表面強化刨切薄板拉伸、彎曲性能

2012-07-02 00:03:24趙鐘聲

東北林業大學學報 2012年8期

趙鐘聲

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

木材橫紋壓縮表面強化方法能使低質木材密度增加，物理、力學性能提高［1－7］。一般橫紋壓縮強化前均需水熱處理，對防止壓縮開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量較大，其熱容量大，高溫水熱處理后的木材，壓縮時能保持很好的熱軟化效果［3，8－18］。關于整形木壓縮性能的研究已有很多報道，但利用高溫水熱處理對厚度很小的薄木板進行壓縮強化的研究還少有報道，特別是常溫浸泡至飽水狀態直接進行薄板壓縮強化，并測試壓縮后試件的物理力學性能的研究還未見報道。對薄板木材進行高溫水熱軟化處理在實際生產時要消耗大量的熱能，而且薄板的保溫性通常較差，壓縮時仍保持好軟化性較難，所以本研究對大青楊薄板用常溫水浸泡至飽水狀態后直接進行橫紋壓縮，經高溫熱處理定型后，用物理力學試驗儀器測試分析壓縮前后試件主要物理力學性能，考察未經傳統水熱處理橫紋壓縮的薄板能否達到預期的強化效果，旨在為薄板表面強化加工的實際生產提供理論依據。

1 材料與方法

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

實驗設備:試驗用熱壓機、電熱恒溫鼓風干燥機、德國ZWICK電子萬能力學試驗機等。

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

2 結果與分析

2.1 纖維方向拉伸

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

圖2是壓縮強化楊木薄單板與未壓縮強化楊木素材的拉伸載荷－拉伸變形圖，壓縮強化楊木單板分別經180℃定型熱處理4、20、24 h，楊木素材未進行熱處理。由圖2可見，經壓縮強化后，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的試件破壞時的最大載荷值比未壓縮強化的楊木素材高，因為壓縮強化后薄板的密度增加(拉伸強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度和拉伸彈性模量數值都有較大幅度提高;但是定型處理24 h的試件破壞時的最大載荷值卻比素材有所降低，可能是處理時間過長，高聚物低分子化過度，使其拉伸強度反而降低。需要說明的是:壓縮強化后雖然厚度小了30%左右，但壓縮強化楊木薄單板的拉伸強度和拉伸彈性模量并沒有受到影響(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化楊木薄單板拉伸載荷與變形的關系

2.2 三點彎曲

圖3是壓縮強化楊木薄單板與未壓縮強化楊木素材的三點彎曲載荷－變形圖，壓縮強化楊木單板分別經180℃定型熱處理4、7、13、16 h，楊木素材未進行熱處理。由圖3可見，經壓縮強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，且破壞時的最大載荷值也比未壓縮強化的楊木素材低。說明壓縮強化后薄板的密度雖然增加，但彎曲強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素低分子化有關，造成彎曲強度和彎曲彈性模量下降，這一結果與非薄板彎曲試驗相一致［3，8］。

圖3 180℃條件下不同熱處理時間對強化楊木薄單板彎曲載荷－位移的影響

圖4是壓縮強化楊木薄單板與未壓縮強化楊木素材彎曲變形圖，壓縮強化楊木單板分別經160℃定型熱處理 2、4、8、12、16、20 h，楊木素材未進行熱處理。由圖4可見，經壓縮強化的楊木薄單板的彎曲變形曲線的斜率除處理時間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，破壞時的最大載荷值也比未壓縮強化的楊木素材低，可見160℃處理8 h以上對木材構成物質半纖維素、木質素的降解和低分子化作用明顯，使壓縮強化薄單板的彎曲強度和彎曲彈性模量均明顯低于素材，主要原因是長時間高溫熱處理使半纖維素降解加劇及木質素低分子化過度，導致其彎曲性能比素材有所下降。