水曲柳順紋壓縮率和PDR的變化規律研究

張 燕，宋魁彥，佟 達

(東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

木材是一種天然的由纖維構成的各項異性的多孔性材料，由于各組織細胞的排列方向不同，木材縱向、徑向和弦向的力學性能也有所差異［1－2］。纖維素具有可以伸縮的彈性性能［3－4］，在木材順紋壓縮過程中，利用纖維素的這一力學性能，使木材微纖絲之間產生縱向滑移，并且在細胞壁上產生褶皺，從而改變了木材的力學性能。半纖維素和木質素作為一種基質填充于纖維素微纖絲之間，軟化處理改變或破壞了半纖維素和木質素的結構，降低了其對纖維素的束縛作用，有利于木材的順紋壓縮。在后續的彎曲中，木材細胞壁上的褶皺又會逐漸展平，提高了木材的彎曲性能，減小了彎曲的曲率半徑，有利于實現木材的多維彎曲［5－8］。木材順紋壓縮率和順紋壓縮回彈永久變形率PDR(Permanent Deformation Rate)是評價木材順紋壓縮和彎曲性能的重要指標之一，其變化規律的研究對充分了解順紋壓縮率和PDR在木材順紋壓縮過程中的關系，提高木材的順紋壓縮率和PDR，并獲得單維和多維最小彎曲曲率半徑有很大幫助［9］。

1 試驗材料與方法

1.1 試材選取

水曲柳是曲木家具生產的主要用材，其基本結構和物理力學性質較適合木材的彎曲試驗。本試驗選取胸徑為26～28 cm的水曲柳原木作為試驗用材，并在離地1.2～1.9 m處取得原木木段，將每段木材分成幼齡材和成熟材2個部分。在近髓心處取幼齡材，近樹皮處取成熟材，試材尺寸為270 mm×16 mm×16 mm(縱×徑×弦)。

1.2 木材水熱處理

將水曲柳的幼齡材和成熟材試材分別投入到100℃的熱水中進行軟化處理。根據前期研究結果，確定水曲柳木材較優化的軟化處理方案為A、B和C，處理時間分別為130～140 min，140～150 min，160～170 min。

1.3 木材順紋壓縮測試

木材順紋壓縮試驗采用萬能力學實驗機，并配以順紋壓縮模具，設定順紋壓縮速度為3 mm/min，分別對水曲柳的幼齡材和成熟材進行順紋壓縮，利用振動無損檢測方法測定并計算有效的木材最大順紋壓縮率和PDR。

2 結果與討論

2.1 順紋壓縮率和PDR

水曲柳試材順紋壓縮和回彈永久變形率的試驗結果見表1。在順紋壓縮過程中，對于軟化方案A，成熟材的順紋壓縮率可以達到19%，PDR的平均值為2.85%，但是幼齡材卻達不到19%的順紋壓縮率，當順紋壓縮率為18%時，幼齡材順紋壓縮成功率已經降為80%，當成熟材的順紋壓縮率增加為20%時，其成功率也降為80%;當采用軟化方案B時，幼齡材和成熟材的順紋壓縮率均可達到21%，PDR的平均值分別為4.11%和4.08%，達到3種軟化方案的最大順紋壓縮率和PDR值，但是當順紋壓縮率增加為22%時，幼齡材和成熟材順紋壓縮成功率分別降為20%和60%;當軟化方案為C時，成熟材的順紋壓縮率可以達到19%，PDR的平均值為3.46%，幼齡材順紋壓縮率達不到19%，與軟化方案A相同，幼齡材在順紋壓縮率為18%時，順紋壓縮成功率為80%，成熟材在順紋壓縮率20%時，成功率降低為60%。

表1 水曲柳試材順紋壓縮率和PDR試驗結果Tab.1 Longitudinal compressive ratio and PDR of ash wood samples

從表1中可以看出，在相同順紋壓縮率下，水曲柳試材幼齡材PDR的平均值均大于成熟材，但是幼齡材的標準偏差和變異系數也大于成熟材，說明幼齡材試材在順紋壓縮后獲得的PDR值不穩定。在3種軟化處理方法中，最為優化的處理條件為方案B，其順紋壓縮率和PDR的關系如圖1所示:幼齡材和成熟材均表現為線性遞增關系，但是幼齡材的標準差明顯大于成熟材，說明在壓縮過程中，幼齡材的變異性較大，數據不穩定，并且隨著壓縮率的不斷增加，幼齡材標準差的數值也在增大，不穩定性加劇，成熟材的標準差值變化不大，順紋壓縮后獲得的PDR指標較穩定。從以上數據可知，木材在順紋壓縮過程中，順紋壓縮回彈永久變形率(PDR)受到的影響是多因素的，不僅受軟化方案和順紋壓縮率的影響，而且和木材的取樣部位和木材材性有關。

2.2 順紋壓縮過程分析

水曲柳幼齡材和成熟材經過順紋壓縮和一段時間的保壓處理后，對其進行卸壓，試材即刻出現大幅度地恢復，幾乎在1 min內從初始狀態瞬間恢復，具有較快的恢復速率和較大的回復量，在1 min后，木材的恢復速率大大降低，表現出緩慢的曲線恢復，在10 min后，木材恢復量較小，直至最后不再發生恢復，呈現出平穩的直線階段，如圖2所示。在整個恢復過程中，幼齡材和成熟材表現出相同的恢復曲線，成熟材的回彈余量略小于幼齡材。試材卸壓后，木材顯現出較明顯的彈塑性變形特性，在卸壓的初始階段，試材幾乎瞬時完成彈性變形的恢復，即木材內部受壓后沒有形成穩定化學鍵的部分發生恢復，占受壓木材的比例較大;隨著時間的延長，試材表現出一段緩慢的恢復，即除一些彈性變形外的彈塑性變形的恢復，此階段為未克服木材內部應力的變形，木材內部應力為了得到釋放，將打斷一部分化學鍵，此階段變化較緩慢;最后是一段穩定的直線，說明恢復不再繼續，而是變成了永久的塑性變形，此階段木材內部的應力和化學鍵能達到平衡。雖然3種變形沒有明顯的界限，但是從順紋壓縮恢復曲線中可以看出，彈性變形值遠遠大于彈塑性變形值和塑性變形值。試材經過順紋壓縮后，木材細胞在一定程度上被壓縮，其被壓縮的量和壓縮恢復的量有著直接的關系，木材壓縮后恢復的長度越小越好，即表現出較大的PDR值，這樣對于順紋壓縮過程的貢獻就越大，就越有利于后續木材的多維彎曲。

圖1 順紋壓縮率和PDR的關系Fig.1 Relationship between longitudinal compressive ratio and PDR

圖2 順紋壓縮恢復曲線Fig.2 The rebounding curve of longitudinal compression

3 結論

(1)水曲柳木材的幼齡材和成熟材在水熱軟化處理條件為140～150 min時可以獲得較大的順紋壓縮率和順紋壓縮回彈永久變形率，且壓縮的成功率較高。

(2)幼齡材和成熟材的順紋壓縮率和PDR之間的關系表現出正增長，幼齡材具有較大的PDR值，但是其標準差和變異系數高于成熟材。

(3)順紋壓縮過程表現為3個階段:首先是瞬時恢復的彈性階段，隨后是緩慢恢復的彈塑性階段，最后是形成永久變形的塑性階段;順紋壓縮率和PDR值越大，對于之后的彎曲過程貢獻越大，有利于木材進行多維彎曲。

［1］李 堅.木材科學［M］.哈爾濱:東北林業大學出版社，1994.

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