汽蒸-模壓彎曲楊木微觀構造損傷機理的研究

楊玉山，沈華杰，王 憲，王云龍，邱 堅

（西南林業(yè)大學材料科學與工程學院，云南 昆明650224）

所謂的“木材彎曲”是一門工藝。它是在木材軟化之后對其施加合適的外力，再通過模具使其變形成所要求的曲線形狀的過程[1]。用這種方法制成的彎曲木制品不僅因其連續(xù)完整的曲線造型備受大眾歡迎，而且通過彎曲加工工藝能有效利用木材的特殊特性。從木材本身結構特性來看，由于木材的具有黏彈性，木材能被彎曲成各種各樣的形狀。因此，木材彎曲技術成了利用木材和節(jié)約木材的一種可持續(xù)發(fā)展的方法，它結合了熱處理和機械處理的過程，改變了木材的黏流性，使木材在彎曲力矩作用下成特定的曲線形狀[1-4]。

目前，國內(nèi)外研究學者采用物理和化學兩種軟化方法進行處理木材，研究了水煮軟化改變木材的彎曲力學性能，木材的形變機理[5-11]；微波軟化中，木材表現(xiàn)出高塑性，產(chǎn)生較大的蠕變，即對木材進行水熱—微波處理聯(lián)合將獲得最佳的彎曲效果，與此同時微波處理時間、微波處理功率及試件初含水率等問題也影響木材的彎曲性能[12-15]；浸水與尿素浸泡木材的軟化彎曲性能差異很大[2,16,17]。而木材彎曲改變了傳統(tǒng)的彎曲木鋸彎方法，既達到彎曲審美效果和實踐應用，又符合當下的可持續(xù)發(fā)展要求。但在木材模壓彎曲過程中產(chǎn)生的彎曲變形是不穩(wěn)定的，致使木材的細觀結構極易發(fā)生變形、皺曲、隆起、破裂、塌陷或中性層分離[7,8,14,18-21]等缺陷。即木材受到一定外力作用后，其細胞壁界面會產(chǎn)生很多微小的裂紋，當受力繼續(xù)增大或持續(xù)受力，之前的裂紋就會繼續(xù)延伸，直至完全被破壞。

迄今，國內(nèi)外研究學者對木材彎曲工藝進行諸多嘗試，已經(jīng)詳細地研究了木材在不同工藝條件下的彎曲性能變化。但多數(shù)的研究都僅限于強度、剛度等宏觀力學特征變化，而對引起宏觀結構破壞的微觀構造變化研究還不夠。目前，李大綱等通過掃描電子顯微鏡觀察了水曲柳和蒙古櫟彎曲木細胞壁超微結構特征及細觀損傷機理[18,19]；Yuji Imamura對針葉材進行微波加熱彎曲后利用掃描電子顯微鏡觀察管飽壁徑切面細胞壁的皺曲與隆起，認為是彎曲加工造成的[22]。在實木彎曲過程中，筆者注意到木材在受拉側(cè)極易發(fā)生撕裂、受壓側(cè)極易發(fā)生皺曲隆起，但對這種引起宏觀破壞的細觀結構現(xiàn)象的研究甚少。本文旨在研究汽蒸-模壓彎曲楊木細胞壁顯微結構的黏滯屈曲和斷裂情況，分析了木材彎曲缺陷的破壞機理，旨在控制木材彎曲過程中細觀損傷的發(fā)生與延伸，為彎曲木工藝提供理論依據(jù)，合理利用木材提供基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試材為楊木（Populus sp.），購自云南昆明西南木材市場，為減少試件本身對彎曲質(zhì)量帶來的影響，均選用無腐朽、節(jié)子、裂紋等缺陷的楊木心材，加工成規(guī)格為1000 mm（長）×40 mm（寬）×20 mm（高）的試件進行彎曲工藝，各個平面加工平整、光潔。氣干密度為0.43g/mm3，紋理均小于15°。

1.2 楊木軟化與彎曲處理

將制備好的試件在水中浸泡至含水率約為40%，然后用保鮮膜包覆，放入立式壓力蒸汽滅菌器（BOXUN）中進行蒸汽處理，設定溫度為 110°C，處理時間6。利用鋼帶進行三點受力彎曲，將軟化好的木材加壓彎曲成曲率為300mm的C形彎曲零部件，如圖1所示；然后采用MZ08S-1型微波真空實驗爐進行1000W微波照射干燥定型。

圖1 三點受力彎曲示意圖Figure 1 Schematic illustration of three-point bending

1.3 物理力學性能

木材的物理性力學性能的測量依據(jù)GB1928-2009，GB1929-2009，GB1931-2009，GB1932-2009，GB1933-2009，GB1934.1-2009，GB1934.2-2009，GB1936.1-2009，GB1936.2-2009進行，分別測定楊木的密度、干縮系數(shù)、最大載荷、最大變形量、抗彎強度、抗彎彈性模量等物理力學性能指標，每組試件均為30個。

1.4 木材解剖

制作樣品切片：未彎曲楊木和彎曲后楊木參照圖2進行試樣的取樣，在彎曲木受拉側(cè)和受壓測部位進行取樣。

圖2 木材解剖試樣的取樣示意圖Figure 2 Schematic illustration of sampling method for wood anatomical specimen

按取樣方式在楊木素材和彎曲楊木上各取約10 mm*10 mm*5 mm，并固定在Leica SM 200R滑走切片機上制備橫切面、徑切面和弦切面切片，厚為12-20 μm，為減少刀片帶來的誤差，制樣時不定時更換刀片；把得到的合格切片放入50%翻紅和固綠中染色，以提供細胞壁之間的良好對比；然后依次用50%、70%、90%、100%、100%的乙醇水溶液進行脫水，在放入二甲苯中進行透明干凈處理；封片，貼標簽；干燥后采用尼康生物數(shù)碼顯微鏡圖像分析儀（CELIPSE 80i，Nikon，Japan）分析，同時再用 TM-3000臺式掃描電鏡進行進一步觀察。

2 結果與分析

2.1 物理力學性能

木材物理力學性能直接影響著木材的彎曲性能。楊木素材，浸泡至40%含水率的楊木素材以及含水率為40%、110°C氣蒸處理楊木的物理力學性能測試結果見表1.

表1 楊木素材與處理材的物理力學性能Table1 Physical-mechanical performance of natural wood and bending wood，respectively

由表1可得，木材經(jīng)浸水和汽蒸處理后，其絕干密度和氣干密度都有所增加，但增量不大，引起這種現(xiàn)象的原因是由于木材的吸濕滯后現(xiàn)象所引起的。而40%含水率的楊木經(jīng)汽蒸處理后，其含水率有所減小，但波動不大，都接近于40%，這是由于木材的汽蒸處理過程中水分的運動導致的差異。通過吸濕厚度膨脹率可得，楊木浸水到含水量為40%時，木材的吸水厚度膨脹率與汽蒸處理木材的相接近，但均大于素材，這結果符合木材的吸濕滯后現(xiàn)象。由最大載荷、靜曲強度和彈性模量測試結果可得，40%含水量、110°C汽蒸處理楊木的最大載荷、靜曲強度和彈性模量較楊木素材分別減小45.35%、42.40%和56.%；較含水率為40%、未蒸汽處理的木材，其最大載荷、靜曲強度和彈性模量分別減小6.6%、9.87%和13.6%。這是由于木材中的水分含量與蒸汽處理的協(xié)同作用使木材的力學性能降低，促進木材的彎曲。由木材的最大變形量可知，蒸汽處理楊木的變形量明顯比楊木素材好，其最大變形量較素材增加了196.85%，較含水率為40%、未蒸汽處理的木材，其最大變形量比楊木素材高61.09%。結果表明楊木素材隨著含水率的增加，力學性能降低，有利用木材彎曲；水熱處理木材的力學性能繼續(xù)降低，使得木材的彎曲性能更好。

2.2 楊木微觀特征

考慮了水熱彎曲木細觀結構存在的缺陷，對未處理楊木的微觀結構進行觀察以供比較。楊木素材的微觀結構如圖3所示。由圖可得，楊木的微觀結構特征如表2所示。

圖3 楊木素材的微形貌Figure 3 Microscopic morphology of the curved side of natural wood

表2 楊木的微觀結構特征Table1 Microscopic performance of natural wood

2.3 彎曲楊木微觀特征

2.3.1 彎曲楊木受拉側(cè)的微觀形貌

圖4a為彎曲楊木受拉側(cè)的橫切面微觀形貌，由圖可得木材橫切面上的導管及徑列復管孔結構基本上沒有損傷，但均發(fā)生變形，年輪界限幾乎沒有變化，這是由于木材在受力的情況下，木材彎曲導致其導管在平面內(nèi)發(fā)生形狀變形。圖4b為彎曲楊木受拉側(cè)徑切面的微觀形貌，由圖可得纖維壁和導管壁上有微小的裂紋和輕度的損傷（圖4e），這可能是由于木材中木纖維在木材彎曲后受擠壓剪切而的細胞分離現(xiàn)象和細胞之間出現(xiàn)的撕裂現(xiàn)象；以及原有的微裂紋的萌生與擴展延伸。但導管出現(xiàn)彎曲變形，變形處的紋孔被拉長，其他保持原有形狀，沒有出現(xiàn)紋孔開裂和破損，導管射線間紋孔未見開裂與破損（圖4d），說明導管壁上的紋孔有利于導管彎曲變形。圖4c為彎曲楊木受拉側(cè)弦切面的微觀形貌，如圖可得木射線形狀完好，沒有受到破環(huán)，說明彎曲變形對木射線影響不大。

圖4 彎曲楊木受拉側(cè)的微觀形貌Figure 4 Microscopic morphology of the curved side of bending wood

2.3.2 彎曲楊木受壓側(cè)的微觀形貌

圖5a為彎曲楊木受壓側(cè)的橫切面微觀形貌，由圖可得木材橫切面上的導管沒有損傷，但均發(fā)生屈曲變形；圖4b為彎曲楊木受壓側(cè)徑切面的微觀形貌，由圖可得纖維壁和導管壁上有明顯的屈曲和部分隆起（圖4d），沒有觀察到組織塌陷，并且排列整齊。由于木材中木纖維在木材彎曲后受擠壓而引起加厚和隆起現(xiàn)象（圖4e），以及原有的微裂紋的萌生與擴展延伸。導管射線間紋孔未見開裂與破損，說明導管壁上的紋孔有利于導管彎曲變形。圖4c為彎曲楊木受壓側(cè)弦切面的微觀形貌，如圖可得纖維有微小破裂，但木射線形狀完好，沒有受到，說明彎曲變形對木射線影響不大。

圖5 彎曲楊木受壓側(cè)的微觀形貌Figure 5 Microscopic morphology of the pressed side of bending wood

3 結論

通過水熱模壓彎曲的方法得彎曲到楊木，通過其物理力學研究表明楊木在110°C水熱處理之后，其物理力學性能最好，其次是60%水浸泡木材，楊木素材最好。但壓彎性能水熱處理是最好，其彎曲變形量較素材楊木增加了196.85%，較60%含水率楊木素材高61.09%。筆者確定水熱處理楊木材的彎曲性能后對其顯微結構進行對比分析，結果表明，在所有的微觀形貌圖中，導管分子均發(fā)生形狀上的變形，但氣導管壁上的紋孔菌沒有出現(xiàn)損傷、開裂。但受壓測的紋孔和纖維壁被壓縮，且有不同程度的變形隆起與皺曲；而受拉側(cè)木纖維細胞壁內(nèi)壁出現(xiàn)局部開裂或破損或含微小破裂損傷；在有損傷的部位都是沿著紋孔口或者纖維主軸方向上開裂。木射線形狀完好，沒有受到破壞與開裂，表明木材彎曲變形對木射線的影響不大。通過分析木材彎曲過程中，胞壁損傷破壞的發(fā)生機理，微裂紋擴展導致的破壞以及微裂紋延伸，從根本上揭示木材破壞的細觀損傷機理。從而需要進一步的研究不同的改良方法對木材彎曲微觀結構損傷的影響，以改善和優(yōu)化實木彎曲工藝。