呂文華 鄭雅嫻 柴宇博 劉君良

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)

責(zé)任編輯:戴芳天。

國外多用輕軟的輕木作為高要求運(yùn)輸容器的減震材料，以保證運(yùn)輸安全。輕木是最為輕軟的木材，但在我國輕木資源非常有限，長期完全依賴進(jìn)口。減震器小，受到?jīng)_擊時抵抗的外力小，所需木材強(qiáng)度要求小。減震器越大，受到?jīng)_擊時抵抗的外力越大，所用木材強(qiáng)度要求越大。一般來說木材密度越大，強(qiáng)度越大［1］。但木材密度越大，減震器質(zhì)量越大，運(yùn)輸容器自身的運(yùn)輸成本增大。因此，大型運(yùn)輸容器減震器所用木材，對木材強(qiáng)度和密度有嚴(yán)格要求，在滿足一定抗壓強(qiáng)度的前提下要求其密度盡可能小。為了篩選出適合大型運(yùn)輸容器減震器使用的木材，筆者以我國資源豐富的柳杉、杉木、泡桐等人工林木材作為研究對象，通過大變形抗壓測試，分析了幾種人工林木材的減震性能，篩選出了符合要求的減震器用木材;通過對人工林杉木進(jìn)行浸漬增強(qiáng)處理，探討了利用改性手段提高低密度木材的密度和強(qiáng)度，調(diào)控其減震性能使之符合大型運(yùn)輸容器減震材料要求的可能性。評價材料減震性能的主要指標(biāo)是抗壓強(qiáng)度和比變形能。一般木材抗壓試驗(yàn)，主要研究木材壓縮破壞前的一段過程，木材發(fā)生足夠大變形的抗壓測試，目前相關(guān)報(bào)道甚少［2］。

1 材料與方法

試材:吉林大青楊、北京毛白楊、河南泡桐、安徽泡桐、福建柳杉、湖北落葉松，以及福建、安徽、四川、湖南、江西、浙江等不同產(chǎn)地的杉木。浸漬處理材規(guī)格為60 mm×60 mm×700 mm，氣干。抗壓試樣尺寸:順紋試樣25 mm(長)×50 mm(寬)×50 mm(高)，橫紋試樣30 mm(長)×20 mm(寬)×20 mm(高);含水率調(diào)控至12%左右;每個指標(biāo)30 個試件。

自制水溶性浸漬樹脂溶液，外觀無色透明，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%，pH 值10.5，水混合倍數(shù)＞7。

杉木真空加壓浸漬處理:首先抽真空－0.095 MPa，保持30 min;將自制增強(qiáng)樹脂溶液稀釋為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，注入處理罐，解除真空;加壓0.65 MPa;保壓3 h，卸壓，出料;氣干4～5 d 后，人工干燥至恒質(zhì)量;最后放入恒溫恒濕箱中，調(diào)整含水率至12%，備用。

大變形抗壓測試:美國產(chǎn)Instron 5582 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，加載速率20 mm/min。橫紋抗壓強(qiáng)度取徑向和弦向的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材大變形抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線

木材在不同受力方向下的大變形抗壓應(yīng)力—比變形曲線都為三段式［2］，如圖1和圖2所示。//表示順紋縱向，⊥表示橫紋徑向或弦向。第一階段是細(xì)胞發(fā)生微小變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例直線上升的彈性變形區(qū)域;第二階段是在越過屈服點(diǎn)之后較寬的變形范圍(約60%的比變形)，細(xì)胞逐漸被壓潰，胞壁發(fā)生向腔內(nèi)塌陷的彎曲和壓屈變形，應(yīng)變迅速增大而應(yīng)力變化很小的應(yīng)力—比變形曲線平坦區(qū)域;第三階段是壓縮進(jìn)行至細(xì)胞腔被完全充填，細(xì)胞壁相互接觸，細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)物質(zhì)開始被壓縮時，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大的區(qū)域。

圖1 木材順紋抗壓應(yīng)力—比變形曲線

圖2 木材橫紋抗壓應(yīng)力—比變形曲線

通過大變形抗壓應(yīng)力—比變形曲線上應(yīng)力趨于穩(wěn)定而應(yīng)變明顯增長的平臺階段，可以評估木材減震性能。胡繼青、藏麗華和管寧通過對泡桐木材的減震性能進(jìn)行研究，于1990年10月在湖南株洲舉行的中國林學(xué)會木材科學(xué)會第二次學(xué)術(shù)研討會上發(fā)表論文，認(rèn)為木材大變形抗壓測試應(yīng)力—比變形曲線平臺的中部應(yīng)力，即40%比變形附近的應(yīng)力，最能代表木材大變形抗壓平臺應(yīng)力;如圖1所示，設(shè)σc為抗壓強(qiáng)度，ε1為抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的比變形，ε2為從應(yīng)力σc到應(yīng)力再次增大到σc對應(yīng)的變形，σ40為比變形達(dá)40%時的應(yīng)力，應(yīng)力—比變形曲線平臺與橫軸圍成的面積越大，即比變形能E2=ε2×σ40越大，表示木材的減震性能越好。胡繼青、藏麗華和管寧的研究結(jié)果表明，ε1與木材密度的相關(guān)性不明顯，在應(yīng)力不增應(yīng)變迅速增大的平臺階段所對應(yīng)的比變形ε2與木材密度負(fù)相關(guān)，密度越大，ε2越小;在抗壓強(qiáng)度處的比變形ε1范圍內(nèi)的比變形能E1隨氣干密度增加而增加，且相關(guān)顯著。這是由于密度越大，木材孔隙率越小，木材被壓實(shí)的進(jìn)程越短，在較小比變形處即被壓實(shí)使應(yīng)力明顯增大。雖然ε2與密度負(fù)相關(guān)，但由于應(yīng)力與密度正相關(guān)，比變形能E2也隨密度增大而增大。

基于以上研究，通過對泡桐木材進(jìn)行鉆孔處理減小密度，從而將泡桐木材用于制備中型運(yùn)輸容器減震器。大型運(yùn)輸容器減震器根據(jù)其容量大小，對所用木材的減震性能有更為嚴(yán)格的要求，對所用木材的強(qiáng)度和密度都有嚴(yán)格的限定，既要求較大的抗壓強(qiáng)度，又要求適宜的密度，在滿足一定抗壓強(qiáng)度的前提下要求密度盡可能小。為了充分開發(fā)我國資源豐富的人工林木材，用于制備大型運(yùn)輸容器減震器，分別對我國資源豐富的泡桐、柳杉、杉木、毛白楊和落葉松等幾種人工林木材進(jìn)行了大變形抗壓測試研究，以檢測其減震性能。

2.2 幾種人工林木材的減震性能

如圖3所示，輕木、泡桐、柳杉、杉木、毛白楊和落葉松6 種木材的順紋縱向、橫紋徑向和橫紋弦向大變形抗壓應(yīng)力—比變形曲線，都有以下特征:應(yīng)變迅速增大而應(yīng)力變化很小的第二階段即曲線平坦區(qū)與橫軸圍成的面積，大大超過應(yīng)變隨應(yīng)力成比例增大的第一階段，即曲線直線上升區(qū)與橫軸圍成的面積。這表明在不同壓縮形式下，在應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度(順紋)或抗壓比例極限(橫紋)后，都存在很大的比變形能。第二階段應(yīng)變增大很快，但應(yīng)力變化很小，低于順紋抗壓強(qiáng)度或超過橫紋抗壓極限強(qiáng)度不多，表明這些木材都有著良好的減緩?fù)饬_擊的作用，即良好的減震性能。比較不同受力方向下的大變形抗壓應(yīng)力—比變形曲線，橫紋的徑向曲線(圖3)和弦向曲線(圖4)相似，但與順紋縱向曲線(圖5)差異明顯，順紋的抗壓應(yīng)力要比橫紋的大很多，而且，順紋抗壓曲線在進(jìn)入平坦區(qū)前，存在一個應(yīng)力峰，這對減震不利。

研究結(jié)果表明，泡桐、柳杉、楊木、落葉松和杉木等我國主要人工林木材，在破壞后都有較大的可壓縮比變形、抗壓強(qiáng)度和可利用的比變形能，都在一定程度上減震性能良好。這與木材的結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，是其它材料尤其是非生物質(zhì)材料不能相比的［3－4］。本研究所需大型減震器用木材，要求密度為0.32～0.43 g/cm3，40%比變形處的平均強(qiáng)度為順紋抗壓強(qiáng)度35.8～47.3 MPa、橫紋抗壓強(qiáng)度7.8～9.6 MPa。對不同產(chǎn)地的多種木材的減震性能測試結(jié)果見表1，表中σ//40%和σ⊥40%分別代表木材縱向和橫向受壓情況下40%比變形處的應(yīng)力均值。由表1可知，輕木、泡桐和柳杉木材，密度較低(ρ ＜0.30 g/cm3)，抗壓強(qiáng)度較小(σ//40%＜23 MPa)，對于抗壓強(qiáng)度要求不高、容器尺寸沒有太大限制的情況，可考慮作為減震材料;大青楊、毛白楊和落葉松木材，抗壓強(qiáng)度較高，大青楊的σ//40%可達(dá)37 MPa，但密度較大(ρ ＞0.45 g/cm3)，會增加運(yùn)輸容器質(zhì)量和運(yùn)輸成本等，難以滿足大型運(yùn)輸容器減震器的材料要求;產(chǎn)地不同的杉木1—杉木7，密度差異大，為0.33～0.49 g/cm3，其相應(yīng)抗震性能也有明顯差異，40%比變形處的應(yīng)力，即σ//40%為29～47 MPa。研究結(jié)果表明，密度約為0.40 g/cm3的杉木5，其順紋和橫紋的抗壓強(qiáng)度均符合特需大型運(yùn)輸容器減震器的材料要求。

表1 幾種人工林木材的密度和大變形抗壓強(qiáng)度

圖3 不同人工林木材的橫紋徑向抗壓應(yīng)力—比變形曲線

圖4 不同人工林木材的橫紋弦向抗壓應(yīng)力—比變形曲線

2.3 改性人工林杉木的減震性能

大型運(yùn)輸容器減震器所需材料，既要求較大的抗壓強(qiáng)度，又要求密度不能太大，且減震性能良好。木材屬于非均質(zhì)天然生物質(zhì)材料，自身固有的變異使得嚴(yán)格滿足密度要求的木材資源極其有限，加工生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)損耗也將十分巨大。木材在比變形范圍內(nèi)的比變形能隨氣干密度增加而增加，但樹種不同，比變形能增大程度不同。基于木材浸漬增強(qiáng)改性處理能有效提高木材密度及其物理力學(xué)性能［5－6］，本研究利用自配的浸漬增強(qiáng)樹脂溶液，通過真空加壓浸漬處理，嘗試性地對低密度人工林杉木進(jìn)行針對性的改良處理，以期定向提高其減震性能，從而滿足大型運(yùn)輸容器減震器的材料要求。

通過樹脂浸漬改性處理可以有效提高杉木密度及其抗壓強(qiáng)度［7－8］。對增強(qiáng)改性處理前后的杉木分別進(jìn)行順紋和橫紋的大變形抗壓測試，結(jié)果見表2。杉木1 的密度由0.330 g/cm3提高到0.386 g/cm3，其40%比變形處的順紋大變形抗壓強(qiáng)度σ//40%由29.88 MPa 提高到了33.00 MPa，其40%比變形處的橫紋大變形抗壓強(qiáng)度σ⊥40%由4.31 MPa 提高到了5.57 MPa;杉木2 的密度由0.356 g/cm3提高到0.407 g/cm3，其40%比變形處的順紋大變形抗壓強(qiáng)度σ//40%由33.33 MPa 提高到了39.29 MPa，其40%比變形處的橫紋大變形抗壓強(qiáng)度σ⊥40%由6.13 MPa 提高到了8.15 MPa。杉木2 的密度和強(qiáng)度基本符合大型運(yùn)輸容器減震器的材料要求。而且，研究表明經(jīng)過增強(qiáng)處理后的改性杉木的密度和強(qiáng)度的分布范圍更小，即改性杉木的密度和強(qiáng)度更趨于一致。可見，對于資源豐富的低密度人工林杉木，通過調(diào)整改性溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，控制浸漬處理工藝，可以獲得滿足一定密度和抗壓強(qiáng)度要求的改性杉木。因此，可以通過樹脂浸漬增強(qiáng)改性，調(diào)控人工林 木材的密度和強(qiáng)度，獲得制備特需減震器所用木材。

圖5 不同人工林木材的順紋縱向抗壓應(yīng)力—比變形曲線

表2 杉木改性前后的密度和大變形抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)論

通過大變形抗壓測試分析幾種人工林木材的減震性能，結(jié)果表明:泡桐和柳杉木材，密度較低，抗壓強(qiáng)度較小，可用于抗壓強(qiáng)度要求不高、容器尺寸不大的運(yùn)輸容器減震器;大青楊、毛白楊和落葉松木材，抗壓強(qiáng)度較高，但密度也較大，會增加運(yùn)輸容器質(zhì)量和運(yùn)輸成本;密度為0.40 g/cm3左右的杉木，能滿足大型運(yùn)輸容器減震器材料要求，但木材資源極其有限。

利用資源豐富的低密度速生人工林杉木，通過樹脂浸漬增強(qiáng)改性處理，提高其密度和強(qiáng)度，所得改性杉木的減震性能能滿足大型運(yùn)輸容器減震器的材料要求。通過增強(qiáng)改性處理調(diào)控人工林木材減震性能，用于制備大型運(yùn)輸容器減震器，既能解決特定木材的資源供應(yīng)問題，又能擴(kuò)大人工林木材的有效利用，還可通過添加功能性助劑滿足防腐耐久性等更多使用要求，經(jīng)濟(jì)和社會效益重大。

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