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木材的軟化處理與彎曲技術

來源:網絡 時間:2016-04-06 作者:中南林學院研究生 曹上秋 解林坤 瀏覽量:
  木材從力學角度上看是一種彈性材料,在結構上呈多孔狀,木材的這個特性,可以使其彎曲。但是如果要攀得較小的彎曲曲率半徑,應在彎曲之前對木材進行軟化,增大木材的塑性。木材經軟化處理后,在順紋壓力的作用下,細胞壁中微纖維之間產生滑移,導致細胞壁的壁層縱向產生褶皺;木材在彎曲力矩的作用下,彎曲時的受壓面形成褶皺,受拉面形成展皺,便可獲得較小的彎曲曲率半徑。


1.木材彎曲的原理

木材彎曲時,以中性層為分界形成凹凸兩面,在凸面產生拉伸應力,使凸面木材有不同程度的伸長;凹面產生壓縮應力,使凹面木材有不同程度的壓縮,其應力分布是由表面向中間逐漸減少,中間一層纖維(中性層)既不受拉伸,也不受壓縮。當所受的拉伸和壓縮應力超過該種材料的拉伸強度極限或壓縮強度極限時,木材就遭到破壞。
木材彎曲時,必須研究和了解木材順紋拉伸與壓縮應力的變形規律。
順紋壓縮變形與樹種有關,針葉、軟闊葉氣干材順紋壓縮變形為1%-2%,硬闊葉氣干材為2%-3%。這是是由于硬闊葉材各年輪層間有寬而粗的木射線組織,使其連接牢固,因此在變形時不易失去穩定性和產生破壞。

軟化處理后可增加木材順紋壓縮和拉伸變形。軟化處理使順紋抗伸形變可稍有增加,一般在1%-2%。但使順紋壓縮變形卻比氣干材增加很多。經軟化處理后硬闊葉材順紋壓縮變形可達25%-30%,針葉材順紋壓縮變形為5%-7%。

不同樹種的允許拉伸形變和壓縮形變不相同,因而它們的彎曲性能差異很大。用方材厚度(h)和能彎曲的最小曲率半徑(R)的比值(h/R)來衡量木材的彎曲性能,即同樣厚度的木材能彎曲的曲率半徑越小(h/R值越大),則說明該材的彎曲性能越好。彎曲性能主要取決于木材的允許拉伸形變和允許壓縮形變系數。木材在彎曲時凸凹兩表面產生的最大拉伸形變和最大壓縮形變是相等的,因此木材的彎曲性能主要受順紋拉伸允許形變的限制。為進一步提高木材軟化后順紋壓縮的形變,可在方材拉伸面緊貼一條金屬條(0.2mm-2.5mm厚)使彎曲時中性層向拉伸面移動,由于金屬條承受了拉伸應力,使凸面木材拉伸變形很小甚至等于0,這樣能明顯地改善木材的彎曲性能(圖1、圖2)。


2.木材順紋壓縮彎曲技術

木材順紋壓縮彎曲是先將木材進行軟化處理,然后再進行順紋彎曲。當水分進入木材細胞壁時,由于水是極性分子,可以與纖維素非結晶區中的羥基和半纖維素中羥基形成新的氫鍵,加大分子鏈之間的距離,即增大了自由體積,為分子的運動提供了空間。如果分子的振動不夠,即使提供了足夠的自由體積空間,也無法完全改變木材的軟化條件,只有能量和水作為增塑劑一起作用于木材時,才能有效地使木材實現軟化。


木材中的主要成分是纖維素呈線形、長的大分子結構。纖維素大分子由許許多多的葡萄糖單體構成分子鏈,它們彼此間有的區段纖維素分子鏈彼此平行,構成結晶區,這決定了纖維素的強度;另一個區段內,纖維素分子鏈彼此不平行,構成纖維素的非結晶區,這些線形分子鏈不是筆直成線,而是具有一定的卷曲部分,這使纖維素具有可以伸縮的彈性性能。如果外力的作用小于木材允許的順紋抗壓強度,即應力小于木材的破壞極限時,木材不會產生破壞;如果木材在持續的外力作用下被壓縮,當達到壓縮率后停止加壓,保壓一定時間后卸壓,在壓力解除后,木材的粘彈性特性隨即顯現出來,在短時間內恢復其彈性變形,但是尚遺留一定量的永久變形,這些永久變形主要是纖維或分子鏈之間產生縱向位移,在順紋方向上細胞軸向產生褶皺,這些褶皺比較均勻地集中在軸向細胞的內壁,這將使木材的彎曲性能得到大大地提高。木材在彎曲力矩的作用下,受壓面褶皺加大,受拉面的褶皺被展平,因此在允許的形變內可以獲得較小的彎曲曲率半徑。


3 .木材軟化處理的方法與機理

軟化處理可改善木材的彎曲性能,使木材具有暫時的塑性使彎曲加工得以進行,并在變形狀態下干燥,恢復木材原有的剛性和強度。軟化處理方法有:水熱處理,高頻加熱處理及化學藥劑處理等。


3.1水熱處理(蒸煮法)

水熱處理(蒸煮法)軟化木材,主要是利用水對纖維素的非結晶區、半纖維素和木素進行潤脹,為分子劇烈運動提供自由體積空間,靠由外到里逐漸對木材進行傳導加熱,使分子獲得足夠的能量。

組成木材細胞壁的主要成分為:纖維素,半纖維素和木素。木材經水熱處理后,一部分半纖維素易分解溶解成液態,纖維素無定型區分子鏈上的游離羥基吸附水分,使纖維素間隙中水膜增厚,分子間距離增大,吸引力減小,便于在外力作用下產生相對滑移。

木材膨脹形變是水進入到木材的非結晶區內,使木素、半纖維素和纖維素的非結晶區體積膨脹,增大自由體積空間,提高了木材的塑性。加熱可以使非結晶區中的木素、纖維素和半纖維素分子能量加大。在水、熱的作用下,纖維素非結晶區濕脹,木素呈粘流態,半纖維素失去其聯結作用,木材塑性加大。

水熱處理方法有汽蒸和水煮兩種,水煮方法會使木材含水率增高,彎曲后干燥時間延長。此外因細胞腔內自由水的存在,在彎曲過程中,易產生靜壓力而造成廢品。目前生產中經常采用汽蒸,主要是飽和蒸汽蒸煮。汽蒸時間與彎曲方材的厚度、含水率、樹種和要求的塑化程度有關(表1)。蒸煮不足則塑化不好,容易在劇烈彎曲程度下產生破壞;蒸煮過度則順紋抗拉,使其順紋抗壓強度降低,方材將難以承受在彎曲過程中端面產生的壓縮變形而被破壞。所用蒸煮設備應靠近曲木設備,每次蒸煮的木材數量不宜過多,以免表面過分冷卻和蒸煮過度。放在蒸煮設備內的木方之間要留出6mm~8mm的間隙,使其均勻受熱,縮短蒸煮時間,保證彎曲質量。蒸設備直徑一般為250mm~400mm,不宜太大。鍋的長度稍大于彎曲零件的長度。

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