毛白楊壓縮變形回復(fù)工藝與應(yīng)用的研究

王 茜，薛 童，胡逢海，史旭斌，樊 越，閆 麗

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

木材是一種多孔的黏彈性材料，在充分軟化條件下可以不破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)而壓縮密實[1]，壓縮木的變形不易固定,在水分或水熱條件下會產(chǎn)生回復(fù)[2]。木材的壓縮變形分為彈性變形和塑性變形，彈性變形指在外力撤除后會發(fā)生回復(fù)的變形，塑性變形指在外力撤除后不發(fā)生回復(fù)、被永久固定的變形，水熱回復(fù)處理加速彈性變形的回復(fù)[3]。近幾十年學(xué)者的研究著重于壓縮變定的產(chǎn)生及回復(fù)的機理,從而探索使變形永久固定的方法[4]。雷亞芳[5-7]等報道壓縮木浸水后壓縮變形會發(fā)生回復(fù)，壓縮方法、原有木材的材質(zhì)和溫度、壓縮程度、壓縮方向、含水率等對壓縮木回復(fù)都會產(chǎn)生影響。寇建良[8]等認(rèn)為熱壓溫度對回復(fù)率影響顯著,當(dāng)熱壓溫度從140℃增至160℃時,回復(fù)率下降了4.77%。當(dāng)熱壓溫度從160℃增至180℃時,回復(fù)率下降了16.76%。李凱夫[9]研究得到水飽和杉木在20～100℃各溫度下壓縮、干燥和固定變形,然后在0～100℃各溫度水中浸泡,變形溫度不同,回復(fù)率也不同。20、40、60、80、100℃壓縮固定后在0℃水中浸泡后的回復(fù)率分別為81%、78%、73%、61%、46%。干燥條件對壓縮變形回復(fù)有影響，王潔瑛[10]、I.Iida[11-14]認(rèn)為變定的基本特征為:受力木材在水分非平衡(如恒溫的熱氣干燥)或水分、溫度非平衡(如微波干燥)條件下干燥,與水分平衡條件下相比,會產(chǎn)生更大的變定。在干燥狀態(tài)下,變定不回復(fù),但在水或水熱作用下,變定幾乎完全回復(fù)。由50℃熱氣干燥產(chǎn)生的變定僅在水分的作用下便可基本回復(fù),而要使微波干燥產(chǎn)生的變定回復(fù),則必須進行水熱處理。趙鐘聲[15]等研究得到壓縮變形時(或經(jīng)過)的溫度與解壓溫度差值、不同樹種以及木材晚材率和密度也會影響木材壓縮變形的回復(fù)率。

本研究通過水煮和浸泡-微波2種軟化方法在不破壞木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的前提下，對人工林楊木進行橫向壓縮，然后通過室溫下浸泡水的方法使壓縮變形完全回復(fù)。分析軟化方法、軟化工藝和熱壓方法對木材壓縮變形回復(fù)率的影響，探索木材壓縮變形全回復(fù)的軟化和熱壓工藝參數(shù)，為低質(zhì)速生楊木在工藝品生產(chǎn)中的應(yīng)用提供新思路和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

采自陜西省境內(nèi)的毛白楊，規(guī)格為20 mm×20 mm×30 mm(R×T×L)，平均氣干密度為0.53 g·cm-3，無開裂、腐朽、變色等缺陷。

1.2 儀器與設(shè)備

熱壓機(咸陽威迪DXL-1500KN型)、JSM-6360LV掃描電鏡、微波爐、水浴鍋。

1.3 方法

1.3.1 水煮軟化 將試材放置在水浴鍋中水煮，溫度為80℃，時間分別為0.5、1、1.5、2 h，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重、計算含水率。計算公式如下：

(1)

式中：W——試材的含水率(%)；mr——試材軟化后的質(zhì)量(g)；m0——試材絕干質(zhì)量(g)。

1.3.2 浸泡-微波軟化 首先將試材放入室溫的水中浸泡，時間分別為6、8、12、24 h，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重、計算含水率；微波處理時間為30 s，功率分別為50、80、100 PW。

1.3.3 熱壓處理 采用熱壓機將軟化處理后的試材進行橫紋徑向壓縮，采用10 mm的厚度規(guī)控制壓縮率，壓縮率為50%，熱壓溫度分別為120、140、160℃，保壓時間10 min。熱壓曲線見圖1。

圖1 熱壓曲線

1.3.4 回復(fù)方法 將壓縮后的試材浸泡在冷水中，放置在室溫條件下每隔1 h測定1次試材的厚度，經(jīng)過10 h試材的尺寸變化緩慢，因此以回復(fù)10 h試材的尺寸計算回復(fù)率：

(2)

式中：D——壓縮試材的回復(fù)率(%)；dr——壓縮試材回復(fù)后的厚度(mm)；d0——壓縮試材壓縮前的厚度(mm)；dc——壓縮試材壓縮后的厚度(mm)。

1.3.5 掃描電鏡觀察 將未處理材及壓縮回復(fù)后的試材放入烘箱，在恒溫80℃下烘干72 h，用小刀鋸制成規(guī)格為4 mm×4 mm×2 mm(R×T×L)的試片，進行噴金、掃描，分別在150倍與250倍下觀察試材橫切面的徑列復(fù)管孔及木纖維細(xì)胞壁和細(xì)胞腔。

1.3.6 工藝品制作工藝流程及方法 采用優(yōu)化的壓縮變形全回復(fù)工藝制作工藝品“丘比特之箭”，工藝流程圖見圖2，將毛白楊制作的箭頭在室溫水中浸泡12 h，并以80 kW微波功率處理30 s，再在140℃下壓縮至虛線處，穿過箭孔(圖3)，再將箭頭在水中浸泡，回復(fù)至原本尺寸后干燥加工成成品。

圖2 “丘比特之箭”工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 軟化處理對回復(fù)率的影響

2.1.1 水煮法軟化 將毛白楊試材在80℃下分別水煮0.5、1、1.5、2 h，水煮后的試材稱重后進行橫紋徑向壓縮處理，熱壓溫度140℃，保壓時間10 min，壓縮完成后立即浸泡在冷水中進行回復(fù)處理。

圖3 “丘比特之箭”部件

圖4 水煮軟化處理材回復(fù)率

水煮軟化后試材的含水率及經(jīng)過10 h冷水回復(fù)后的回復(fù)率見圖4。水煮軟化后，試材的含水率為34.54%～42.40%，均高于木材的纖維飽和點，水煮軟化處理1.5 h的試材回復(fù)率最高，為77.56%。

2.1.2 浸泡-微波軟化法 為了降低軟化后木材的含水率梯度和溫度梯度，本研究探索了浸泡-微波軟化法。將浸泡6、8、12、24 h的毛白楊試材分別以50、80、100 PW的微波功率處理30 s后進行橫紋徑向壓縮，溫度140℃，保壓時間10 min，壓縮完成后立即浸泡在冷水中進行回復(fù)處理，浸泡后試材的含水率及經(jīng)過10 h回復(fù)處理試材的回復(fù)率見圖5。在浸泡-微波處理法中，浸泡時間越長，試材的含水率越高，但是與水煮相比試材含水率增加慢，經(jīng)過24 h浸泡，試材含水率達(dá)到31.17%。回復(fù)率隨著浸泡時間的延長先增加后降低，當(dāng)浸泡時間為12 h，試材含水率為28.79%時，回復(fù)率達(dá)到最大值80.26%，而當(dāng)浸泡時間延長到24 h，含水率為31.17%時，回復(fù)率降低。浸泡時間為6、8、12、24 h，微波功率為80 kW時，試材的回復(fù)率大于微波功率為50 kW和100 kW的回復(fù)率。當(dāng)浸泡時間為12 h，微波功率為80 kW時，毛白楊的回復(fù)率達(dá)到最大值80.26%。

2.2 熱壓溫度對回復(fù)率的影響

采用浸泡-微波法軟化毛白楊，浸泡時間12 h，微波功率80 kW，微波時間30 s。熱壓溫度分別為120、140、160℃，保壓時間10 min，壓縮完成后將試件浸泡在冷水中進行回復(fù)處理，回復(fù)10 h后，試材的回復(fù)率見圖6。熱壓溫度為140℃時，試材回復(fù)率最高，達(dá)到80.26%。

圖5 浸泡-微波軟化處理材回復(fù)率

圖6 不同熱壓溫度制備壓縮木的回復(fù)率

2.3 壓縮木微觀構(gòu)造電鏡圖

未處理的毛白楊試材和經(jīng)過壓縮回復(fù)(12 h浸泡，80 kW功率微波處理30 s，140℃熱壓10 min，冷水浸泡回復(fù)10 h)的毛白楊試件橫切面的電鏡觀察照片如圖7。由圖7a可以觀察到毛白楊的徑列復(fù)管孔及木纖維細(xì)胞壁和細(xì)胞腔。經(jīng)過壓縮回復(fù)處理后，木材的細(xì)胞壁沒有被破壞，直徑較大的管孔基本回復(fù)最初的形態(tài)，說明壓縮浸泡回復(fù)工藝可以不破壞木材的細(xì)胞壁將木材進行壓縮，然后使壓縮變形回復(fù)。

注：a.未處理試件; b.浸泡12 h，微波功率80 kW，微波時間30 s，140℃熱壓10 min冷水回復(fù)10 h試件。

圖7毛白楊壓縮木掃描電鏡

Fig.7 SEM graphs of compressed poplar samples

2.4 應(yīng)用實例

采用壓縮回復(fù)工藝制作工藝品“丘比特之箭”見圖8。心形部件由黃樟(Cinnamomumporrectum)制成，箭由毛白楊制成，中部圓孔的直徑為15 mm，箭尾最大寬度20 mm，箭頭最大寬度20 mm。箭頭、箭桿、箭尾由一塊完整的木材制成，箭頭和箭尾都無法從圓孔穿過。此工藝品的制作實例證明了壓縮回復(fù)工藝在實際應(yīng)用的可行性。

3 結(jié)論與討論

水煮軟化處理下的毛白楊試材的平均含水率均>木材的纖維飽和點，并隨著水煮時間的延長而升高。水煮處理后，木材細(xì)胞壁中充滿結(jié)合水，細(xì)胞腔中存在一定量的自由水[16]，水分對木材起到了軟化和潤脹的作用。水煮2 h時達(dá)到42.40%，回復(fù)率則在1.5 h(含水率38.04%)時最大，為77.56%。但是經(jīng)過不同時間水煮處理的毛白楊的回復(fù)率未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢,由于經(jīng)過水煮軟化處理木材表、心層含水率、溫度分布不均勻，含水率梯度和溫度梯度對木材回復(fù)率的影響比較復(fù)雜，僅通過水煮處理時間很難對變形回復(fù)率進行控制。

浸泡-微波軟化處理下，試材的平均含水率隨著浸泡時間的增加而升高，浸泡處理后水分子進入木材對木材產(chǎn)生潤脹作用，微波處理使木材溫度升高，在水熱的共同作用下軟化木材，當(dāng)浸泡時間為24 h時，試材含水率達(dá)到31.17%；回復(fù)率則隨著浸泡時間的延長先增加后降低，當(dāng)浸泡時間為12 h，試材含水率為28.79%時，回復(fù)率達(dá)到最大值80.26%，而當(dāng)浸泡時間延長到24 h，回復(fù)率降低。

注：a.工藝品實拍圖; b.箭頭局部與圓孔比例關(guān)系; c.箭尾與圓孔比例關(guān)系

圖8“丘比特之箭”工藝品

Fig.8 Art work—“Cupid arrow”

熱壓溫度對回復(fù)率有影響，當(dāng)溫度為140℃時，試材回復(fù)率最高，達(dá)到80.26%。說明此時木材壓縮變形中彈性變形比例最大，在浸泡回復(fù)處理中可以回復(fù)。在高含水率狀態(tài)下木質(zhì)素的熱軟化點為70～116℃,半纖維素為20～56℃，而在干濕狀態(tài)下纖維素的軟化點基本不變，為222～245℃[10]。熱壓溫度升高有利于木質(zhì)素和半纖維素的軟化，降低壓縮對木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破壞，使壓縮木內(nèi)部的彈性回復(fù)力升高，在保壓時間較短的情況下，彈性回復(fù)力釋放較少，木材浸水變形回復(fù)率較大。當(dāng)熱壓溫度升高到160 ℃時，木材的半纖維素發(fā)生劇烈分解[16-17]，分子鏈斷裂使壓縮木內(nèi)部的彈性回復(fù)力釋放，木材變形回復(fù)率降低。因此當(dāng)保壓時間為10 min，熱壓溫度為140℃時,試材的回復(fù)率最高。

多水平對照試驗結(jié)果表明：將試材浸泡12 h(含水率28.79%)并以80 kW微波功率處理30 s，再在140℃下進行橫紋壓縮，經(jīng)冷水浸泡10 h回復(fù)率可達(dá)到80.26%，為本研究的優(yōu)化回復(fù)工藝參數(shù)。

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