輻射松處理材制備實(shí)木家具節(jié)點(diǎn)性能研究?

元海廣 王夢(mèng)蕾 王曉磊 孫照斌 楊麗虎 張國(guó)杰

（1.江蘇愛(ài)美森木業(yè)有限公司，江蘇 淮安 223001；2.河北愛(ài)美森木材加工有限公司，河北 邯鄲056800；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000）

輻射松（Pinus radiata）是我國(guó)近年來(lái)進(jìn)口量較大的木材種類，在家具、木地板等木制品中應(yīng)用較多[1-2]。輻射松氣干密度較低，材質(zhì)輕軟，抗彎強(qiáng)度等級(jí)為中，彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性等級(jí)低，耐腐性能較差，屬低等級(jí)木材[2-3]。對(duì)木材進(jìn)行樹脂浸漬增強(qiáng)處理和高溫?zé)崽幚硎悄壳皣?guó)內(nèi)外常用的木材改性技術(shù)[4-9]，采用改性技術(shù)開(kāi)發(fā)輻射松木材，對(duì)其高效利用有重要意義[2]。

家具節(jié)點(diǎn)的接合方式與接合強(qiáng)度對(duì)家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有決定性作用[10-12]。實(shí)木家具常見(jiàn)的接合方式有榫接合、膠接合、釘及木螺釘接合、連接件接合等[14]。實(shí)木家具的框架結(jié)構(gòu)有直角和斜角接合框架2 種形式[13-17]，構(gòu)件主要有“L”型和“T”型直角構(gòu)件以及“L”型斜角構(gòu)件3 種形式。對(duì)框架節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度性能的研究可簡(jiǎn)化成對(duì)“L”型結(jié)構(gòu)和“T”型結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度性能的研究[16-18]。

目前關(guān)于輻射松樹脂改性材與真空熱處理樹脂改性材用于家具節(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度研究未見(jiàn)報(bào)道。本文采用“L”型和“T”型直角構(gòu)件框架形式，對(duì)輻射松樹脂增強(qiáng)浸漬材與熱處理樹脂浸漬材制作的實(shí)木家具節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度進(jìn)行研究，旨在為輻射松改性材在實(shí)木家具中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1）輻射松（Pinus radiata）木材：輻射松樹脂增強(qiáng)浸漬材（以下簡(jiǎn)稱樹脂材）與真空熱處理樹脂浸漬材（以下簡(jiǎn)稱熱處理樹脂材），河北愛(ài)美森木材加工有限公司。

輻射松樹脂材：采用以脲醛樹脂為主體的改性液體對(duì)木材進(jìn)行真空加壓浸漬處理，液體濃度為22%～25%，浸漬壓力2.5～3.0 MPa，真空加壓浸漬時(shí)間3 h左右；之后進(jìn)行常規(guī)二次干燥，得到樹脂浸漬材，含水率為8%～10%。

輻射松真空熱處理樹脂材：對(duì)常規(guī)干燥后樹脂材進(jìn)行真空熱處理，熱處理壓力20 kPa，溫度達(dá)到180 ℃后保持10 h，隨后緩慢降溫，降溫5～8 ℃/h；溫度低于50 ℃后開(kāi)窯出材。

所用試件尺寸規(guī)格分為2 種：150 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×徑向）和200 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×徑向）。

2）雙圓棒榫。試驗(yàn)采用的雙圓棒榫樹種為樺木（外購(gòu)），類型為螺紋型，尺寸規(guī)格選用Φ10 mm×40 mm。圓棒榫含水率在10%左右。

3）連接件。采用的五金連接件為普通三合一偏心連接件，由倒刺螺母、偏心輪、金屬連接桿3 部分構(gòu)成。偏心頭尺寸Φ15 mm×11.5 mm；連接桿尺寸Φ7.5 mm×32 mm；倒刺螺母尺寸Φ10 mm×11 mm，材料為尼龍。

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為微機(jī)控制電子式木材萬(wàn)能試驗(yàn)，型號(hào)：WDW-100E，生產(chǎn)廠家：濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試

采用微機(jī)控制電子式木材萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)“T”型和“L”型構(gòu)件進(jìn)行理想狀態(tài)下的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)發(fā)生抗彎破壞或變形，從而獲得構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞的強(qiáng)度值與破壞或變形形式[17]。

試驗(yàn)時(shí)，垂直載荷P在“L”型和“T”型直角構(gòu)件橫向試件的100 mm處進(jìn)行勻速加載。圖1 為“L”型直角接合構(gòu)件和“T”型直角接合構(gòu)件的加載示意圖。

圖1 “L”型構(gòu)件和“T”型構(gòu)件載荷加載示意圖Fig.1 Loading diagram of "L" type component and"T" type component

1.3.2 試件制作

試驗(yàn)以樹脂材和熱處理樹脂材為基材，采用貫通直角單榫接合、雙圓棒榫接合、偏心連接件接合3 種節(jié)點(diǎn)接合方式，每種接合方式均包含“L”、“T”型2 種構(gòu)件形式，將試件組裝成“T”型、“L”型構(gòu)件，共組成6 組不同試件。

試驗(yàn)采用過(guò)盈配合，控制圓棒榫（Φ10 mm×40 mm）與榫孔間隙量為1.0 mm，圓棒榫與榫孔配合間隙為0.0 mm，貫通直角單榫榫頭端部與榫孔底部間隙為1.0 mm，組裝時(shí)使用白乳膠單面（榫孔）涂膠。

圖2～7 分別為“T”型和“L”型構(gòu)件具體的連接形式與結(jié)構(gòu)尺寸圖及載荷的加載位置圖。

圖2 改性材貫通直角單榫“L”型接合構(gòu)件Fig.2 "L" joint member with right angle through single tenon of modified timber

圖3 改性材貫通直角單榫“T”型接合構(gòu)件Fig.3 Right angle through single tenon "T" joint member of modified timber

圖4 改性材雙圓棒榫“L”型接合構(gòu)件Fig.4 "L" joint member with double round bar tenon of modified timber

圖5 改性材雙圓棒榫“T”型接合構(gòu)件Fig.5 "T" joint member with double round bar tenon of modified timber

圖6 改性材三合一偏心連接件“L”型接合構(gòu)件Fig.6 "L" joint component of three in one eccentric connector of modified material

圖7 改性材三合一偏心連接件“T”型接合構(gòu)件Fig.7 "T" joint component of three in one eccentric connector of modified material

1.3.3 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算

家具節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度以破壞彎矩作為抗彎強(qiáng)度指標(biāo)，破壞彎矩越高，表明節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度越高[18-20]。如圖1 所示，在試件加荷載點(diǎn)上施加荷載，直至屈服極限，按照下式計(jì)算破壞彎矩：式中：M為破壞彎矩，N·m；P為屈服極限荷載，N；L為加荷點(diǎn)至基點(diǎn)的距離，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂材和熱處理樹脂材構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度對(duì)比分析

樹脂材與熱處理樹脂材“T”型、“L”型不同結(jié)合方式節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度如圖8 所示。

由圖8 可知，無(wú)論是“T”型還是“L”型構(gòu)件，樹脂材3 種接合方式的節(jié)點(diǎn)平均接合強(qiáng)度均大于熱處理樹脂材。與樹脂材相比，為貫通直角單榫接合時(shí)，熱處理樹脂材“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度降低了33.87%，“L”型降低了40.71%；雙圓棒榫接合時(shí)，熱處理樹脂材“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度降低了21.02%，“L”型降低了18.72%；偏心連接件接合時(shí)，熱處理樹脂材“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度降低了14.51%，“L”型降低了9.84%。

上述結(jié)果主要受基材物理力學(xué)性能因素影響，基材的力學(xué)性質(zhì)在一定程度上決定節(jié)點(diǎn)接合部位的接合強(qiáng)度。楊麗虎[21]等對(duì)改性輻射松物理力學(xué)性能的研究表明：熱處理樹脂材的密度和力學(xué)強(qiáng)度，相對(duì)于樹脂材均不同幅度有所下降，其中熱空氣處理浸漬材相較浸漬材，抗彎強(qiáng)度下降9.35%、抗彎彈性模量下降14.62%、順紋抗壓強(qiáng)度下降13.74%，樹脂材密度大于熱處理樹脂材。因此在相同試驗(yàn)條件下，輻射松樹脂材節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度大于真空熱處理輻射松樹脂材。

2.2 “L”型構(gòu)件與“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度對(duì)比與分析

由圖8 可知，同為樹脂材，貫通直角單榫“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合破壞彎矩值（237.16 N·m）比“L”型構(gòu)件（205.86 N·m）高15.20%。同為熱處理樹脂材，貫通直角單榫“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合破壞彎矩值（156.83 N.m）比“L”型構(gòu)件（122.06 N·m）高28.48%。

同樣，同為樹脂材，雙圓棒榫“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞彎矩值（87.80 N·m）比“L”型構(gòu)件（74.75 N·m）高17.45%。同為熱處理樹脂材，雙圓棒榫“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合破壞彎矩值（69.34 N·m）比“L”型構(gòu)件（60.75 N·m）高14.13%。

同為樹脂材，偏心連接件節(jié)點(diǎn)“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞彎矩值（10.82 N·m）比“L”型構(gòu)件（9.75 N·m）高10.97%。同為熱處理樹脂材，偏心連接件“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合破壞彎矩值（9.25 N·m）比“L”型構(gòu)件（8.79 N·m）高5.23%。

節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)接合部位有很大關(guān)系。當(dāng)接合部位靠近“L”型構(gòu)件端部時(shí)，其接合強(qiáng)度小于接合部位遠(yuǎn)離端部的“T”構(gòu)件的接合強(qiáng)度。試驗(yàn)中，2種改性輻射松均為“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度大于“L”型節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度。其原因可能是2 種構(gòu)件受力部位不同，“L”構(gòu)件縱向試件端部會(huì)受到順紋方向的擠壓、破壞而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效；“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離試件端部，縱向試件節(jié)點(diǎn)受力時(shí)上部木材抗彎強(qiáng)度增高，從而試件基本無(wú)損壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度主要受膠合強(qiáng)度等因素影響。因此，節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度是膠合強(qiáng)度、基材力學(xué)性能、接合部位等因素共同決定的[22]。

2.3 貫通直角單榫、雙圓棒榫與偏心連接件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度對(duì)比分析

從圖8 可知，3 種節(jié)點(diǎn)接合方式的接合強(qiáng)度關(guān)系為：貫通直角單榫接合＞雙圓棒榫接合＞偏心連接件接合，且每種節(jié)點(diǎn)接合方式中“T”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度均大于“L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度。

偏心連接件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于雙圓棒榫與貫通直角單榫接合的原因在于：雙圓棒榫與貫通直角單榫接合中均采用了膠接合作為輔助接合，膠合強(qiáng)度提升了節(jié)點(diǎn)的整體接合強(qiáng)度，而偏心連接件接合方式的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度受連接件與基材的影響，影響接合強(qiáng)度的因素較為單一。預(yù)埋螺母材料為尼龍，自身強(qiáng)度不高，加之預(yù)埋螺母深度為11 mm，在加載垂直荷載時(shí)，預(yù)埋螺母螺紋與基材接觸受力，預(yù)埋螺母材料強(qiáng)度低于基材強(qiáng)度，因此易破壞、拔出。還有受試件尺寸與安裝方式的影響，試件寬度為厚度3 倍，相差較大。當(dāng)橫向試件水平放置時(shí)，在加載荷載情況下，橫向試件發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于厚度較小，不能在橫向試件接近接合部位的下端形成有效支撐點(diǎn)，因此偏心連接件的接合強(qiáng)度只能依靠連接件的抗拔力。

貫通直角單榫高于雙圓棒榫節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度的原因可能受膠合面積與應(yīng)力的影響。貫通直角單榫的膠合面積大于其余2 種接合方式，當(dāng)對(duì)橫向試件施加垂直載荷時(shí)，膠合力較大，接合部位就不易被破壞，同時(shí)貫通直角單榫的受力面積大，而其余2 種接合方式受力面積小，應(yīng)力等于單位面積上的承載力，因此，雙圓棒榫與偏心連接件的應(yīng)力相對(duì)集中，當(dāng)橫向試件承載的牽引力大于圓棒榫與榫孔的摩擦力與膠合力的矢量和時(shí)，或大于預(yù)埋螺母與孔位的摩擦力時(shí)，試件遭到破壞。同時(shí)還受構(gòu)件接合強(qiáng)度與基材尺寸的影響。當(dāng)橫向試件豎直放置時(shí)如圖2～3 所示，橫向試件受力偏移時(shí)在其左下端會(huì)形成一個(gè)支點(diǎn)，在一定程度上可增加接合強(qiáng)度。而在偏心連接件接合構(gòu)件中，橫向試件水平放置并且試件寬度遠(yuǎn)大于厚度，因此其左下端支點(diǎn)發(fā)揮的作用很小。

2.4 構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞特征分析

2.4.1 貫通榫構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材貫通直角單榫接合構(gòu)件破壞形式見(jiàn)圖9。由圖9a可見(jiàn)，縱向試件沿木材順紋方向開(kāi)裂，榫頭底部沿順紋方向開(kāi)裂。而圖9b中，縱向試件表現(xiàn)為沿榫孔方向開(kāi)裂，然后膠層受損，榫頭下端開(kāi)裂，最終榫頭被拔出或斷裂。

對(duì)比“L”型與“T”型構(gòu)件發(fā)現(xiàn)，“L”型構(gòu)件破壞主要是縱向試件端部開(kāi)裂，試件節(jié)點(diǎn)失效，而“T”構(gòu)件是膠層受損，節(jié)點(diǎn)失效。在“T”構(gòu)件中節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離端部，同時(shí)膠合強(qiáng)度大于樹脂材自身強(qiáng)度，“L”型構(gòu)件接合部位在端部，在膠層未受損時(shí)，縱向試件就已被破壞，因此樹脂材貫通直角單榫接合“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞強(qiáng)度大于“L”型。

2.4.2 雙圓棒榫構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材圓棒榫接合構(gòu)件破壞形式如圖10 所示。由圖10a和10b可見(jiàn)，樹脂材和熱處理樹脂材試件在加載力過(guò)程中主要破壞特征相似：主要為接近端部的一個(gè)圓棒榫先被拔出，同時(shí)發(fā)生變形。在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試軟件曲線圖中力瞬間下降，2 個(gè)圓棒榫均被從榫孔中拔出，圓棒榫上附著少量木屑，同時(shí)發(fā)生變形，而后下端圓棒榫受力變形逐漸被拔出，下方圓棒榫變形程度大于上方圓棒榫受損程度，部分下方圓棒榫斷裂，縱向試件榫孔處有裂紋出現(xiàn)，其余部分基本未受損，橫縱試件均完好。

從構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞形式分析，“L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)主要是由于縱向試件的上端受到圓棒榫沿木材順紋方向擠壓而首先遭到破壞?！癟”型構(gòu)件端部幾乎不受力，最上端的圓棒榫首先受力從榫孔中拔出，而后第二圓棒榫開(kāi)始受力，整個(gè)過(guò)程中橫縱試件幾乎無(wú)損壞。節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)接合部位有很大關(guān)系[24-25]。當(dāng)接合部位靠近“L”型構(gòu)件端部時(shí)，其接合強(qiáng)度小于接合部位遠(yuǎn)離端部的“T”型構(gòu)件的接合強(qiáng)度。

2.4.3 偏心連接件節(jié)點(diǎn)破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材偏心連接件接合構(gòu)件破壞形式如圖11所示。由圖11a和11b可見(jiàn)，在對(duì)構(gòu)件施加垂直載荷過(guò)程中，2個(gè)預(yù)埋螺母被同時(shí)從縱向試件中拔出，螺母螺紋被破壞，剩余組件則完好無(wú)損。

2.5 改性輻射松與其他木材構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度對(duì)比分析

李素瑕[23]在馬尾松家具框架節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度性能研究中，對(duì)改性輻射松與脫脂馬尾松構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的最大破壞載荷值進(jìn)行比較分析，其中脫脂馬尾松貫通直角單榫接合的“L”型和“T”型構(gòu)件破壞載荷分別為492.7 N和604.7 N，雙圓棒榫接合“L”型和“T”型構(gòu)件破壞載荷分別為655.5 N和1 054.0 N；改性輻射松貫通直角單榫接合“L”型和“T”型構(gòu)件的破壞載荷分別為607.5 N和693.4 N，雙圓棒榫接合“L”型和“T”型構(gòu)件破壞載荷分別為1 220.6 N和1 568.3 N。改性輻射松雙圓棒榫接合與貫通直角單榫接合節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度均明顯高于脫脂馬尾松。

陶穎[26]研究了八角木的加工性能，其中貫通直角單榫接合“L”型構(gòu)件的破壞載荷為1 127.1 N，“T”型構(gòu)件破壞載荷為1 264.1 N，平均破壞載荷為1 195.6 N。圖8 數(shù)據(jù)顯示，熱處理樹脂材與樹脂材貫通直角單榫構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)破壞載荷均高于八角木。八角木物理力學(xué)性能優(yōu)于改性輻射松，但本試驗(yàn)的改性輻射松貫通直角單榫接合的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度卻高于八角木，其原因可能為：本試驗(yàn)中試件寬度大于八角木試件寬度，同時(shí)八角木試件榫頭尺寸為50 mm×30 mm×25 mm（長(zhǎng)×寬×厚）小于本試驗(yàn)尺寸，因此本試驗(yàn)試件的膠合強(qiáng)度可能會(huì)因榫卯尺寸變大、膠合面積增大而提高，同時(shí)這也從側(cè)面驗(yàn)證了改性輻射松通過(guò)改進(jìn)加工方式與優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化零部件尺寸關(guān)系等可以達(dá)到優(yōu)質(zhì)木材的使用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)樹脂浸漬改性的輻射松在一定條件下可以達(dá)到或接近優(yōu)質(zhì)木材的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度，具備制作高、中檔家具的潛能。

3 結(jié)論

本文對(duì)輻射松樹脂增強(qiáng)浸漬材與真空熱處理樹脂浸漬材制作的實(shí)木家具幾種連接方式的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）相同試驗(yàn)條件下，3 種“T”型和“L”型構(gòu)件接合形式中，輻射松樹脂材節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度均大于真空熱處理輻射松樹脂材；

2）改性輻射松（樹脂材與熱處理樹脂材）“T”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度大于“L”型構(gòu)件；

3）3 種“T”型和“L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度關(guān)系均為貫通直角單榫接合＞雙圓棒榫接合＞三合一偏心連接件接合；

4）改性輻射松經(jīng)過(guò)一定加工處理，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化零部件尺寸關(guān)系、多種接合方式配合使用等，其應(yīng)用于實(shí)木家具制造的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度可達(dá)到或接近優(yōu)質(zhì)木材的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度。