表面强化刨切薄板拉伸、弯曲性能

赵钟声

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

木材横纹压缩表面强化方法能使低质木材密度增加，物理、力学性能提高［1－7］。一般横纹压缩强化前均需水热处理，对防止压缩开裂和破坏有很好的效果，特别是压缩整形木，由于木材压缩方向质量较大，其热容量大，高温水热处理后的木材，压缩时能保持很好的热软化效果［3，8－18］。关于整形木压缩性能的研究已有很多报道，但利用高温水热处理对厚度很小的薄木板进行压缩强化的研究还少有报道，特别是常温浸泡至饱水状态直接进行薄板压缩强化，并测试压缩后试件的物理力学性能的研究还未见报道。对薄板木材进行高温水热软化处理在实际生产时要消耗大量的热能，而且薄板的保温性通常较差，压缩时仍保持好软化性较难，所以本研究对大青杨薄板用常温水浸泡至饱水状态后直接进行横纹压缩，经高温热处理定型后，用物理力学试验仪器测试分析压缩前后试件主要物理力学性能，考察未经传统水热处理横纹压缩的薄板能否达到预期的强化效果，旨在为薄板表面强化加工的实际生产提供理论依据。

1 材料与方法

供试材料:黑龙江产大青杨(Populus ussuriensis)，刨切材试件平均尺寸(长×宽×厚)为400 mm×100 mm×0.7 mm(压缩后为 0.4 mm);三点弯曲试件平均尺寸(长×宽×厚)为50 mm×15 mm×0.7 mm(压缩后为0.4 mm)，拉伸试件平均尺寸(长×宽×厚)为150 mm×7 mm×0.7 mm(压缩后为0.4 mm)。

实验设备:试验用热压机、电热恒温鼓风干燥机、德国ZWICK电子万能力学试验机等。

实验方法:取上述横纹压缩试件常温水中浸泡至饱水状态，于105℃，用热压机弦向平均压缩至厚度0.4 mm，干燥2 h后在电热恒温鼓风干燥机中于180℃或160℃定型处理1～24 h;分别取上述压缩强化材、未压缩素材等制成性能试验试件。性能试验中各试件均调整至气干状态。

2 结果与分析

2.1 纤维方向拉伸

图1是压缩强化杨木薄单板与未压缩强化杨木素材的拉伸载荷－拉伸变形图，杨木素材未经热处理，压缩强化杨木单板分别经160℃定型热处理4、20、24 h。由图1可以看出，经压缩强化的杨木薄单板的拉伸变形曲线的斜率随处理时间的增加而增大，且均明显比未压缩杨木素材的曲线斜率大;压缩强化杨木薄单板破坏时的最大载荷值也比未压缩强化的杨木素材高，表明压缩强化后薄板的密度增加，纤维束间的横向连接强度也相应提高，使得压缩强化材的拉伸强度和拉伸弹性模量均大幅度提高，强化材的拉伸性能明显好于素材。

图1 160℃条件下不同热处理时间对强化杨木薄单板拉伸强度的影响

图2是压缩强化杨木薄单板与未压缩强化杨木素材的拉伸载荷－拉伸变形图，压缩强化杨木单板分别经180℃定型热处理4、20、24 h，杨木素材未进行热处理。由图2可见，经压缩强化后，杨木薄单板的拉伸变形曲线的斜率与160℃定型热处理的情况类似，均比压缩杨木素材的曲线斜率大，定型处理4、20 h的试件破坏时的最大载荷值比未压缩强化的杨木素材高，因为压缩强化后薄板的密度增加(拉伸强度和拉伸弹性模量均与材料密度成正比)，比密度低的杨木素材的拉伸强度和拉伸弹性模量数值都有较大幅度提高;但是定型处理24 h的试件破坏时的最大载荷值却比素材有所降低，可能是处理时间过长，高聚物低分子化过度，使其拉伸强度反而降低。需要说明的是:压缩强化后虽然厚度小了30%左右，但压缩强化杨木薄单板的拉伸强度和拉伸弹性模量并没有受到影响(除180℃定型处理24 h外，其他处理都比杨木素材高)。

图2 180℃条件下不同热处理强化杨木薄单板拉伸载荷与变形的关系

2.2 三点弯曲

图3是压缩强化杨木薄单板与未压缩强化杨木素材的三点弯曲载荷－变形图，压缩强化杨木单板分别经180℃定型热处理4、7、13、16 h，杨木素材未进行热处理。由图3可见，经压缩强化的杨木薄单板的弯曲变形曲线的斜率均比压缩杨木素材的曲线斜率小，且破坏时的最大载荷值也比未压缩强化的杨木素材低。说明压缩强化后薄板的密度虽然增加，但弯曲强度和弯曲弹性模量均比杨木素材有所减小，可能与热处理使木材半纤维素降解及木质素低分子化有关，造成弯曲强度和弯曲弹性模量下降，这一结果与非薄板弯曲试验相一致［3，8］。

图3 180℃条件下不同热处理时间对强化杨木薄单板弯曲载荷－位移的影响

图4是压缩强化杨木薄单板与未压缩强化杨木素材弯曲变形图，压缩强化杨木单板分别经160℃定型热处理 2、4、8、12、16、20 h，杨木素材未进行热处理。由图4可见，经压缩强化的杨木薄单板的弯曲变形曲线的斜率除处理时间2、4 h外，均比未压缩杨木素材的曲线斜率小，即其弯曲弹性模量大体比素材低，破坏时的最大载荷值也比未压缩强化的杨木素材低，可见160℃处理8 h以上对木材构成物质半纤维素、木质素的降解和低分子化作用明显，使压缩强化薄单板的弯曲强度和弯曲弹性模量均明显低于素材，主要原因是长时间高温热处理使半纤维素降解加剧及木质素低分子化过度，导致其弯曲性能比素材有所下降。

图4 160℃条件下不同热处理时间对强化杨木薄单板弯曲载荷－位移的影响

3 结论

160℃或180℃定型热处理压缩强化薄单板，其拉伸强度和拉伸弹性模量比素材都有较大幅度提高。压缩强化后的薄单板虽然厚度小了30%左右，但拉伸强度和拉伸弹性模量仍比杨木素材高。

160℃或180℃定型热处理压缩强化薄单板，其弯曲弹性模量随热处理时间的增加而下降，其弯曲强度大体都比素材有所降低。主要原因是:长时间高温热处理使木材构成物质半纤维素和木质素发生降解和低分子化，使木材分子链变短，从而导致弯曲弹性模量下降，降低了薄单板的弯曲强度。

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