輻射松處理材制備實木家具節點性能研究?

元海廣 王夢蕾 王曉磊 孫照斌 楊麗虎 張國杰

（1.江蘇愛美森木業有限公司，江蘇 淮安 223001；2.河北愛美森木材加工有限公司，河北 邯鄲056800；3.河北農業大學林學院，河北 保定 071000）

輻射松（Pinus radiata）是我國近年來進口量較大的木材種類，在家具、木地板等木制品中應用較多[1-2]。輻射松氣干密度較低，材質輕軟，抗彎強度等級為中，彈性模量、順紋抗剪強度、順紋抗壓強度、沖擊韌性等級低，耐腐性能較差，屬低等級木材[2-3]。對木材進行樹脂浸漬增強處理和高溫熱處理是目前國內外常用的木材改性技術[4-9]，采用改性技術開發輻射松木材，對其高效利用有重要意義[2]。

家具節點的接合方式與接合強度對家具結構強度具有決定性作用[10-12]。實木家具常見的接合方式有榫接合、膠接合、釘及木螺釘接合、連接件接合等[14]。實木家具的框架結構有直角和斜角接合框架2 種形式[13-17]，構件主要有“L”型和“T”型直角構件以及“L”型斜角構件3 種形式。對框架節點強度性能的研究可簡化成對“L”型結構和“T”型結構構件節點強度性能的研究[16-18]。

目前關于輻射松樹脂改性材與真空熱處理樹脂改性材用于家具節點的接合強度研究未見報道。本文采用“L”型和“T”型直角構件框架形式，對輻射松樹脂增強浸漬材與熱處理樹脂浸漬材制作的實木家具節點接合強度進行研究，旨在為輻射松改性材在實木家具中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1）輻射松（Pinus radiata）木材：輻射松樹脂增強浸漬材（以下簡稱樹脂材）與真空熱處理樹脂浸漬材（以下簡稱熱處理樹脂材），河北愛美森木材加工有限公司。

輻射松樹脂材：采用以脲醛樹脂為主體的改性液體對木材進行真空加壓浸漬處理，液體濃度為22%～25%，浸漬壓力2.5～3.0 MPa，真空加壓浸漬時間3 h左右；之后進行常規二次干燥，得到樹脂浸漬材，含水率為8%～10%。

輻射松真空熱處理樹脂材：對常規干燥后樹脂材進行真空熱處理，熱處理壓力20 kPa，溫度達到180 ℃后保持10 h，隨后緩慢降溫，降溫5～8 ℃/h；溫度低于50 ℃后開窯出材。

所用試件尺寸規格分為2 種：150 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×徑向）和200 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×徑向）。

2）雙圓棒榫。試驗采用的雙圓棒榫樹種為樺木（外購），類型為螺紋型，尺寸規格選用Φ10 mm×40 mm。圓棒榫含水率在10%左右。

3）連接件。采用的五金連接件為普通三合一偏心連接件，由倒刺螺母、偏心輪、金屬連接桿3 部分構成。偏心頭尺寸Φ15 mm×11.5 mm；連接桿尺寸Φ7.5 mm×32 mm；倒刺螺母尺寸Φ10 mm×11 mm，材料為尼龍。

1.2 設備

試驗主要設備為微機控制電子式木材萬能試驗，型號：WDW-100E，生產廠家：濟南試金集團有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 節點強度測試

采用微機控制電子式木材萬能試驗機對“T”型和“L”型構件進行理想狀態下的抗彎強度試驗，使構件節點發生抗彎破壞或變形，從而獲得構件節點破壞的強度值與破壞或變形形式[17]。

試驗時，垂直載荷P在“L”型和“T”型直角構件橫向試件的100 mm處進行勻速加載。圖1 為“L”型直角接合構件和“T”型直角接合構件的加載示意圖。

圖1 “L”型構件和“T”型構件載荷加載示意圖Fig.1 Loading diagram of "L" type component and"T" type component

1.3.2 試件制作

試驗以樹脂材和熱處理樹脂材為基材，采用貫通直角單榫接合、雙圓棒榫接合、偏心連接件接合3 種節點接合方式，每種接合方式均包含“L”、“T”型2 種構件形式，將試件組裝成“T”型、“L”型構件，共組成6 組不同試件。

試驗采用過盈配合，控制圓棒榫（Φ10 mm×40 mm）與榫孔間隙量為1.0 mm，圓棒榫與榫孔配合間隙為0.0 mm，貫通直角單榫榫頭端部與榫孔底部間隙為1.0 mm，組裝時使用白乳膠單面（榫孔）涂膠。

圖2～7 分別為“T”型和“L”型構件具體的連接形式與結構尺寸圖及載荷的加載位置圖。

圖2 改性材貫通直角單榫“L”型接合構件Fig.2 "L" joint member with right angle through single tenon of modified timber

圖3 改性材貫通直角單榫“T”型接合構件Fig.3 Right angle through single tenon "T" joint member of modified timber

圖4 改性材雙圓棒榫“L”型接合構件Fig.4 "L" joint member with double round bar tenon of modified timber

圖5 改性材雙圓棒榫“T”型接合構件Fig.5 "T" joint member with double round bar tenon of modified timber

圖6 改性材三合一偏心連接件“L”型接合構件Fig.6 "L" joint component of three in one eccentric connector of modified material

圖7 改性材三合一偏心連接件“T”型接合構件Fig.7 "T" joint component of three in one eccentric connector of modified material

1.3.3 節點強度計算

家具節點強度以破壞彎矩作為抗彎強度指標，破壞彎矩越高，表明節點強度越高[18-20]。如圖1 所示，在試件加荷載點上施加荷載，直至屈服極限，按照下式計算破壞彎矩：式中：M為破壞彎矩，N·m；P為屈服極限荷載，N；L為加荷點至基點的距離，m。

2 結果與分析

2.1 樹脂材和熱處理樹脂材構件節點接合強度對比分析

樹脂材與熱處理樹脂材“T”型、“L”型不同結合方式節點接合強度如圖8 所示。

由圖8 可知，無論是“T”型還是“L”型構件，樹脂材3 種接合方式的節點平均接合強度均大于熱處理樹脂材。與樹脂材相比，為貫通直角單榫接合時，熱處理樹脂材“T”型構件節點接合強度降低了33.87%，“L”型降低了40.71%；雙圓棒榫接合時，熱處理樹脂材“T”型構件節點接合強度降低了21.02%，“L”型降低了18.72%；偏心連接件接合時，熱處理樹脂材“T”型構件節點接合強度降低了14.51%，“L”型降低了9.84%。

上述結果主要受基材物理力學性能因素影響，基材的力學性質在一定程度上決定節點接合部位的接合強度。楊麗虎[21]等對改性輻射松物理力學性能的研究表明：熱處理樹脂材的密度和力學強度，相對于樹脂材均不同幅度有所下降，其中熱空氣處理浸漬材相較浸漬材，抗彎強度下降9.35%、抗彎彈性模量下降14.62%、順紋抗壓強度下降13.74%，樹脂材密度大于熱處理樹脂材。因此在相同試驗條件下，輻射松樹脂材節點接合強度大于真空熱處理輻射松樹脂材。

2.2 “L”型構件與“T”型構件節點接合強度對比與分析

由圖8 可知，同為樹脂材，貫通直角單榫“T”型構件節點接合破壞彎矩值（237.16 N·m）比“L”型構件（205.86 N·m）高15.20%。同為熱處理樹脂材，貫通直角單榫“T”型構件節點接合破壞彎矩值（156.83 N.m）比“L”型構件（122.06 N·m）高28.48%。

同樣，同為樹脂材，雙圓棒榫“T”型構件節點破壞彎矩值（87.80 N·m）比“L”型構件（74.75 N·m）高17.45%。同為熱處理樹脂材，雙圓棒榫“T”型構件節點接合破壞彎矩值（69.34 N·m）比“L”型構件（60.75 N·m）高14.13%。

同為樹脂材，偏心連接件節點“T”型構件節點破壞彎矩值（10.82 N·m）比“L”型構件（9.75 N·m）高10.97%。同為熱處理樹脂材，偏心連接件“T”型構件節點接合破壞彎矩值（9.25 N·m）比“L”型構件（8.79 N·m）高5.23%。

節點接合強度與節點接合部位有很大關系。當接合部位靠近“L”型構件端部時，其接合強度小于接合部位遠離端部的“T”構件的接合強度。試驗中，2種改性輻射松均為“T”型構件節點接合強度大于“L”型節點接合強度。其原因可能是2 種構件受力部位不同，“L”構件縱向試件端部會受到順紋方向的擠壓、破壞而導致節點失效；“T”型構件節點遠離試件端部，縱向試件節點受力時上部木材抗彎強度增高，從而試件基本無損壞，此時節點接合強度主要受膠合強度等因素影響。因此，節點接合強度是膠合強度、基材力學性能、接合部位等因素共同決定的[22]。

2.3 貫通直角單榫、雙圓棒榫與偏心連接件節點接合強度對比分析

從圖8 可知，3 種節點接合方式的接合強度關系為：貫通直角單榫接合＞雙圓棒榫接合＞偏心連接件接合，且每種節點接合方式中“T”型構件的節點接合強度均大于“L”型構件節點接合強度。

偏心連接件節點接合強度遠小于雙圓棒榫與貫通直角單榫接合的原因在于：雙圓棒榫與貫通直角單榫接合中均采用了膠接合作為輔助接合，膠合強度提升了節點的整體接合強度，而偏心連接件接合方式的節點接合強度受連接件與基材的影響，影響接合強度的因素較為單一。預埋螺母材料為尼龍，自身強度不高，加之預埋螺母深度為11 mm，在加載垂直荷載時，預埋螺母螺紋與基材接觸受力，預埋螺母材料強度低于基材強度，因此易破壞、拔出。還有受試件尺寸與安裝方式的影響，試件寬度為厚度3 倍，相差較大。當橫向試件水平放置時，在加載荷載情況下，橫向試件發生偏轉，但由于厚度較小，不能在橫向試件接近接合部位的下端形成有效支撐點，因此偏心連接件的接合強度只能依靠連接件的抗拔力。

貫通直角單榫高于雙圓棒榫節點接合強度的原因可能受膠合面積與應力的影響。貫通直角單榫的膠合面積大于其余2 種接合方式，當對橫向試件施加垂直載荷時，膠合力較大，接合部位就不易被破壞，同時貫通直角單榫的受力面積大，而其余2 種接合方式受力面積小，應力等于單位面積上的承載力，因此，雙圓棒榫與偏心連接件的應力相對集中，當橫向試件承載的牽引力大于圓棒榫與榫孔的摩擦力與膠合力的矢量和時，或大于預埋螺母與孔位的摩擦力時，試件遭到破壞。同時還受構件接合強度與基材尺寸的影響。當橫向試件豎直放置時如圖2～3 所示，橫向試件受力偏移時在其左下端會形成一個支點，在一定程度上可增加接合強度。而在偏心連接件接合構件中，橫向試件水平放置并且試件寬度遠大于厚度，因此其左下端支點發揮的作用很小。

2.4 構件節點破壞特征分析

2.4.1 貫通榫構件節點破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材貫通直角單榫接合構件破壞形式見圖9。由圖9a可見，縱向試件沿木材順紋方向開裂，榫頭底部沿順紋方向開裂。而圖9b中，縱向試件表現為沿榫孔方向開裂，然后膠層受損，榫頭下端開裂，最終榫頭被拔出或斷裂。

對比“L”型與“T”型構件發現，“L”型構件破壞主要是縱向試件端部開裂，試件節點失效，而“T”構件是膠層受損，節點失效。在“T”構件中節點遠離端部，同時膠合強度大于樹脂材自身強度，“L”型構件接合部位在端部，在膠層未受損時，縱向試件就已被破壞，因此樹脂材貫通直角單榫接合“T”型構件節點破壞強度大于“L”型。

2.4.2 雙圓棒榫構件節點破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材圓棒榫接合構件破壞形式如圖10 所示。由圖10a和10b可見，樹脂材和熱處理樹脂材試件在加載力過程中主要破壞特征相似：主要為接近端部的一個圓棒榫先被拔出，同時發生變形。在力學試驗機測試軟件曲線圖中力瞬間下降，2 個圓棒榫均被從榫孔中拔出，圓棒榫上附著少量木屑，同時發生變形，而后下端圓棒榫受力變形逐漸被拔出，下方圓棒榫變形程度大于上方圓棒榫受損程度，部分下方圓棒榫斷裂，縱向試件榫孔處有裂紋出現，其余部分基本未受損，橫縱試件均完好。

從構件節點破壞形式分析，“L”型構件節點主要是由于縱向試件的上端受到圓棒榫沿木材順紋方向擠壓而首先遭到破壞?！癟”型構件端部幾乎不受力，最上端的圓棒榫首先受力從榫孔中拔出，而后第二圓棒榫開始受力，整個過程中橫縱試件幾乎無損壞。節點接合強度與節點接合部位有很大關系[24-25]。當接合部位靠近“L”型構件端部時，其接合強度小于接合部位遠離端部的“T”型構件的接合強度。

2.4.3 偏心連接件節點破壞特征

樹脂材與熱處理樹脂材偏心連接件接合構件破壞形式如圖11所示。由圖11a和11b可見，在對構件施加垂直載荷過程中，2個預埋螺母被同時從縱向試件中拔出，螺母螺紋被破壞，剩余組件則完好無損。

2.5 改性輻射松與其他木材構件節點接合強度對比分析

李素瑕[23]在馬尾松家具框架節點接合強度性能研究中，對改性輻射松與脫脂馬尾松構件節點的最大破壞載荷值進行比較分析，其中脫脂馬尾松貫通直角單榫接合的“L”型和“T”型構件破壞載荷分別為492.7 N和604.7 N，雙圓棒榫接合“L”型和“T”型構件破壞載荷分別為655.5 N和1 054.0 N；改性輻射松貫通直角單榫接合“L”型和“T”型構件的破壞載荷分別為607.5 N和693.4 N，雙圓棒榫接合“L”型和“T”型構件破壞載荷分別為1 220.6 N和1 568.3 N。改性輻射松雙圓棒榫接合與貫通直角單榫接合節點接合強度均明顯高于脫脂馬尾松。

陶穎[26]研究了八角木的加工性能，其中貫通直角單榫接合“L”型構件的破壞載荷為1 127.1 N，“T”型構件破壞載荷為1 264.1 N，平均破壞載荷為1 195.6 N。圖8 數據顯示，熱處理樹脂材與樹脂材貫通直角單榫構件的節點破壞載荷均高于八角木。八角木物理力學性能優于改性輻射松，但本試驗的改性輻射松貫通直角單榫接合的節點接合強度卻高于八角木，其原因可能為：本試驗中試件寬度大于八角木試件寬度，同時八角木試件榫頭尺寸為50 mm×30 mm×25 mm（長×寬×厚）小于本試驗尺寸，因此本試驗試件的膠合強度可能會因榫卯尺寸變大、膠合面積增大而提高，同時這也從側面驗證了改性輻射松通過改進加工方式與優化結構，優化零部件尺寸關系等可以達到優質木材的使用性能。試驗結果表明：經樹脂浸漬改性的輻射松在一定條件下可以達到或接近優質木材的節點接合強度，具備制作高、中檔家具的潛能。

3 結論

本文對輻射松樹脂增強浸漬材與真空熱處理樹脂浸漬材制作的實木家具幾種連接方式的節點接合強度進行研究，得出以下結論：

1）相同試驗條件下，3 種“T”型和“L”型構件接合形式中，輻射松樹脂材節點接合強度均大于真空熱處理輻射松樹脂材；

2）改性輻射松（樹脂材與熱處理樹脂材）“T”型構件的節點接合強度大于“L”型構件；

3）3 種“T”型和“L”型構件節點接合強度關系均為貫通直角單榫接合＞雙圓棒榫接合＞三合一偏心連接件接合；

4）改性輻射松經過一定加工處理，通過優化結構、優化零部件尺寸關系、多種接合方式配合使用等，其應用于實木家具制造的節點強度可達到或接近優質木材的節點接合強度。