表面強(qiáng)化刨切薄板拉伸、彎曲性能

趙鐘聲

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木材橫紋壓縮表面強(qiáng)化方法能使低質(zhì)木材密度增加，物理、力學(xué)性能提高［1－7］。一般橫紋壓縮強(qiáng)化前均需水熱處理，對(duì)防止壓縮開(kāi)裂和破壞有很好的效果，特別是壓縮整形木，由于木材壓縮方向質(zhì)量較大，其熱容量大，高溫水熱處理后的木材，壓縮時(shí)能保持很好的熱軟化效果［3，8－18］。關(guān)于整形木壓縮性能的研究已有很多報(bào)道，但利用高溫水熱處理對(duì)厚度很小的薄木板進(jìn)行壓縮強(qiáng)化的研究還少有報(bào)道，特別是常溫浸泡至飽水狀態(tài)直接進(jìn)行薄板壓縮強(qiáng)化，并測(cè)試壓縮后試件的物理力學(xué)性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道。對(duì)薄板木材進(jìn)行高溫水熱軟化處理在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要消耗大量的熱能，而且薄板的保溫性通常較差，壓縮時(shí)仍保持好軟化性較難，所以本研究對(duì)大青楊薄板用常溫水浸泡至飽水狀態(tài)后直接進(jìn)行橫紋壓縮，經(jīng)高溫?zé)崽幚矶ㄐ秃?，用物理力學(xué)試驗(yàn)儀器測(cè)試分析壓縮前后試件主要物理力學(xué)性能，考察未經(jīng)傳統(tǒng)水熱處理橫紋壓縮的薄板能否達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)化效果，旨在為薄板表面強(qiáng)化加工的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

供試材料:黑龍江產(chǎn)大青楊(Populus ussuriensis)，刨切材試件平均尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為400 mm×100 mm×0.7 mm(壓縮后為 0.4 mm);三點(diǎn)彎曲試件平均尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為50 mm×15 mm×0.7 mm(壓縮后為0.4 mm)，拉伸試件平均尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為150 mm×7 mm×0.7 mm(壓縮后為0.4 mm)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:試驗(yàn)用熱壓機(jī)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)、德國(guó)ZWICK電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)方法:取上述橫紋壓縮試件常溫水中浸泡至飽水狀態(tài)，于105℃，用熱壓機(jī)弦向平均壓縮至厚度0.4 mm，干燥2 h后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)中于180℃或160℃定型處理1～24 h;分別取上述壓縮強(qiáng)化材、未壓縮素材等制成性能試驗(yàn)試件。性能試驗(yàn)中各試件均調(diào)整至氣干狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維方向拉伸

圖1是壓縮強(qiáng)化楊木薄單板與未壓縮強(qiáng)化楊木素材的拉伸載荷－拉伸變形圖，楊木素材未經(jīng)熱處理，壓縮強(qiáng)化楊木單板分別經(jīng)160℃定型熱處理4、20、24 h。由圖1可以看出，經(jīng)壓縮強(qiáng)化的楊木薄單板的拉伸變形曲線的斜率隨處理時(shí)間的增加而增大，且均明顯比未壓縮楊木素材的曲線斜率大;壓縮強(qiáng)化楊木薄單板破壞時(shí)的最大載荷值也比未壓縮強(qiáng)化的楊木素材高，表明壓縮強(qiáng)化后薄板的密度增加，纖維束間的橫向連接強(qiáng)度也相應(yīng)提高，使得壓縮強(qiáng)化材的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量均大幅度提高，強(qiáng)化材的拉伸性能明顯好于素材。

圖1 160℃條件下不同熱處理時(shí)間對(duì)強(qiáng)化楊木薄單板拉伸強(qiáng)度的影響

圖2是壓縮強(qiáng)化楊木薄單板與未壓縮強(qiáng)化楊木素材的拉伸載荷－拉伸變形圖，壓縮強(qiáng)化楊木單板分別經(jīng)180℃定型熱處理4、20、24 h，楊木素材未進(jìn)行熱處理。由圖2可見(jiàn)，經(jīng)壓縮強(qiáng)化后，楊木薄單板的拉伸變形曲線的斜率與160℃定型熱處理的情況類似，均比壓縮楊木素材的曲線斜率大，定型處理4、20 h的試件破壞時(shí)的最大載荷值比未壓縮強(qiáng)化的楊木素材高，因?yàn)閴嚎s強(qiáng)化后薄板的密度增加(拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量均與材料密度成正比)，比密度低的楊木素材的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量數(shù)值都有較大幅度提高;但是定型處理24 h的試件破壞時(shí)的最大載荷值卻比素材有所降低，可能是處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，高聚物低分子化過(guò)度，使其拉伸強(qiáng)度反而降低。需要說(shuō)明的是:壓縮強(qiáng)化后雖然厚度小了30%左右，但壓縮強(qiáng)化楊木薄單板的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量并沒(méi)有受到影響(除180℃定型處理24 h外，其他處理都比楊木素材高)。

圖2 180℃條件下不同熱處理強(qiáng)化楊木薄單板拉伸載荷與變形的關(guān)系

2.2 三點(diǎn)彎曲

圖3是壓縮強(qiáng)化楊木薄單板與未壓縮強(qiáng)化楊木素材的三點(diǎn)彎曲載荷－變形圖，壓縮強(qiáng)化楊木單板分別經(jīng)180℃定型熱處理4、7、13、16 h，楊木素材未進(jìn)行熱處理。由圖3可見(jiàn)，經(jīng)壓縮強(qiáng)化的楊木薄單板的彎曲變形曲線的斜率均比壓縮楊木素材的曲線斜率小，且破壞時(shí)的最大載荷值也比未壓縮強(qiáng)化的楊木素材低。說(shuō)明壓縮強(qiáng)化后薄板的密度雖然增加，但彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均比楊木素材有所減小，可能與熱處理使木材半纖維素降解及木質(zhì)素低分子化有關(guān)，造成彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量下降，這一結(jié)果與非薄板彎曲試驗(yàn)相一致［3，8］。

圖3 180℃條件下不同熱處理時(shí)間對(duì)強(qiáng)化楊木薄單板彎曲載荷－位移的影響

圖4是壓縮強(qiáng)化楊木薄單板與未壓縮強(qiáng)化楊木素材彎曲變形圖，壓縮強(qiáng)化楊木單板分別經(jīng)160℃定型熱處理 2、4、8、12、16、20 h，楊木素材未進(jìn)行熱處理。由圖4可見(jiàn)，經(jīng)壓縮強(qiáng)化的楊木薄單板的彎曲變形曲線的斜率除處理時(shí)間2、4 h外，均比未壓縮楊木素材的曲線斜率小，即其彎曲彈性模量大體比素材低，破壞時(shí)的最大載荷值也比未壓縮強(qiáng)化的楊木素材低，可見(jiàn)160℃處理8 h以上對(duì)木材構(gòu)成物質(zhì)半纖維素、木質(zhì)素的降解和低分子化作用明顯，使壓縮強(qiáng)化薄單板的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均明顯低于素材，主要原因是長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)崽幚硎拱肜w維素降解加劇及木質(zhì)素低分子化過(guò)度，導(dǎo)致其彎曲性能比素材有所下降。

圖4 160℃條件下不同熱處理時(shí)間對(duì)強(qiáng)化楊木薄單板彎曲載荷－位移的影響

3 結(jié)論

160℃或180℃定型熱處理壓縮強(qiáng)化薄單板，其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量比素材都有較大幅度提高。壓縮強(qiáng)化后的薄單板雖然厚度小了30%左右，但拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量仍比楊木素材高。

160℃或180℃定型熱處理壓縮強(qiáng)化薄單板，其彎曲彈性模量隨熱處理時(shí)間的增加而下降，其彎曲強(qiáng)度大體都比素材有所降低。主要原因是:長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)崽幚硎鼓静臉?gòu)成物質(zhì)半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生降解和低分子化，使木材分子鏈變短，從而導(dǎo)致彎曲彈性模量下降，降低了薄單板的彎曲強(qiáng)度。

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