奧克欖木材軟化處理特性與工藝研究

熊幸陽(yáng)，謝 杰，李賢軍

木材軟化處理是通過(guò)一些物理或化學(xué)方法使木材具有暫時(shí)塑性，以便使木材彎曲和壓縮等塑性加工得以進(jìn)行［1］。從力學(xué)角度來(lái)看，木材是一種彈性材料，具有彎曲的可能性。但是如果要獲得較小的彎曲曲率半徑，需要在彎曲之前對(duì)木材進(jìn)行軟化，以增大木材的可塑性［2］。木材主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大主要成分構(gòu)成的高分子聚合物，當(dāng)極性分子進(jìn)入木材細(xì)胞壁時(shí)，可以與纖維素非結(jié)晶區(qū)和半纖維素中的羥基結(jié)合形成新的氫鍵，并使纖維素發(fā)生潤(rùn)脹，加大纖維素分子鏈之間的距離。當(dāng)濕木材被加熱時(shí)，木材中大分子獲得足夠的能量，振動(dòng)加快，使得木材塑性增強(qiáng)，從而達(dá)到木材軟化的目的［3-5］。

從 1830 年德國(guó)索尼特采用物理軟化方法降低木素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)明了實(shí)木彎曲技術(shù)開始。到目前，木材常用軟化的方法可分化學(xué)處理和物理軟化兩大類，其中化學(xué)軟化主要包括液氨和氨氣處理、尿素處理、堿液處理等方法；物理軟化主要包括水煮法、飽和蒸汽汽蒸法、高頻加熱法、微波加熱法等［6-8］。

奧克欖作為一種常用的高檔家具材料，其彎曲性能很差。在制作彎曲構(gòu)件時(shí)，往往需要采用鋸制的方法，這不僅浪費(fèi)了大量材料，而且顯著降低了力學(xué)強(qiáng)度。鑒于此，本文以?shī)W克欖為研究對(duì)象，采用水煮、高溫汽蒸和水煮＋微波聯(lián)合處理三種方法對(duì)其進(jìn)行軟化方法，獲得優(yōu)化的軟化方法和工藝條件，以期為實(shí)際生產(chǎn)中奧克欖木材的軟化和彎曲成型處理提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用試驗(yàn)材料奧克欖（Aucoumea klaineana）鋸材，取自廣東宜華生活科技股份有限公司。鋸材規(guī)格為 500 mm（長(zhǎng)）×120 mm（寬）×25 mm（厚），含水率約為 13%。試驗(yàn)前將鋸材加工為 30 mm（縱）×20 mm（徑）×20 mm（弦）的四面刨光規(guī)格試件，試件要求無(wú)明顯缺陷、材色均勻、表面紋理斜度小于 10°。

1.2 儀器與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)主要用到的儀器為電子掃描顯微鏡（JSM-6380LV），萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（CMT6104 MTS SYSTEM CO.，LTD）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-6）；電加熱立式蒸汽滅菌器（LSB100L）；家用微波爐（Media，M1-231）。

1.3 研究方法

試驗(yàn)前，將所有試件分成四組，一組為對(duì)照件，不進(jìn)行任何處理，另外三組分別進(jìn)行水煮軟化、高溫飽和蒸汽汽蒸軟化、水煮+微波聯(lián)合軟化處理。其中進(jìn)行水煮軟化處理時(shí)，直接將試件完全浸沒在沸水中水煮處理，水煮時(shí)間設(shè)為 90 min、120 min、150 min 和 180 min 四個(gè)水平。在高溫飽和蒸汽汽蒸軟化處理時(shí)，采用全因子試驗(yàn)，飽和蒸汽溫度取 105 ℃、115 ℃、125 ℃和 135 ℃ 四個(gè)水平，處理時(shí)間為 2 h、3 h、4 h 和5 h 四個(gè)水平。用水煮＋微波聯(lián)合處理對(duì)試件進(jìn)行軟化時(shí)，先用沸水將試件水煮 2 h，然后用微波爐對(duì)水煮試件進(jìn)行微波處理，微波處理功率為530 w、600 w、680 w，和 800 w 四個(gè)水平，微波處理時(shí)間為 10 s、18 s、26 s 和 34 s 四個(gè)水平，為盡量減少微波預(yù)處理過(guò)程中試材內(nèi)的水分損失，處理前先用多層聚乙烯薄膜將試件包好。本研究中，同一試驗(yàn)條件下處理 6 個(gè)試件，每次軟化處理前后，都稱取并記錄試件質(zhì)量。軟化處理完成后，盡快采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行順紋壓縮處理，測(cè)試試件的屈服強(qiáng)度、順紋壓縮量及順紋壓縮回彈率。壓縮過(guò)程中最大壓力設(shè)置為50 KN，加壓速度為 5 mm/min。試件順紋壓縮回彈率的計(jì)算方法如下［9-10］：

式中：L 為試件順紋壓縮回彈率（%）；Lr 為壓縮試件恢復(fù)變形后的尺寸（mm）；Lo 為試件壓縮前的尺寸（mm）；Lc 為試件壓縮后的尺寸（mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水煮處理對(duì)奧克欖軟化效果的影響

表 1 顯示了沸水水煮處理對(duì)木材順紋壓縮屈服強(qiáng)度和木材含水率的影響。從表 1 中可以看出：水煮處理可以明顯降低奧克欖木材的順紋壓縮屈服強(qiáng)度，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，木材的順紋壓縮屈服強(qiáng)度呈先減小，后基本保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。與未處理材相比，當(dāng)水煮時(shí)間介于 90～180 min 時(shí)，奧克欖木材順紋壓縮屈服強(qiáng)度的降低幅度為 24.59%～31.97%。這表明通過(guò)沸水對(duì)奧克欖木材進(jìn)行水煮處理確實(shí)可以明顯降低其順紋壓縮屈服強(qiáng)度，其原因主要在于木材在水煮過(guò)程中，水分子進(jìn)入到木材細(xì)胞壁中與纖維素非結(jié)晶區(qū)和半纖維素的羥基形成新的氫鍵，加大了纖維素和半纖維素中分子鏈之間的距離，為纖維素分子鏈的運(yùn)動(dòng)提供了空間，同時(shí)在水熱共同作用下，木材細(xì)胞壁中的木素進(jìn)一步軟化，使得木材的可塑性提高，從而達(dá)到軟化目的。當(dāng)水煮時(shí)間從 90 min 延長(zhǎng)到 180 min 時(shí)，木材試件的順紋壓縮屈服強(qiáng)度降低幅度先增大后減小，最大降幅不超過(guò) 10%，尤其是當(dāng)水煮時(shí)間介于 120～180 min 時(shí)，其順紋壓縮屈服強(qiáng)度的變化幅度甚至小于 3%。這充分說(shuō)明在實(shí)際生產(chǎn)中用沸水水煮方法對(duì)木材進(jìn)行軟化處理時(shí)，并非水煮處理時(shí)間越長(zhǎng)越好。水煮時(shí)間對(duì)木材順紋壓縮屈服強(qiáng)度的影響可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋，一方面隨著水煮時(shí)間的延長(zhǎng)，更多的水分進(jìn)入木材細(xì)胞壁，分子鏈之間運(yùn)動(dòng)的空間就越大，木材可塑性增強(qiáng)，順紋壓縮屈服強(qiáng)度降低；另一方面，隨著木材內(nèi)水分的增加，木材細(xì)胞腔內(nèi)和細(xì)胞壁內(nèi)的水分會(huì)形成一定的靜壓力，導(dǎo)致當(dāng)木材受到外壓力的時(shí)候，其屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

表1 水煮軟化處理后含水率變化量及屈服強(qiáng)度Tab.1 The change of moisture contentand yield strength after boiling softening

圖1 水煮時(shí)間對(duì)順紋壓縮回彈率及壓縮量的影響Fig.1 Effect of boiling time on longitudnal compression rebound ratio and compression quantity

圖 1 為沸水水煮處理對(duì)木材順紋壓縮量和回彈率的影響。從圖 1 可以看出：水煮處理明顯增大了奧克欖的壓縮量和回彈率，順紋壓縮回彈率與 6.5 KN 時(shí)的壓縮量均隨水煮時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減少的趨勢(shì)。順紋壓縮回彈率和壓縮量分別增加4.08%～49.38% 和 78.47%～87.67%。經(jīng)過(guò) 120 min與 150 min 處理過(guò)的木材的順紋壓縮量和順紋壓縮回彈率相近且高于其他兩個(gè)時(shí)間，其中 120 min 水煮處理的奧克欖在順紋壓力 6.5 KN 下得到的壓縮量較大。在水煮過(guò)程中，纖維素?zé)o定型區(qū)分子鏈上的羥基，部分處在游離狀態(tài)，易吸收水分，隨著水分的增加，纖維進(jìn)一步潤(rùn)脹，游離的羥基吸附更多的水分，水分在纖維素間隙中形成厚厚的水膜，引起纖維內(nèi)部結(jié)合力的降低，使得壓縮量增大。因而在同一溫度條件下，吸收的水分越多，塑化效果越好，得到的壓縮量和對(duì)應(yīng)的壓縮回彈率也越大。

綜上所述，奧克欖經(jīng)水煮處理后的軟化效果明顯，優(yōu)化的水煮處理時(shí)間為 120 min。當(dāng)水煮處理時(shí)間為 120 min 時(shí)，順紋壓縮得到的屈服強(qiáng)度、順紋壓縮回彈率及 6.5 KN 時(shí)的壓縮量均較高，相比 150 min 用時(shí)更少。

2.2 飽和蒸汽汽蒸處理對(duì)奧克欖軟化效果的影響

圖 2 和圖 3 分別表示了不同條件下蒸汽處理對(duì)奧克欖的屈服強(qiáng)度和順紋壓縮量的影響。由圖 2、圖 3 可知，在汽蒸過(guò)程中奧克欖的軟化效果主要與溫度有關(guān)，時(shí)間對(duì)其影響較小。當(dāng)奧克欖的汽蒸溫度低于 125 ℃ 時(shí)，汽蒸時(shí)間對(duì)奧克欖的屈服強(qiáng)度和 6.5 KN 時(shí)的壓縮量無(wú)顯著影響；但溫度超過(guò) 125 ℃ 后，隨著溫度的增加，其軟化效果表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度先降低后升高，壓縮量先增大后減小。原因是在軟化處理過(guò)程中，木材吸收水蒸汽，細(xì)胞腔內(nèi)的水蒸汽壓按一定的規(guī)律與毛細(xì)管的直徑成比例增加，當(dāng)細(xì)胞壁內(nèi)的微毛細(xì)管由于結(jié)合水和毛細(xì)管張力的合成作用而擴(kuò)大時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)部的水蒸氣壓也隨之增大［11-12］。由于汽蒸溫度低于 125 ℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓低于木材內(nèi)部的蒸汽壓，外界水分難以進(jìn)入，細(xì)胞壁內(nèi)水分較少，因而得到木材的軟化效果不理想。當(dāng)蒸汽溫度在 125 ℃ 時(shí)，奧克欖的順紋壓縮屈服強(qiáng)度降低幅度為 39.71%～47.45%，壓縮量增加幅度為 22.15%～39.04%，獲得的壓縮效果明顯優(yōu)于同水平的其他溫度，其中用 4 h，125 ℃ 汽蒸處理后奧克欖的順紋屈服強(qiáng)度最小，壓縮量最大，得到軟化效果最優(yōu)。不同溫度對(duì)于不同的分子鏈段所產(chǎn)生的振動(dòng)不一樣，振動(dòng)越快，軟化效果越好。由于溫度在 125 ℃ 時(shí)容易改變奧克欖纖維素晶胞中大分子鏈段中的氫鍵和范德華力的束縛，使得分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇。在該溫度下纖維結(jié)晶區(qū)中分子鏈的排列被打亂，奧克欖的玻璃化轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行，宏觀表現(xiàn)為塑性降低。

圖2 不同汽蒸處理的屈服強(qiáng)度Fig.2 Yield strength after different steam treating

圖3 不同汽蒸處理在6.5KN時(shí)的壓縮量Fig.3Compression quantityin 6.5KN after different steam treating

飽和蒸汽汽蒸處理對(duì)奧克欖的含水率及壓縮回彈率的影響如表 2 和圖 4 所示。從中我們可以看出，奧克欖汽蒸軟化后得到的順紋壓縮回彈率與汽蒸溫度和時(shí)間有關(guān)，汽蒸處理后得到的含水率越高，順紋壓縮回彈率就越大。汽蒸時(shí)間對(duì)奧克欖軟化有影響是因?yàn)槠糸_始時(shí)木材內(nèi)外含水率梯度小，水分移動(dòng)較緩慢，又因?yàn)閯傞_始時(shí)只有表面的纖維素和木素被軟化，內(nèi)部的纖維素、半纖維素軟化不足，水分難以進(jìn)入。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，奧克欖的表層水分累加，使得內(nèi)外含水率梯度增大，并在壓力作用下，水分的移動(dòng)速度加快，當(dāng)內(nèi)部的蒸汽壓達(dá)到飽和蒸汽壓后，只有外部的壓強(qiáng)較高時(shí)，水分就能繼續(xù)進(jìn)入。不同的飽和蒸汽溫度對(duì)應(yīng)著不同的壓強(qiáng)，飽和蒸汽的溫度越高，蒸汽壓越大，得到試件處理后的含水率越大。

表2 不同汽蒸溫度下軟化處理后的平均含水率及順紋壓縮回彈率Tab.2 Compressive rebound ratio and moisture content on average after different temperated steam treating

圖4 不同汽蒸處理的壓縮回彈率Fig.4Compressive rebound ratio after different steam treating

2.3 水煮＋微波聯(lián)合預(yù)處理對(duì)奧克欖軟化效果的影響

圖5 不同微波處理的屈服強(qiáng)度Fig.5 Yield strength after diferent microwave treating

圖 5 為經(jīng)過(guò)水煮 2 h 后，微波處理對(duì)奧克欖屈服強(qiáng)度的影響。從圖 5 可以看出：水煮＋微波處理對(duì)奧克欖的軟化效果非常明顯，處理后得到的屈服強(qiáng)度均在 14 MPa 以下，相比單獨(dú)的水煮和汽蒸處理，大大降低了順紋壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度。其中用功率為 800 W 加熱奧克欖 18 s 時(shí)得到的屈服強(qiáng)度為 6.1 MPa，比未處理材減少了 79.14%。

在圖 6 微波處理對(duì)奧克欖的壓縮量的影響中，順紋壓力為 3 KN 時(shí)奧克欖的壓縮量隨微波功率的增大而增大，隨處理時(shí)間的增加先增大后減小，最大壓縮量在功率 800 W，時(shí)間 18 s 取得，相比未處理材在 3 KN 時(shí)的壓縮量增加了 108.86%。綜上所述，在微波處理段時(shí)建議選用功率 800 W，時(shí)間 18 s 的條件進(jìn)行加熱處理。

圖6 不同微波處理在3KN時(shí)的壓縮量Fig.6Compressionquantity in 3KN after diferent microwave treating

在水煮處理過(guò)程中，水分大量進(jìn)入木材內(nèi)部并以自由水的形態(tài)存在。在微波的作用下，一些含有極性官能團(tuán)如羥基及極性分子水產(chǎn)生擺動(dòng)，相互摩擦生熱［13］。由于后期的微波作用為木材提供了大量的能量，使得加熱得到的溫度達(dá)到了半纖維素與木素的熱軟化溫度。微波的功率越大，單位時(shí)間內(nèi)獲得能量越多［14］，一定時(shí)間內(nèi)得到的軟化效果越好。因此隨著微波功率的增加，屈服強(qiáng)度減小。但微波功率并不是越大越好，微波處理時(shí)間增大時(shí)，屈服強(qiáng)度先減小后增大，原因是隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)，水分子的運(yùn)動(dòng)距離加大，水分和抽提物逸出，纖維素間隙中的水膜變薄，纖維間的結(jié)合力增加，軟化效果減弱；同時(shí)溫度升高，木材單位時(shí)間內(nèi)單位體積獲得的能量越多，半纖維素的降解幅度增大［15］，容易造成在順紋壓縮過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得局部抗壓強(qiáng)度過(guò)大，具體表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度增大，壓縮量減小。

圖 7 表示在水煮 2 h 后，微波處理對(duì)奧克欖壓縮回彈率的影響。在圖 7 中，奧克欖的壓縮回彈率均在在 90% 左右，隨處理時(shí)間和微波功率的變化影響不大。原因是奧克欖的回彈率主要與含水率有關(guān)，經(jīng)過(guò) 2 h 水煮處理后，奧克欖的含水率得到提高，試件的含水量增加幅度大且相近；同時(shí)軟化過(guò)程中，聚酯乙烯薄膜阻止了水分的大量蒸發(fā)。這些水分以自由水的形態(tài)存在非結(jié)晶區(qū)，增大木材細(xì)胞壁內(nèi)自由體積的空間，起到增塑劑的作用。

圖7 不同微波處理的壓縮回彈率Fig.7Compression rebound ratio after different microwavetreating

為進(jìn)一步研究壓縮處理對(duì)木材微觀構(gòu)造的影響，本研究采用掃描電子顯微鏡觀察了奧克欖木材壓縮前后細(xì)胞形態(tài)的變化。圖 8 為奧克欖木材弦切面在放大 100 倍的的電子顯微鏡照片，a 圖為未經(jīng)軟化處理的奧克欖，b 圖為經(jīng)水煮＋微波處理后順紋壓縮時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中的部分。從圖 8 中可以發(fā)現(xiàn)，壓縮后試件存在一個(gè)由壓潰到正常壓縮的明顯過(guò)渡區(qū)域。在壓潰區(qū)，木射線和導(dǎo)管均被完全壓潰，不成形；纖維互相交錯(cuò)成疊，沒有間隙。在過(guò)渡區(qū)域，木射線中靠近應(yīng)力集中的部分管孔被壓實(shí)，導(dǎo)管成 U 型；中間部分射線管胞的基本形狀由橢圓形變成圓型，以上的這些改變都會(huì)使得奧克欖順紋壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度增大，順紋壓縮量減小，強(qiáng)度降低。

圖8 未處理材與處理材中出現(xiàn)應(yīng)力集中部分比較Fig.8The comparison of compression between the normal and abnormality

3 結(jié)論與討論

（1）三種軟化預(yù)處理方法均可以明顯降低奧克欖木材的屈服強(qiáng)度，增加壓縮量，改善其彎曲性能，其中水煮微波聯(lián)合處理軟化效果優(yōu)于水煮和高溫氣蒸處理。在軟化過(guò)程中，處理時(shí)間是水煮處理的關(guān)鍵因素；而影響汽蒸軟化的主要因素是汽蒸溫度；微波軟化處理時(shí)，微波功率對(duì)奧克欖的影響大于微波處理時(shí)間的影響。

（2）水煮處理可以明顯降低奧克欖木材的順紋壓縮屈服強(qiáng)度，增加順紋壓縮回彈率和壓縮量。與未處理材相比，水煮奧克欖木材順紋壓縮屈服強(qiáng)度的可降低 24.59%～31.97%，順紋壓縮回彈率和壓縮量分別增加 4.08%～49.38% 和78.47%～87.67%。

（3）飽和汽蒸處理時(shí)，汽蒸溫度在 125 ℃和 135 ℃ 的軟化效果比水煮處理要好。由于溫度與飽和蒸汽壓的共同影響，125 ℃ 處理的效果最佳，相比未處理材奧克欖順紋壓縮的屈服強(qiáng)度降低了 39.71%～47.45%，壓縮量增加了22.15%～39.04%。

（4）水煮＋微波聯(lián)合處理的軟化效果非常明顯，處理后奧克欖的順紋壓縮屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于水煮處理和飽和汽蒸處理。其中用功率為 800 W 加熱奧克欖 18 s 時(shí)得到的屈服強(qiáng)度為 6.1 MPa，比未處理材減少了 79.14%，軟化效果最佳。

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