榆木顺纹压缩率和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)

随着人们生活质量的提高，对于家具造型美观的要求也不断提升，曲木家具作为一种家具的制造形式，越来越受到消费者的关注。传统曲木家具的制造是将实体木材软化后进行机械加压弯曲，这样所获得的弯曲部件曲率半径较大、成功率较低，不能满足现代家具造型美观和多样化的需求。木材进行顺纹压缩后可以提高木材的弯曲曲率半径［1－2］，木材顺纹压缩率和顺纹压缩回弹永久变形率 (PDR－Permanent Deformation Rate)变化规律的研究是木材顺纹压缩机理研究的重要组成部分，对于减小木材的弯曲曲率半径，提高曲木家具制造的水平具有较好的实践意义。榆木是东北主要树种之一，且具有良好的弯曲性能。木材进行碱液处理后，其中半纤维素、木质素发生降解，使微纤丝间的联接减弱，细胞壁发生分层，当受到拉应力或者压应力时，微纤丝间会较容易产生滑移，削弱了木材的力学性能［3－6］。同时碱液也可能对纤维素的结晶区产生一定的影响，因此碱液处理可以显著降低木材的力学性能，有利于木材的顺纹压缩［7－8］。本文研究了经碱液处理后榆木顺纹压缩率和PDR的变化规律以及其回弹性质。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

榆木试材采自黑龙江省帽儿山实验林场，选取胸径处直径为24～26 cm的原木，并在离地1.2～1.9 m处取得试验的原木样段，在每段木材靠近树皮部分取得成熟材，靠近髓心部分取得幼龄材，幼龄材和成熟材试材的尺寸为270(纵向) ×16(径向) ×16(弦向)mm。

1.2 碱液处理

将榆木的幼龄材和成熟材放入由NaOH和改性剂组成的溶液当中，常温常压下处理240～300 min，软化方案分为A、B、C。软化方案A的NaOH质量分数为4%～5%，改性剂质量分数为10%～15%;方案B中NaOH质量分数为6%～7%，改性剂质量分数为10%～15%;方案C中NaOH质量分数为8% ～9%，改性剂质量分数为10%～15%。

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，以3 mm/min的压缩速度分别对木材榆木幼龄材和成熟材试材进行顺纹压缩，利用振动无损检测的方法测定并计算有效的木材最大顺纹压缩率和PDR。

1.4 木材压缩回弹试验

当榆木幼龄材和成熟材试材顺纹压缩达到最大压缩率时，保持试材压缩率不变，即保持压缩量稳定的时间为2～5 min后进行卸压，试材开始发生回弹现象，每隔一定时间测定回弹的变化，直到回弹基本稳定为止。

2 结果与讨论

2.1 顺纹压缩率和PDR

榆木幼龄材和成熟材试材进行顺纹压缩后的试验结果见表1:在顺纹压缩过程中，采用软化方案为A进行软化时，幼龄材和成熟材试材顺纹压缩率均可以达到19%，幼龄材和成熟材的PDR平均值分别为2.98%和2.97%;当继续增加顺纹压缩率，达到20%压缩率时，幼龄材和成熟材的顺纹压缩成功率分别降低为20% 和80%;当采用软化方案为B进行软化时，成熟材的顺纹压缩率可以达到21%，PDR的平均值为4.45%，幼龄材则无法达到21% 的顺纹压缩率，在顺纹压缩率为20%时，幼龄材的顺纹压缩成功率为60%，当顺纹压缩率增加为22% 时，成熟材顺纹压缩成功率为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3.59%，而幼龄材则无法达到，在顺纹压缩率为19%时，幼龄材顺纹压缩成功率仅为20%，当在顺纹压缩率为20% 时，成熟材顺纹压缩成功率为60%。

表1 榆木试材顺纹压缩率和PDR试验结果Tab.1 Longitudinal compressive ratio of elm samples and results of PDR test

经过碱液处理后，榆木木材的成熟材的顺纹压缩率和成功率均高于幼龄材，幼龄材的PDR值的标准差和变异系数均大于成熟材，说明幼龄材的顺纹压缩过程较不稳定。在相同的压缩率条件下，成熟材的PDR值小于幼龄材，当溶液中的NaOH的质量分数较低时，木材没有得到充分软化，半纤维素和木质素降解量较少，氢氧化钠溶液中的Na+以“水合离子”的形式带入纤维间发生润胀作用的水分子较少，木材微纤丝纤维素分子链间距离增大不多，木材的顺纹压缩过程较困难，顺纹压缩的PDR值较小;随着溶液中NaOH浓度的升高，顺纹压缩的PDR值升高，但是成熟材的标准差和变异系数也有所增加，受软化程度影响，压缩过程中的个体差异性增大。但是当溶液中的NaOH的质量分数较高时，木材软化过度，顺纹压缩成功率也大大降低，且对幼龄材影响更为明显，当溶液中的NaOH的质量分数为6%～7% 时，软化程度适中，木材的顺纹压缩率最大，随着顺纹压缩率的增加，榆木的顺纹压缩PDR值也有所增加。

2.2 顺纹压缩回弹分析

将顺纹压缩率和PDR值较大的软化方案B的试材进行顺纹压缩恢复试验。将碱液处理后的榆木顺纹压缩至最大顺纹压缩率后，保压2～5 min，使经软化处理后压缩发生滑移和卷曲的榆木分子链重新形成新的化学键。随后泄压发生恢复，其顺纹压缩恢复曲线如图1所示，幼龄材和成熟材均在开始的1 min内木材即刻发生恢复，随后木材的恢复曲线变缓，恢复量表现出平滑的递增趋势，而在15 min后，恢复量不再增加，曲线变得平稳。幼龄材在1 min瞬时恢复后的回弹余量均大于成熟材，但在1 min内的恢复却较小。

图1 碱液处理榆木顺纹压缩恢复曲线Fig.1 The rebounding curve of longitudinal compressive elm wood with Alkali treatment

榆木幼龄材和成熟材试材的恢复曲线可以分为3个阶段，首先是瞬时恢复的弹性变形恢复阶段，在此阶段木材受顺纹压缩应力发生滑移或卷曲而没有形成化学键的微纤丝发生弹性恢复，恢复速率较快;其次是缓慢的弹塑性变形恢复阶段，在此阶段，由于顺纹压缩使木材的内部应力增大，微纤丝间部分重新形成的化学键发生断裂，随着时间的延长使应力得以释放，表现为缓慢的恢复现象;最后的塑性变形阶段，木材发生永久变形，不再进行恢复，木材中产生的应力与新形成的化学键键能平衡。幼龄材木质素的含量高于成熟材，在压缩过程中木质素交联的网状结构制约幼龄材的顺纹压缩，所以幼龄材的最大顺纹压缩率和PDR值较小，同样，在回弹过程中的速率也较低，虽然幼龄材的回弹余量较高，但是其起始的压缩量也较小，所以回弹速率仍为幼龄材小于成熟材。

3 结论

(1)采用软化方案B，即NaOH的质量分数为6%～7%，改性剂的质量分数为10% ～15%时，获得最大顺纹压缩率和PDR值;在相同顺纹压缩率的条件下，随着溶液浓度的升高，木材的PDR值升高，成熟材的PDR值小于幼龄材。

(2)榆木幼龄材和成熟材试材的顺纹压缩恢复曲线分为3个阶段，分别为瞬时恢复的弹性变形恢复阶段，缓慢恢复的弹塑性变形阶段和出现永久变形的塑性阶段;幼龄材的恢复速率小于成熟材。

［1］佟 达，宋魁彦，李 坚.水热－微波软化处理对水曲柳弯曲的影响［J］.林业科学，2011，47(11):129 －132.

［2］张 燕，宋魁彦，佟 达.水曲柳顺纹压缩和PDR的变化规律研究［J］.森林工程，2012，28(6):1 －3.

［3］ Penneru，A P，Jayaraman K and Bhattacharyya D.Viscoelastic behaviour of solid wood under compressive loading［J］.Holzforschung，2006，60:294 －298.

［4］ Eriksson I，Haglind I and Lidbrandt O.Fiber swelling favored by lignin softening［J］.Wood Science and Technology，1991，25:135 －144.

［5］ Peng F，Bian J，Ren J L et al.Fractionation and characterization of alkali-extracted hemicelluloses from peashrub［J］.Biomass and Bioenergy，2012，39:20 －30.

［6］ Sun R，Tomkinsona J，Sun X，et al.Fractional isolation and physicochemical characterization of alkali-soluble lignins from fast-growing poplar wood［J］.Polymer，2000，41:8409 － 8417.

［7］ Islama M S，Hamdan S，Jusoh I，et al.The effect of alkali pretreatment on mechanical and morphological properties of tropical wood polymer composites［J］.Materials and Design，2012，33:419 －424.

［8］吴晶晶，李小保，叶菊娣，等.碱预处理对大麻秆浆纤维素性质的影响［J］.南京林业大学学报:自然科学版，2010，34(5):96－100.