預熱溫度對層狀壓縮木材力學性能的影響

李 任，黃榮鳳，常建民，高志強，伍艷梅

（1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所 國家林業(yè)局木材科學與技術重點實驗室，北京100091； 2.北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院，北京100083）

軟質木材整體壓縮后，其物理力學性能得到顯著改善［1］，但由于木材整體壓縮會帶來很大的體積損失，成本高，所以并沒有得到廣泛應用。木材表層壓縮是將木材表層下一定厚度的木材壓縮，而其他部分仍保持木材原有形態(tài)，壓縮后的木材表面性能得到改善，能夠滿足家具地板等的使用要求［2－3］，但是高溫軟化處理的表層壓縮方式形成的壓縮層厚度?。?］，密度梯度大，砂光處理后壓縮層很薄，而樹脂浸漬的表層壓縮由于存在釋放有害物等問題［5-7］，也沒有得到廣泛應用。水熱控制下的層狀壓縮是一種新型的壓縮技術。這種壓縮技術通過控制水分和熱量，使木材壓縮后，在厚度方向上形成1個或者2個高密度層，即壓縮層，壓縮層位置能夠出現(xiàn)在木材表層至中心層的任何層面［8］，壓縮層厚度還可以根據(jù)需要進行控制［9］。高溫作用不僅會影響木材的力學性質［10］，而且改變預熱溫度還會引起壓縮木材密度分布發(fā)生變化，從而影響其力學性能［11］。黃榮鳳等［10］發(fā)現(xiàn)：毛白楊Populus tomentosa木材在170～230℃下熱處理后，抗彎彈性模量和抗彎強度呈減小的變化趨勢，木材的硬度呈增大變化趨勢。LAINE等［11］發(fā)現(xiàn)：升高預熱溫度使樟子松Pinus sylvestris壓縮木材中的高密度區(qū)域位置與峰值密度位置距木材表面的距離明顯增大，當高密度區(qū)域位置與峰值密度位置距木材表面的距離大于硬度測試的壓入深度時，木材硬度出現(xiàn)了顯著降低。WONG等［12］對刨花板的研究發(fā)現(xiàn)：表層密度大的板材與整體密度均勻的板材相比，抗彎彈性模量與抗彎強度有顯著提高?？梢姡牧系牧W性能與其密度分布關系密切。本研究將毛白楊氣干材浸水、放置、預熱后徑向壓縮，通過改變預熱溫度的方式，得到了壓縮層位于表層至中心層的不同結構的層狀壓縮木材。對比研究了層狀壓縮木材的表面硬度、木材硬度、抗彎彈性模量和抗彎強度，探討了層狀壓縮木材的力學性能隨預熱溫度增加及密度分布改變的變化規(guī)律，旨在為層狀壓縮木材的結構與性能的優(yōu)化提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

毛白楊采于山東省冠縣，25年生，胸徑25～35 cm。原木加工成500 mm（長）×150 mm（寬）×50 mm（厚）的弦切板，板材干燥到含水率為12.0%后取邊材加工成400 mm（長）×110 mm（寬）×25 mm（厚）的四面刨光試樣。將試樣石蠟封端后，放入20℃的水中浸泡2 h，置于20℃相對濕度65.0%的環(huán)境下放置18 h，然后在常溫下將試樣置于熱壓機的熱板上預熱12 min，預熱溫度分別為90，120，150，180和210℃，以不做預處理的素材為對照。預熱后在6 MPa壓力下徑向壓縮5 mm，之后保壓30 min，然后通冷水降溫，壓板溫度達到室溫后取出試件。通過此方法得到了壓縮層數(shù)量、位置和密度分布不同的層狀壓縮木材（表1，圖1），照片中的深色帶狀層為壓縮層（箭頭）。

通過改變預熱溫度可以形成3種模式的層狀壓縮木材，即表層壓縮木材、中間層壓縮木材（壓縮層位于表層至中心層之間）和中心層壓縮木材（圖2）。圖2中深色帶狀層為壓縮層。

1.2 實驗方法

1.2.1 表面硬度與木材硬度的測定方法 木材層狀壓縮后，由于壓縮層位置發(fā)生顯著變化，隨著預熱溫度的增加，由木材表層逐漸向中心層移動（圖1，表1），因而選擇了壓入深度不同的2種方式來測試層狀壓縮木材的硬度；層狀壓縮木材的硬度測試包括木材的表面硬度（壓入深度0.32 mm）與木材硬度（壓入深度2.82 mm），但是，僅測試壓縮木材的2個弦切面的硬度值，表面硬度的測定采用日本標準JIS Z 2101－2009《木材試驗方法》，木材硬度的測定參考國家標準GB/T 1941－2009《木材硬度試驗方法》。計算完成后，再根據(jù)式（1）［13］計算出壓痕單位面積的荷載。

表1 層狀壓縮木材的壓縮層的數(shù)量、位置及平均密度Table 1 Number,position,and average density of the compressed layer at different preheating temperatures

圖1 不同預熱溫度下形成的層狀壓縮木材照片F(xiàn)igure 1 Photograph images of the sandwich compressed wood at different preheating temperatures

式（1）中：H為壓痕單位面積荷載（N·mm－2），F(xiàn)為木材含水率為12.0%時的荷載（N），D為壓頭鋼球直徑（mm），h為鋼球壓入深度（mm）。

1.2.2 抗彎彈性模量與抗彎強度的測定方法 木材層狀壓縮后，木材結構發(fā)生了顯著變化，壓縮層數(shù)量由2個最后集中為1個，壓縮層位置由木材表層逐漸向木材的中心層移動，壓縮層的平均密度逐漸增大（圖1，表1）。因此，本研究選擇了弦向加載與徑向加載2種方式來測試層狀壓縮木材的抗彎彈性模量，而抗彎強度實驗僅在弦向加載下進行，其中弦向加載為國家標準規(guī)定的加載方向（圖3）；抗彎彈性模量的測定方法按照國家標準GB/T 1936.2－2009《木材抗彎彈性模量測定方法》，抗彎強度的測定按照國家標準GB/T 1936.1－2009《木材抗彎強度試驗方法》。

圖2 3種模式的層狀壓縮木材Figure 2 Three structure models of the sandwich compressed wood

圖3 不同加載方式的示意圖Figure 3 Diagram of different loading directions

2 結果與分析

2.1 預熱溫度對層狀壓縮木材表面硬度與木材硬度的影響

LAINE等［11］發(fā)現(xiàn)，壓縮木材硬度測試時，高密度區(qū)域是否位于壓入深度范圍的木材內直接影響木材的硬度。根據(jù)JIS Z 2101－2009《木材試驗方法》與GB/T 1941－2009《木材硬度試驗方法》，木材表面硬度、木材硬度測試時的壓入深度分別為0.32與2.82 mm。因此，本研究分別選擇了層狀壓縮木材表層0.32 mm厚木材的平均密度與2.82 mm厚木材的平均密度來分析隨溫度的變化，探討與對應的表面硬度、木材硬度的關系。

由表2可以看出：隨著預熱溫度的增加層狀壓縮木材的平衡含水率逐漸降低，但仍然符合國家標準規(guī)定的力學性能計算的含水率范圍（9.0%～15.0%）。由表2與圖4可以看出：層狀壓縮木材表層0.32 mm厚木材的平均密度與表面硬度表現(xiàn)出了類似的變化趨勢，均隨著預熱溫度的增加逐漸增大。表層0.32 mm厚木材的平均密度由預熱溫度90℃時的0.48 g·cm－3增加到了210℃時的0.54 g·cm－3，和對照相比，增幅為9.1%～22.7%。F檢驗表明：預熱溫度對層狀壓縮木材表層0.32 mm厚木材平均密度的影響顯著（P＜0.01）。層狀壓縮木材的表面硬度由預熱溫度90℃時的7.19 N·mm－2增加到了210℃時的10.88 N·mm－2，和對照相比，增幅為3.9%～57.2%。F檢驗表明：預熱溫度對層狀壓縮木材表面硬度的影響極顯著（P＜0.001）。

表2 不同預熱溫度下層狀壓縮木材的平衡含水率及其表層不同厚度木材的平均密度Table 2 EMC and average density of surface layers of the sandwich compressed wood at different preheating temperatures

由于木材表面硬度測試的壓入深度為0.32 mm，遠小于壓縮層位置距木材表面的最小距離0.90 mm（表1），因此，木材表面硬度不受壓縮層位置的影響［14］；整個壓縮過程中，溫度作用毛白楊木材約1 h。研究表明［10］：毛白楊木材在不同溫度熱處理后，木材表面硬度會有所升高，但遠小于本實驗中木材表面硬度較對照的增加率?？梢?，預熱溫度不是引起層狀壓縮木材表面硬度變化的最主要原因；也有研究表明［8］，增加毛白楊木材的表面密度可以顯著提高木材的表面硬度。由此可以看出：通過增加預熱溫度及壓縮的共同作用，可以顯著增大壓縮木材表層0.32 mm厚木材的平均密度，從而促進壓縮木材表面硬度的提高。

由表2與圖4可以看出：層狀壓縮木材表層2.82 mm厚木材的平均密度與木材硬度也表現(xiàn)出了類似的變化趨勢，隨著預熱溫度的增加均表現(xiàn)為先減小后增大。預熱溫度為90～180℃時，隨著預熱溫度的增加，層狀壓縮木材表層2.82 mm厚木材的平均密度逐漸減小，由90℃時的0.62 g·cm－3變化至180℃時的0.53 g·cm－3。之后繼續(xù)升高溫度，表層2.82 mm厚木材的平均密度呈增大趨勢。F檢驗表明：預熱溫度對層狀壓縮木材表層2.82 mm厚木材平均密度的影響極顯著（P＜0.001）。層狀壓縮木材硬度隨預熱溫度的變化趨勢與表層2.82 mm厚木材的平均密度的變化趨勢類似，預熱溫度90℃時木材硬度最大，為27.04 N·mm－2，較對照增加38.5%，180℃時木材硬度最小，為21.21 N·mm－2，較對照增加8.6%，之后繼續(xù)升高溫度，層狀壓縮木材的硬度呈增大趨勢。F檢驗表明：預熱溫度對木材硬度的影響極顯著（P＜0.001）。

木材表面密實化有助于提高木材硬度［2－3］。然而本實驗中，在預熱溫度90～180℃內，隨著溫度的增加，壓縮層即高密度區(qū)域逐漸遠離層狀壓縮木材的表面（圖1，表1），因而壓縮木材表層2.82 mm厚木材的平均密度逐漸降低，壓縮木材的硬度逐漸減小。預熱溫度為210℃時，壓縮木材表層2.82 mm厚木材的平均密度及木材硬度又有所增大，這可能是210℃的高溫能導致低含水率甚至絕干木材被軟化［15］，然后被壓縮引起的。由此可見：木材層狀壓縮時，可以通過降低預熱溫度的方式來減小壓縮層位置與木材表面的距離，從而增大壓縮木材表層密度，提高壓縮木材的硬度。

2.2 預熱溫度對層狀壓縮木材弦向彎曲彈性模量與抗彎強度的影響

圖5中對照的抗彎強度和弦向彎曲彈性模量是依據(jù)木材密度與力學性能間的線性關系［16］，換算成與壓縮木材相同密度時的數(shù)值。由圖5可以看出：隨著預熱溫度的增加，層狀壓縮木材的弦向彎曲彈性模量逐漸增大。預熱溫度為90℃時，弦向彎曲彈性模量為12.57 GPa，較平均密度相同的對照增加2.6%，210℃時弦向彎曲彈性模量達最大，為14.24 GPa，較平均密度相同的對照增加16.2%。F檢驗表明：弦向彎曲彈性模量隨著溫度增加變化不顯著。與毛白楊木材的抗彎彈性模量隨熱處理溫度增加逐漸減小［10］不同，本研究中層狀壓縮木材抗彎彈性模量隨溫度增加逐漸增大。顯然，除溫度外，層狀壓縮木材結構也影響其抗彎彈性模量。由此可以看出：木材層狀壓縮后，壓縮木材的弦向彎曲彈性模量較對照會有明顯提高，且預熱溫度越高，弦向彎曲彈性模量越大，但在90～210℃內，增加預熱溫度的方式，不能達到顯著提高層狀壓縮木材弦向彎曲彈性模量的目的。

由圖5可以看出：隨著預熱溫度的增加，抗彎強度表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢。預熱溫度為90℃時，抗彎強度值最小，為90.67 MPa，較平均密度相同的對照增加4.3%，隨著預熱溫度增加抗彎強度逐漸增大，150℃時達最大值，為100.10 MPa，較平均密度相同的對照增15.2%，之后繼續(xù)升高溫度，抗彎強度呈降低趨勢，預熱溫度為210℃時，抗彎強度為93.81 MPa，較對照增加7.9%。F檢驗表明：預熱溫度對層狀壓縮木材抗彎強度的影響也不顯著?？梢?，木材層狀壓縮后，壓縮木材的抗彎強度較對照有明顯增大。預熱溫度影響層狀壓縮木材的抗彎強度，但抗彎強度隨著溫度的增加變化并不明顯。預熱溫度150℃是層狀壓縮木材抗彎強度變化的一個轉折點，當預熱溫度＞150℃時，層狀壓縮木材的抗彎強度呈降低趨勢，這可能是因高溫使木材成分發(fā)生降解引起的［17-18］。

2.3 弦向彎曲彈性模量與徑向彎曲彈性模量的關系

弦向彎曲彈性模量隨溫度的變化與圖5相同。如圖6所示：對于徑向彎曲彈性模量，隨著預熱溫度的增加表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢。預熱溫度為90℃時，徑向彎曲彈性模量值最大，為14.75 GPa，較對照增加18.3%，180℃時徑向彎曲彈性模量達最小值，為13.03 GPa，較對照增加4.5%，之后繼續(xù)升高溫度，徑向彎曲彈性模量呈增大趨勢。F檢驗表明：預熱溫度對層狀壓縮木材徑向彎曲彈性模量的影響不顯著，弦向彎曲彈性模量與徑向彎曲彈性模量間的差異也不顯著?？梢姡静脑诓煌A熱溫度下層狀壓縮后，弦向彎曲彈性模量與徑向彎曲彈性模量較對照均有明顯增大。盡管木材層狀壓縮后，壓縮木材結構發(fā)生了明顯的不均勻變化，但是層狀壓縮木材在進行抗彎彈性模量測試時，改變加載方向對最終的抗彎彈性模量值的影響并不顯著。

圖4 不同預熱溫度下層狀壓縮木材的表面硬度與木材硬度Figure 4 Surface hardness and hardness of the sandwich compressed wood at different preheating temperatures

圖5 不同預熱溫度下層狀壓縮木材的弦向彎曲彈性模量與抗彎強度Figure 5 MOE in tangential and MOR of the sandwich compressed wood at different preheating temperatures

圖6 不同預熱溫度下層狀壓縮木材的弦向彎曲彈性模量與徑向彎曲彈性模量Figure 6 MOE in tangential and in radial ofthe sandwich compressed wood atdifferentpreheating temperatures

木材在靜力彎曲時，木材試件出現(xiàn)撓度，表現(xiàn)為上部分木材纖維產生順紋壓應力，下部木材纖維產生順紋拉應力，且應力分布由木材表面至木材中心逐漸減小。因為木材的順紋抗拉強度較順紋抗壓強度大很多，所以當試件彎曲時，最先在受壓區(qū)域開始破壞，最后在受拉區(qū)域發(fā)生破壞，使邊緣纖維斷裂或撕開以致試件完全折斷［19］。因此，增大受力表面密度有利于提高壓縮木材的抗彎性能。對于層狀壓縮木材的弦向彎曲彈性模量，木材在不同預熱溫度下層狀壓縮后，木材表層及厚度方向不同層面密度分布非常不均勻，且隨著預熱溫度的增加，壓縮層的平均密度逐漸增大（表1），層狀壓縮木材厚度方向不同層面局部密度顯著增大，有可能導致壓縮木材抵抗變形能力增強，引起弦向彎曲彈性模量增大。對于層狀壓縮木材的徑向彎曲彈性模量，木材密度與力學性能密切相關，木材在靜力彎曲時，最大應力分布位于木材的上下表面，因此，增加木材表面密度有助于提高木材抵抗變形的能力。然而，隨著預熱溫度的增加，壓縮層即高密度區(qū)域逐漸遠離壓縮木材的表面（圖1，表1），因而，在預熱溫度為90～180℃時，層狀壓縮木材的徑向彎曲彈性模量隨著預熱溫度的增加呈降低趨勢，預熱溫度為210℃時，徑向彎曲彈性模量又有所增加，這可能是因為該溫度下，層狀壓縮木材表層密度又有所增大引起的（表2）。

3 結論

木材在90～210℃的預熱溫度下層狀壓縮后，硬度、抗彎彈性模量與抗彎強度較對照有明顯提高，且隨著預熱溫度的增加呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化。

木材表面硬度（壓入深度0.32 mm）不受壓縮層位置的影響，可以通過增加預熱溫度的方式增大壓縮木材表面密度，從而使壓縮木材表面硬度增強。而木材硬度（壓入深度2.82 mm）與壓縮層位置直接相關，可以通過降低預熱溫度來減小高密度區(qū)域位置距木材表面的距離，從而使壓縮木材表層密度增大，達到增大木材硬度的目的。

預熱溫度變化后壓縮木材的結構發(fā)生了相應變化，但層狀壓縮木材結構的變化對抗彎彈性模量和抗彎強度的影響不顯著。因此，木材層狀壓縮時，可以盡量降低預熱溫度，以減少能耗。

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