微米木纤维颈椎夹板的制备及其弹性模量模型

张 杨，马 岩

（东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040）

微米木纤维颈椎夹板的制备及其弹性模量模型

张 杨，马 岩

（东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040）

为制备出在强度上满足医用条件的颈椎夹板，以微米级的木纤维为材料，通过对密度0.439 g/cm3、含水率12%～15%的毛白杨进行微观组织观察，发现木材内部呈现稳定的蜂窝状单向多孔结构，用其切削出平均厚度为52 mm的木纤维，具有良好的韧性和强度，经过模压可用于制造医用颈椎夹板。对木纤维不同铺装状态下的弹性模量进行计算，得出了在模压过程中纤维尺寸、密度、压缩量、施胶量、胶合程度等因素都会对夹板弹性模量产生一定的影响。

微米木纤维板；毛白杨; 医用颈椎夹板；制备；弹性模量模型；高压缩比

近年来，医学界对生物医用材料要求提高，要具有很好的吸附性、通透性，以及与人体皮肤的相容性，并且要制成具有一定弹性和可塑性的轻质材料[1]，对生物医用材料的力学性能要求更加苛刻，传统的金属与非金属合金材料在制造医用材料的过程中越来越不能满足使用要求。微米木纤维生物医用材料是以木质材料为基材,利用木材工业新型纤维加工技术，获得微米厚度、长度的微米长纤维，通过模压制成满足医学要求的特定形状、性能指标的新材料[2-4]。这种由微米级木纤维制成的医疗用具超出了传统木材的概念，对于人体皮肤而言是一种具有良好的透气性、相容性、高压缩比、高弹性模量的生物医用材料[5-9]。

为了满足今后生产与使用的要求，需要对木纤维制成夹板后所具有的力学性能进行研究，木纤维的铺装方向、厚度、密度及弹性模量对颈椎夹板的性能均有一定影响[10-12]。现阶段的研究主要集中在微米木纤维颈椎夹板的弹性模量计算上。笔者根据现代医学骨伤夹板设计理论，从材料微观组织方面研究骨伤夹板特性[13-15]，在木纤维随机铺装的前提下，计算其弹性模量，分析微米木纤维颈椎夹板的力学性能。

1 纤维夹板的制备

1.1 试验材料

实验木材选用毛白杨Populus tomentosa，密度为0.439 g/cm3，含水率为12%～15%。毛白杨径向与横向截面的微观组织形态见图1。从图1a中可以观察到木材内部呈现细长的蜂窝状单向多孔结构，孔的形状呈方形和多边形（见图1b）。利用木材这种蜂窝状单向多孔结构的特征，在切削木纤维时，通过控制刀具半径及角度来控制木纤维的厚度，切削会破坏木材细胞蜂窝状多孔的结构，通过微米木纤维的定向重组加工，从而生产在结构上完全没有缺陷的木纤维重构人造木。

图1 毛白杨的显微结构Fig.1 Microstructure of Populus tomentosa wood fiber

1.2 纤维夹板的制备工艺

制备微米木纤维时，采用长刨花切削机先将木材沿轴向切削出平均厚度为52 mm的微米木纤维。当木纤维达到这个厚度时会非常柔软，这一点达到了医用生物材料的要求。考虑到颈椎夹板的制作，刨削完成以后，将木纤维打碎成宽度为4～8 mm、长度为15～30 mm的纤维丝，纤维的絮状形貌如图2所示。模压密度最大为1.05 g/cm3，平均密度为0.76 g/cm3，一般施加最大压力为7 MPa。每75 g微米木纤维配脲醛树脂胶30 mL，施胶前将胶放在玻璃容器中加热至60～70℃，使胶变稀，可提高拌胶均匀性。加热至150～180 ℃，保温10 min，脲醛树脂胶产生固结，由于压力较大，必须保压2.5～3 h，当模具温度降低为室温后才可开起模具，否则模压件会由于突然减压而开裂，不能成型。

图2 毛白杨刨削后的木纤维形态Fig.2 Wood fiber morphology of P. tomentosa after planed and cut

图3 微米木纤维的微观组织Fig.3 Microstructure of micron wood fiber

1.3 纤维夹板微观结构分析

所制备的毛白杨微米木纤维颈椎夹板模压后断面的SEM照片见图3。从图3可以发现木纤维断面是成不规则的多孔结构形式，相比毛白杨单位面积上的孔穴更加细小，分布更加密集。这种材料的多孔结构具有良好的吸能效果，并且与人的皮肤毛孔结构类似，因此推断会具备良好的吸附型及通透性。从孔穴分布来看，纤维横向受力上具有一定的弹性特征，可观察到纤维丝排布规则紧密，加入胶液后增强了木纤维的结合强度，从而使其制成的材料在具有一定强度的同时，还具有良好的韧性与弹性，这就提高了夹板的舒适性。

由于制备时木纤维在空间中是随机分布的，所以木纤维内部的单向多孔结构也在颈托中沿各个方向分布，多孔结构呈现空间立体化，这使得制备的夹板在各个方向既保持一定的强度，又具有很高的韧性，从而提高了这种复杂结构夹板的舒适度和治疗效果。

2 纤维夹板的弹性模量模型

2.1 弹性模量的理论分析

颈椎夹板的弹性模量分析模型如图4所示，下半部分作为微米木纤维颈椎夹板的强度计算单元，对其而言，当外力作用于颈椎夹板时，如果其符合复合材料力学中正交各向异性材料条件，那么应力和应变的关系为：

其中：Ert为弹性模量(XOY平面内)；El为弹性模量 (z方向 )；εn为应变 (n方向 )；λnm为应力在n方向上横向应变的泊松比；Grt为切变模量；σn为n正应力(n方向)；γnm为切应变(n、m平面内)；τnm为切应力 (n、m坐标轴 )。n=r，t，l；m=t，l，r，其中r为n与x轴坐标夹角；t为n与z轴坐标夹角；l为n与y轴坐标夹角。

图4 颈椎夹板强度计算单元分析模型Fig.4 Analysis model of strength calculation unit of cervical splint

在模压夹板过程中纤维的方向存在着一定的随机性。纤维在没有受到任何压力作用下，其分布的方向是任意的，受到压力作用后，纤维分布的方向存在于XOY平面内，但也会有少量纤维分布于Z方向（见图5），由于其并不影响计算，所以可忽略不计。综上所述，假设模压后纤维分布方向为理想状态（XOY平面内）。

图5 木纤维铺装的坐标关系Fig.5 Coordinate relation of wood fiber pavement

在此前提下，设在XOY平面内各方向上Ert相同，但微米木纤维颈椎夹板的Ert与主方向上的弹性模量El的应力方向是不同的，在整个平面内积分，积分后可以满足以下关系[16]：

将式（3）看作为在Ert方向上求解El的平均值，因此就能将E1rt假设为在Ert方向上的木纤维弹性模量，那么，定向异型模压木纤维颈椎夹板弹性模量就可以假设成是由E1rt所构成。说明理论上在Ert与El两者应变相同的情况下，定向模压木纤维夹板的强度相当于非定向模压的5倍左右。

2.2 纤维夹板弹性模量模型分析

式（3）充分地说明了铺装时工艺上的影响会带来木纤维不同方向承载能力不一样，会产生夹板强度下降的问题。它却不能体现加工过程中其他因素对强度的影响，如：纤维尺寸、密度、胶合强度、施胶量等因素。所以，只用式（3）分析其弹性模量是不准确的，施胶量对木纤维夹板弹性模量的影响[17]为：

式中：Eg为胶料的弹性模量；Vm为微米木纤维颈椎夹板的体积率；K为胶料与颈椎夹板的体积比，即施胶率。

根据经验，一般情况下使用脲醛胶时，Eg为El的1.3倍左右。这里引用超薄刨花强度增加系数R来说明木纤维微米化后对夹板弹性模量的影响为：

式中：ρm为微米木纤维颈椎夹板的密度；Φ为超薄刨花的孔穴压缩变化率。

当微米木纤维压制成颈椎夹板的孔穴比值大于原来木材细胞的孔穴比值时，Φ＞0；小于原来木材细胞孔穴比值时，Φ＜0；在两者相等时，Φ=0。

在一定程度上，系数R可以体现出木纤维夹板压缩程度给弹性模量带来的影响。无论用木纤维模压质轻密度低还是高密度的颈椎夹板，其强度上的变化都可以通过这个系数反映出来。

同样，这里引用胶合系数ξ是因为胶合程度也会对木材的压缩强度带来一定影响。在胶合完成时，ξ在（0，1）之间变化，ξ=1；如没有完成胶合，ξ=0；当木纤维和胶的胶合状态不均时，ξ值由实验标定。

在实际加工中，微米木纤维颈椎夹板经压缩后木纤维在Z向仍有分布，这也会对微米木纤维颈椎夹板的强度产生影响。因此，引入不直系数L，并且L在（0，1）之间变化，当木纤维排列方向完全在XOY平面内（Z方向没有分布时），L=0；当木纤维排列方向并没有完全在XOY平面（Z方向也可能有分布时）内，L≠0，其值需要实验标定。

在一般情况下，不采用理论公式来说明ξ和L，其数值是由实验检测和标定的。

则可得：

模压过程中木纤维的压缩效果同样会对夹板的强度带来影响，可由式（8）、（9）表示：

式中：Cy为木纤维压缩比；vm为自然状态下木纤维体积；Cg为胶料压缩比；vg为自然状态下胶料体积；vy为夹板体积。

将公式（8）、（9）代入式（5），则一定程度上反映了压缩量对Ert所带来的影响，同时也反映出木纤维压缩的密度对夹板强度产生的影响。

3 结 论

（1）密度为0.439 g/cm3、含水率12%～15%的毛白杨，内部组织具有稳定的蜂窝状单向多孔结构，具备制成微米木纤维的条件。用其切削出平均厚度为52 mm的微米木纤维，呈现出良好的韧性和强度。

（2）通过对SEM照片的分析，可发现木纤维夹板断面形貌是不规则的多孔结构形式，从孔穴分布来看，纤维横向受力上具有一定的弹性特征，并且纤维丝排布规则紧密，加入胶液后增强了结合强度，从而使夹板在具有一定强度的同时，还具有良好的韧性与弹性，提高了夹板的舒适性。

（3）通过纤维夹板弹性模量的建立，描述了在木纤维不同铺装状态下的弹性模量计算，分析了在模压过程中纤维尺寸、密度、微米化程度、压缩量、施胶量、胶合程度等因素对夹板弹性模量均存在一定影响。

[1]Xi T F. The current situation and developmental trend of biomedical materals[J].Thematic Forum(Material&manufacture),2006, 12(5)： 1-4.

[2]战 丽,杨春梅.马 岩.微纳米和微米木纤维理论研究的现状与工业化前景[J].林业机械与木工设备, 2003,31(5)：4-6.

[3]杨春梅,吕 宏,马 岩.纤维微米切削理论与微米木纤维形成机理研究[J].林业机械与木工设备,2008,36(5)：23-24.

[4]杨春梅. 微米木纤维的形成机理及模拟加工[D].哈尔滨：东北林业大学,2003.

[5]Chandra R, Rustgis R.Biodegradable polymers[J].Progress in Polymer Science,1993,107：1-40.

[6]Diao X, Furuno T, Uehara T.Analysis of cell arrangement in soft wood susing two-dimensional fast Fourier transformation[J].Mokuzai Gakkaishi,1996, 42(7)：634-641.

[7]徐洪锦. 不同木材燃烧性及阻燃处理的效能研究[J].中南林业科技大学学报,2012,32(8)：141-144.

[8]马 岩.利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究[J].林业科学,2003,39(3)：111-115.

[9]Yoshioka T, Tsuru K, Hayakawa S,et al.Preparation of alginic acid layers on stainless-steel substrates for biomedical applications[J]. Biomaterials, 2003,31(3)：41-46.

[10]马 岩.微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究[J].生物数学学报,2002,17(3)：353-357.

[11]马 岩.重组木微观力学模型及刚度参数分析方法探讨[J].东北林业大学学报,1995,23(4)：107-111.

[12]于子绚,江泽慧,王 戈. 湿热耦合环境下竹束单板层积材的力学性能[J].中南林业科技大学学报, 2012, 32(8)： 127-130.

[13]Uagi Watanabe, Misato. Tangential young’s modulus of coniferous early wood investigated using cell models[J].Holzforschung, 1999, 53(2),209-214.

[14]Callum A S Hill, Dennis Jones.Dimensional changes in corsican pine sapwood due to chemical modification with linear chain anhydrides[J].Holzforschung,1999, 53(3)：267-271.

[15]Maekawa T, Fujita M, Saiki H.Characterization of cell arrangement by polar coordinate analysis of power spectral patterns[J]. J. Soc. Mater. Sci. Japan, 1993,42(473)：126-131.

[16]马 岩.纳微米科学与技术在木材工业的应用前景展望[J].林业科学 ,2001,37(8)：109-113.

[17]战 丽,齐英杰,马 岩,等. 重组木复合刨花板截面弹性模量求解方法的研究[J].木材加工机械研究与设计, 2002,(2)：8-11.

Preparation of micron wood fibre cervical splint and its elastic modulus model

ZHANG Yang, MA Yan
(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

In order to meet the medical criteria in the strength of cervical splints, with micron grade wood fiber as the material, the micron wood fibre cervical splint was prepared. Through the micro-organisational observation onPopulus tomentosawood fibre (its density was 0.439 g/cm3 and its moisture content was between12%～15%, it was found that the interior structure of the wood fibre showed a stable honeycombed unidirectional spongy structure. The wood fibre had good toughness and intensity when it was cut into the micron wood fibre (average thickness 52mm) and it can be uses in medical cervical splint manufacturing after molded. By calculating the elastic modulus values under the different pavement states of wood fibers, it also could be found that in the molding process, the fiber size, density, amount of compression, amount of glue, gluing effect and other factors all will cause in fluences to the elastic modulus of the cervical splint.

micron wood fibre boards;Populus tomentosa; medical cervical splints; preparation; elastic modulus model; high compression ratio

S781

A

1673-923X(2015)05-0129-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.022

2014-03-12

国家自然科学基金项目（30972314、31170517）

张 杨，博士生，讲师；E-mail：42991023@qq.com

张 杨，马 岩. 微米木纤维颈椎夹板的制备及其弹性模量模型[J].中南林业科技大学学报，2015,35(5)：129-132,145.

[本文编校：谢荣秀]