（30972314、31170517）

張 楊，博士生，講師；E-mail：42991023@qq.com

張 楊，馬 巖. 微米木纖維頸椎夾板的制備及其彈性模量模型[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(5)：129-132,145.

[本文編校：謝榮秀]