水曲柳顺纹压缩率和PDR的变化规律研究

张 燕，宋魁彦，佟 达

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨150040)

木材是一种天然的由纤维构成的各项异性的多孔性材料，由于各组织细胞的排列方向不同，木材纵向、径向和弦向的力学性能也有所差异［1－2］。纤维素具有可以伸缩的弹性性能［3－4］，在木材顺纹压缩过程中，利用纤维素的这一力学性能，使木材微纤丝之间产生纵向滑移，并且在细胞壁上产生褶皱，从而改变了木材的力学性能。半纤维素和木质素作为一种基质填充于纤维素微纤丝之间，软化处理改变或破坏了半纤维素和木质素的结构，降低了其对纤维素的束缚作用，有利于木材的顺纹压缩。在后续的弯曲中，木材细胞壁上的褶皱又会逐渐展平，提高了木材的弯曲性能，减小了弯曲的曲率半径，有利于实现木材的多维弯曲［5－8］。木材顺纹压缩率和顺纹压缩回弹永久变形率PDR(Permanent Deformation Rate)是评价木材顺纹压缩和弯曲性能的重要指标之一，其变化规律的研究对充分了解顺纹压缩率和PDR在木材顺纹压缩过程中的关系，提高木材的顺纹压缩率和PDR，并获得单维和多维最小弯曲曲率半径有很大帮助［9］。

1 试验材料与方法

1.1 试材选取

水曲柳是曲木家具生产的主要用材，其基本结构和物理力学性质较适合木材的弯曲试验。本试验选取胸径为26～28 cm的水曲柳原木作为试验用材，并在离地1.2～1.9 m处取得原木木段，将每段木材分成幼龄材和成熟材2个部分。在近髓心处取幼龄材，近树皮处取成熟材，试材尺寸为270 mm×16 mm×16 mm(纵×径×弦)。

1.2 木材水热处理

将水曲柳的幼龄材和成熟材试材分别投入到100℃的热水中进行软化处理。根据前期研究结果，确定水曲柳木材较优化的软化处理方案为A、B和C，处理时间分别为130～140 min，140～150 min，160～170 min。

1.3 木材顺纹压缩测试

木材顺纹压缩试验采用万能力学实验机，并配以顺纹压缩模具，设定顺纹压缩速度为3 mm/min，分别对水曲柳的幼龄材和成熟材进行顺纹压缩，利用振动无损检测方法测定并计算有效的木材最大顺纹压缩率和PDR。

2 结果与讨论

2.1 顺纹压缩率和PDR

水曲柳试材顺纹压缩和回弹永久变形率的试验结果见表1。在顺纹压缩过程中，对于软化方案A，成熟材的顺纹压缩率可以达到19%，PDR的平均值为2.85%，但是幼龄材却达不到19%的顺纹压缩率，当顺纹压缩率为18%时，幼龄材顺纹压缩成功率已经降为80%，当成熟材的顺纹压缩率增加为20%时，其成功率也降为80%;当采用软化方案B时，幼龄材和成熟材的顺纹压缩率均可达到21%，PDR的平均值分别为4.11%和4.08%，达到3种软化方案的最大顺纹压缩率和PDR值，但是当顺纹压缩率增加为22%时，幼龄材和成熟材顺纹压缩成功率分别降为20%和60%;当软化方案为C时，成熟材的顺纹压缩率可以达到19%，PDR的平均值为3.46%，幼龄材顺纹压缩率达不到19%，与软化方案A相同，幼龄材在顺纹压缩率为18%时，顺纹压缩成功率为80%，成熟材在顺纹压缩率20%时，成功率降低为60%。

表1 水曲柳试材顺纹压缩率和PDR试验结果Tab.1 Longitudinal compressive ratio and PDR of ash wood samples

从表1中可以看出，在相同顺纹压缩率下，水曲柳试材幼龄材PDR的平均值均大于成熟材，但是幼龄材的标准偏差和变异系数也大于成熟材，说明幼龄材试材在顺纹压缩后获得的PDR值不稳定。在3种软化处理方法中，最为优化的处理条件为方案B，其顺纹压缩率和PDR的关系如图1所示:幼龄材和成熟材均表现为线性递增关系，但是幼龄材的标准差明显大于成熟材，说明在压缩过程中，幼龄材的变异性较大，数据不稳定，并且随着压缩率的不断增加，幼龄材标准差的数值也在增大，不稳定性加剧，成熟材的标准差值变化不大，顺纹压缩后获得的PDR指标较稳定。从以上数据可知，木材在顺纹压缩过程中，顺纹压缩回弹永久变形率(PDR)受到的影响是多因素的，不仅受软化方案和顺纹压缩率的影响，而且和木材的取样部位和木材材性有关。

2.2 顺纹压缩过程分析

水曲柳幼龄材和成熟材经过顺纹压缩和一段时间的保压处理后，对其进行卸压，试材即刻出现大幅度地恢复，几乎在1 min内从初始状态瞬间恢复，具有较快的恢复速率和较大的回复量，在1 min后，木材的恢复速率大大降低，表现出缓慢的曲线恢复，在10 min后，木材恢复量较小，直至最后不再发生恢复，呈现出平稳的直线阶段，如图2所示。在整个恢复过程中，幼龄材和成熟材表现出相同的恢复曲线，成熟材的回弹余量略小于幼龄材。试材卸压后，木材显现出较明显的弹塑性变形特性，在卸压的初始阶段，试材几乎瞬时完成弹性变形的恢复，即木材内部受压后没有形成稳定化学键的部分发生恢复，占受压木材的比例较大;随着时间的延长，试材表现出一段缓慢的恢复，即除一些弹性变形外的弹塑性变形的恢复，此阶段为未克服木材内部应力的变形，木材内部应力为了得到释放，将打断一部分化学键，此阶段变化较缓慢;最后是一段稳定的直线，说明恢复不再继续，而是变成了永久的塑性变形，此阶段木材内部的应力和化学键能达到平衡。虽然3种变形没有明显的界限，但是从顺纹压缩恢复曲线中可以看出，弹性变形值远远大于弹塑性变形值和塑性变形值。试材经过顺纹压缩后，木材细胞在一定程度上被压缩，其被压缩的量和压缩恢复的量有着直接的关系，木材压缩后恢复的长度越小越好，即表现出较大的PDR值，这样对于顺纹压缩过程的贡献就越大，就越有利于后续木材的多维弯曲。

图1 顺纹压缩率和PDR的关系Fig.1 Relationship between longitudinal compressive ratio and PDR

图2 顺纹压缩恢复曲线Fig.2 The rebounding curve of longitudinal compression

3 结论

(1)水曲柳木材的幼龄材和成熟材在水热软化处理条件为140～150 min时可以获得较大的顺纹压缩率和顺纹压缩回弹永久变形率，且压缩的成功率较高。

(2)幼龄材和成熟材的顺纹压缩率和PDR之间的关系表现出正增长，幼龄材具有较大的PDR值，但是其标准差和变异系数高于成熟材。

(3)顺纹压缩过程表现为3个阶段:首先是瞬时恢复的弹性阶段，随后是缓慢恢复的弹塑性阶段，最后是形成永久变形的塑性阶段;顺纹压缩率和PDR值越大，对于之后的弯曲过程贡献越大，有利于木材进行多维弯曲。

［1］李 坚.木材科学［M］.哈尔滨:东北林业大学出版社，1994.

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