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        榆木順紋壓縮率和PDR的變化規(guī)律研究

        2013-03-30 08:59:56宋魁彥
        森林工程 2013年2期
        關(guān)鍵詞:榆木順紋幼齡

        張 燕,宋魁彥,佟 達(dá)

        (東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,哈爾濱150040)

        隨著人們生活質(zhì)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(fèi)者的關(guān)注。傳統(tǒng)曲木家具的制造是將實體木材軟化后進(jìn)行機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行堿液處理后,其中半纖維素、木質(zhì)素發(fā)生降解,使微纖絲間的聯(lián)接減弱,細(xì)胞壁發(fā)生分層,當(dāng)受到拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力時,微纖絲間會較容易產(chǎn)生滑移,削弱了木材的力學(xué)性能[3-6]。同時堿液也可能對纖維素的結(jié)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(xué)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(zhì)。

        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(dāng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~5%,改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%;方案B中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~7%,改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%;方案C中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% ~9%,改性劑質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)實驗機(jī),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(jìn)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(dāng)榆木幼齡材和成熟材試材順紋壓縮達(dá)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(jìn)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(jié)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(jìn)行順紋壓縮后的試驗結(jié)果見表1:在順紋壓縮過程中,采用軟化方案為A進(jìn)行軟化時,幼齡材和成熟材試材順紋壓縮率均可以達(dá)到19%,幼齡材和成熟材的PDR平均值分別為2.98%和2.97%;當(dāng)繼續(xù)增加順紋壓縮率,達(dá)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(dāng)采用軟化方案為B進(jìn)行軟化時,成熟材的順紋壓縮率可以達(dá)到21%,PDR的平均值為4.45%,幼齡材則無法達(dá)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(dāng)順紋壓縮率增加為22% 時,成熟材順紋壓縮成功率為60%。當(dāng)軟化方案為C時,成熟材的順紋壓縮率可以達(dá)到19%,PDR的平均值為3.59%,而幼齡材則無法達(dá)到,在順紋壓縮率為19%時,幼齡材順紋壓縮成功率僅為20%,當(dāng)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)溶液中的NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時,木材沒有得到充分軟化,半纖維素和木質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)溶液中的NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)溶液中的NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行順紋壓縮恢復(fù)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(xué)鍵。隨后泄壓發(fā)生恢復(fù),其順紋壓縮恢復(fù)曲線如圖1所示,幼齡材和成熟材均在開始的1 min內(nèi)木材即刻發(fā)生恢復(fù),隨后木材的恢復(fù)曲線變緩,恢復(fù)量表現(xiàn)出平滑的遞增趨勢,而在15 min后,恢復(fù)量不再增加,曲線變得平穩(wěn)。幼齡材在1 min瞬時恢復(fù)后的回彈余量均大于成熟材,但在1 min內(nèi)的恢復(fù)卻較小。

        圖1 堿液處理榆木順紋壓縮恢復(fù)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(fù)曲線可以分為3個階段,首先是瞬時恢復(fù)的彈性變形恢復(fù)階段,在此階段木材受順紋壓縮應(yīng)力發(fā)生滑移或卷曲而沒有形成化學(xué)鍵的微纖絲發(fā)生彈性恢復(fù),恢復(fù)速率較快;其次是緩慢的彈塑性變形恢復(fù)階段,在此階段,由于順紋壓縮使木材的內(nèi)部應(yīng)力增大,微纖絲間部分重新形成的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂,隨著時間的延長使應(yīng)力得以釋放,表現(xiàn)為緩慢的恢復(fù)現(xiàn)象;最后的塑性變形階段,木材發(fā)生永久變形,不再進(jìn)行恢復(fù),木材中產(chǎn)生的應(yīng)力與新形成的化學(xué)鍵鍵能平衡。幼齡材木質(zhì)素的含量高于成熟材,在壓縮過程中木質(zhì)素交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jié)論

        (1)采用軟化方案B,即NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~7%,改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)曲線分為3個階段,分別為瞬時恢復(fù)的彈性變形恢復(fù)階段,緩慢恢復(fù)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(fù)速率小于成熟材。

        [1]佟 達(dá),宋魁彥,李 堅.水熱-微波軟化處理對水曲柳彎曲的影響[J].林業(yè)科學(xué),2011,47(11):129 -132.

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