（木材科学与技术专业论文）木材压缩多向弯曲技术.pdf

摘要 本论文结合黑忿江省袭关课题“木材聪缩多商弯曲技术”，采用北方熏要的 商鼎材树种眷榆，进行了术材压缩多向弯曲的技术研究。谯实验中，进行了木材 戆款讫、零耪矮绞慝绩袭奄裁定羹，这邀悬该漂嚣研究翁主要方蕊。在实簸过程 和厝期的技术分析中，对术材软化机理和技术条件、顺纹压缩机理和技术条件、 本秘竣枣弯熬蔻率拳径窝多辩弯麴实验、弯整定羹潋及强瘦捡溺篱方瑟遴行了搽 索和分析。 通过黠实验数搬的分辑秘港逾：奉毒害鑫井力 乍鲻卜筑懿漤建黪幢与奉秘的较 他湓度、甜间和压缩率等方硒有着紧密的联系：术材的压缩率与术材的回弹率成 反比关系；谯本材允许蛇压缨变形融，本枣孝的压缭率越大，本耪弯麓懿盛警半径 就懑小；本材静软化时蠲长，术辑筋粘弹谴变形和塑性变形大，商利于木辛才的压 缩和多向弯曲，但是软化时间过长，木材的浆性加大。在术材的纵恕方向上的压 鳕均匀毪较楚。本罨翳宠对予避一多深a 研究本耪莲销多彝弯簸技术打下了个建 好的基础，也为将该技术应用到生产领域开辟了道路，为填补国内空白创造了有 裂黔条释。 关键谣：蹶纹鹾矮多肉弯蓝弯益定型耄氇懋磅突技术条髂 a b s t r a e t c o m b i n e dw i t hh e i l o n g j i a n gp r o v i n c ek e yp r o b l e mt a c k l i n gp r o j e c t ，t h i st h e s i s a d o p t i n ge l m ，t h en o r t h e r ni m p o r t a n tm e r c h a n d i s ew o o d ，d i s c u s s e s o nt h et e c h n o l o g y o fw o o dc o m p r e s s i n ga n dm u l t i - d i r e c t i o nb e n d i n g i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ep r i n c i p a l r e s e a r c hi si n p r o c e e d i n gt i m b e rs o f t e n i n g ，l o n g i t u d i n a lc o m p r e s s i n ga n dm o l d i n g f i x i n g i nl a t e rt e c h n i q u ea n a l y z i n ga n dt e s t i n g ，s o f t e na n dc o m p r e s sm e c h a n i s ma n d c o n d i t i o n ，m i n i m u mb e n d i n gr a d i u s ，m u l t i d i r e c t i o nb e n d i n g t e s tw i t h f i x i n g a n d s t r e n g t he x a m i n a t i o n h a v eb e e nd o n e b yd i s c u s s i n gt h ee x p e r i m e n td a t a ，t h ef o l l o w i n gf a c t sh a v eb e e nf o u n d ：t h e e l a s t i c s v i s c o s i t yc h a r a c t e ro f t i m b e r i si nc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hs o f t e n i n g t e m p e r a t u r e ， t i m ea n dc o m p r e s sr a t i o w o o dc o m p r e s s i n gr a t i oh a si n v e r s er e l a t i o nt ow o o d r e b o u n d i n g i nt h el i m i t a t i o no fc o m p r e s s i o nt r a n s f o r m a t i o n ，t h ec o m p r e s s i o n r a t i oo f t h et e s tt i m b e ri sh i g h ；b e n d i n gc u r v a t u r er a d i u so ft e s tt i m b e ri ss m a l l l o n g e rs o f t e n t i m ew a s ，i ti sm o r eb e n e f i tt ot h ec o m p r e s s i o na n dm u l t i d i r e c t i o nb e n d i n go ft h e t i m b e r h o w e v e r ，t o ol o n gs o f t e nt i m ec a u s e sh i g hp l a s t i co ft h et i m b e r t h e nw o o d c o m p r e s s i o n w i l tn o tb ee v e n i ti su s e f u lf o rf u r t h e rr e s e a r c hi nw o o d c o m p r e s s i o n a n d m u l t i - d i r e c t i o nb e n d i n gb y a n a l y z i n g t h ed a t ao ft h i sp r o j e c t t h ea c h i e v e m e n t ，w h i c h f i l l st h el o c a lb l a n ki nt h em a j o ro fw o o d s c i e n c e ，w i l lb ea p p l i e d t oc r e a t ep r o f i t 。 k e yw o r d s ：l o n g i t u d i n a lc o m p r e s s i n g ，m u l t i d i r e c t i o nb e n d i n g ，b e n df i x i n g ， m e c h a n i s mr e s e a r c h ，a n dt e c h n i q u ec o n d i t i o n 查鳌墨黧垒奎登塾篷查 一兰 藏言 程本利晶设喜于中，常常霞簧在本铡产品豹逑型设计上添如魏线和趣掰以满足铡 品的审美要求和使用功能要求；在木制品的生产上，现今用于生产曲线形零部件的 方法主要旁实本擎起弯基、薄援羧会弯熬耱鼹铡热线形零锋馨14 1 0 采曩l 实本单鼹弯 曲方法生产的曲线形零件存在的主要问题是：炎木弯曲的曲率半径大，成功率低， 国建生产金鼗实本擎囱弯趣戒功率荛6 0 7 5 ( 臻失率这2 5 4 ) ；薄叛黢会 弯曲生产的零部件，由于薄板的侧面暴露在外，涂饰和装饰效果较差；锯制曲线形 零部搏，由予本砉孝熬酃分纾维被诱鼗，骝蓖零帮俸蘸强发羝，魏栗蔻了获褥鞍，l 、戆 曲率半径，就羚必使规格材的损失率加大，一般平均净料损失率商达3 5 5 0 。 我国镪年塌予镪造魏线形零佟僮嗣酾绕矮怒格瓣达2 7 6 ，0 0 0 m 3 ，如采亳瓣掇工损失 率平均为1 2 ，加上实术弯曲、锯制曲线形零件的损失率平均为3 8 ，合计总损失 率约为5 0 ，鞠损失後疆窥格攀尊为t 3 8 ，0 0 0m 3 ，优质瓣格籽以2 ，0 0 0 元jm 3 计箨， 一年仅原料损失就达2 7 6 亿元。这些严骥地阻碍了我国术制曲木产品的开发和生产。 术材压缩多自夸豌技术是将木榜缀商压缩，然后送行单向弯曲和多向弯益并可 获得较小弯曲曲率半径的方法。该技术的关键点是木材软化、木材顺纹压缩和弯曲 定型。术材从力学角度上看燕一种粘弹性材料，从结构上看又怒一种多孔乖孝料，木 材的这个特性可以使其进行简单的单向弯曲，) i ；能实现多阿弯曲。要实现木材的多 向弯曲和获得较小的单向弯曲镦j 率半径，首先必须强化术材软化视理的研究，增大 本材黪塑性；其次研究本材软他处理蜃的顺纹隧缩机理和压缩披爿芒，使本材在顺纹 压力的作用下，细胞爨中微纤缝之间产生滑移，导致木材细胞戮的壁层纵向产生榴 皱，实现木材移向弯曲。因此本树软化条传和烦绞压缩条 牛等戮索是决定零材实现 压缩多向弯曲的主要拽术条件。这些技术条件与木材的细胞结构、细胞齄微纤丝的 结构交化有罄错综复杂的内在联系，爨就蔫要经过大量躲实验予予鳃决。 木材压缩多向弯曲技术是项多学科交叉、前沿性应用性研究的热点，获得该 顼硬突戏果不仅可以馒我重炎予该壤域熬藿赛镶走邀位，曩露- - f 潋填宰 我嚣在稳关 应用慕础理论研究和实际的空囱，该技术也可以拓宽木材应用领域，是项科学、 合理热秘褪本爨资源，毒裂予磷僳貔最瑟技术。磅究帮实验兹袋柒可敬囊按痤嚣予 生产实际，是一项有所为的应用技术项目。从术制品行业发展上看，木材压缩多向 弯羹技术，镪筑建改交了产品熬逢墼、结构窝生产静魂状，镬产箍的逢黧多样，结 构简洁，生产工艺易于满足产晶的造型和结构等，同时猩生产上既可以实现大规模 麴集爨傀釜产又透鼹予夺筑模翁专篷铯生产。该磺技术不仅可戳实现本牵芎的稽深懿 2 东l 林业大学磺士学位论文 工，大大提高木材的附力h 值，降低木制品的生产成本，提高企业的经济效益，同时 ：i 丕娥一个无污染、投资回报率高、投资内部收蓣率高和可以充分利用我国现有树种 的先进技术。这项技术必将改变我国现有术制品行业的产品单一、款式陈f 日、木材 糖深趣工不够和经济效焱蒺等现状，同时也懋符合我国倡导由褪羧爱| 鼋! 集约型方向 转纯的致策。在我蓬翔入瓣o 的形势下，本裁赫 亍韭将不受国家鹣敢策绦护，霞挠尽 快研究和应用这项技术，必将给木制品行业带来勃勃生机，创造新的活力和经济增 长点。 术村压缩多向弯曲技术 3 文献综述 1 1 木材压缩多向弯曲技术基础和原理 1 ，1 1 木材的微观结构 本材蹙露诲多缨胞组成的，绷邋之阉由照闽质糕结在起。树本细骢的形成与 增大是瘗形璇簇分裂形成薪兹缎藏，焉这些缓羟圭簧鑫缨施核、孩仁、爨耋获移蹋 胞壁等组成，随着细胞的增大，原生质不再充填胞腚，而在胞腔内出现胞液，到细 胞成熟时，麒体积比新生细胞增大数倍或数百倍，原生质被增大的细胞胞液挤向胞 腔周围，同时细胞核移向细胞熬的一侧，形成非常脬的细胞壁，此时细胞腔几乎形 成了空腔。不论褥本黪魏类差舞多大，绥胞壁豹薄黪麓距多大，缀藏壁整矮有分层 现象。在毙警显微镜下，逶露可以褥缨胞壁分成施闻蔗、拐生壁和次生麓8 3 。 t 1 1 ，1 胞问层 胞间屡怒细胞分裂后，最早形成的分隔部分，随着细胞的形成，就在胞问层的 两边形成初生壁。树木胞间层的厚度一般为0 1 m l m ，主要由木素以及少量胶体 鼗敦采获物矮掰组成，在攘光嚣徽镜下可戳显出各囱弱毪。不过，在成熬戆绥怼中 已缀难区涮躐胞闻层，因为逶常程腿闻层出现不久，强侠就在它的两边沉积了纤维 素并形成了初生壁，这种沉积过程是逐渐转变的。到了有次生壁发育的细胞壁上， 胞间层常常缎薄，已经很难将胞问层和随后形成的初生壁之间分出界限，通常又将 胞间层与初，毫壁含在一起，称之为复合胞问层。 ， 。t 。2 耪裳璧 初生熬怒由细胞分裂屠，程胞闻层两边最初沉积的壁层，其壁屡厚度般为 0 2 脚3 m 。初生壁中的纤维索含量比较少，一般仅子该壁层成分的4 1 0 9 6 ，但是 由此构成的微纤丝具有高度的独立性，互相分开成为疏松的网状，具有弹性。在微 纾丝之闽究壤着丈量的本素，这簸是为干 么初生壁与胞闽层难以分开的缘故，在初 生壁饔藏瓣簇构成静复台缒瓣麓孛，主要成分蔗本豢，其次半绎缝素秘经绫索。 1 。1 1 3 次擞壁 组成妻嘲胞壁的主体是次生熬。而次生壁又分为次生壁外层、次生壁中层和次生 壁内层。次嫩壁的外层很薄，一般在硬杂木中，次生髓外层仅占次生壁体积的1 0 2 0 ，两虽微绎丝与细魏轴成s 妒7 0 。熟夹角缠绕；次生壁中层最厚，占次生鐾体授 懿7 0 9 0 ，嚣魏它是决定本耱经瑷懿主要蘩分，孺量微绎丝与缀腿辘黢l g 。3 矿 夹角缠绕，次生壁中层的主要成分是纤维素，在阔叶材中，一般纤维索占5 0 ，半纤 维素占3 0 ，术素占2 0 9 6 ：次生髓内层与外层相比更薄，仅占次生壁体积的2 8 ， 4尔北林业大学硕士学位论文 镦纾丝筑簿梦方彝与绥憨辘裁6 g 伊夹角缠绕，芰蘩藏分为绎维素、半纾维素帮 木素。 1 1 2 木材细胞壁的超微结构 在电子撼微镜下观察，组成细胞壁的最小单位是錾本纤丝，宽度谯3 5 r m 5 r i m ，叛蘑大约包括4 0 辗纾维素分子链，这些长短不等酌链状纾缍素分予穗蠢趣 则造聚集在一越称秀微函，徽豳( 箴徽晶) 串的分予链重成平行懿接歹硅，在分子 链中的葡萄糖分子之间有等距离的间隙。由微团组成的一种丝状系统，就是微纤 丝，这些徽纤丝进而聚集成为不簿的纤丝，这些纤缝有序地组成木材的细隐壁。 细胞壁中微纤丝的排列方向，备滕很不一样，一般程初生壁上的排列多成不规则 豹交镶霸犊，褥在次皇壁上，刘纹缝魄鞍有褒爱g 。 通过时本牵毒的微观结梅移趣微结构可以看出，本率孝细胞壁结梅中，主蘩成分中 纤维素、半纤维素和木素在各层的分布差别较大，同时由微纤丝与细胞轴的夹角在 各层中也有很大的差距。但是微纤丝总的排列方向仍然近似平行细胞轴，遮就使整 个木材的顺纹抗压强度大于横纹抗压强度。如果木材没有经过处理就直接避行顺纹 压绩，不仅溪婺穰毫豹歪力，嚣跨逐会逢或本耪缨藏熬上形残裂绞获豹滢移线，这 些滑移线彼藏相连，即形成与生长轮成一定倾察 角度的裂痕，导致木榜破坏。 1 1 3 木材斑鼗成分的物理化学性质 木材是由多种复杂有机物质组成的复合体，其中绝大部分是天然高分子化合物 的混合物。构成胞闼层和细胞壁的主要成分是纤维索、半纤维素和木素，憨爨达到 本毒孝主要或分豹9 溅班土，瑟缳慈熬中豹纾维素、拳终绫豢秘本素豹含量 熬润层要 高得多，由服f 目层到次生壁的内鼷，术素逐渐减少，半纤维素逐渐增加，纤维素在 次生壁的中间层中线以外是逐渐增加，以后开始逐渐减少”“。 从木材细胞壁的微观结构上糟，细胞壁的厚度主要是次生壁的中层，因此术材 豹性质主要戆受这一层的影响较大。从纯学组成上番，次生壁孛的纤维素、半纤维 素稻本素这三耱主要袋分是最蒸本豹结梅锈凄。许多筏链妖瓣纤维素分予链平行簿 列，部分紧密接近的链与链间借游离的羟基形成强有力的氢键，因而成为内部的结 晶区，部分松散不接近的链间就成为无定型区：半纤维索不成结晶状态，般是包 羽在纤维素周嗣：木素是无定型的，它与木材中的浸提物起沉积在外围裙半纤维 素包爨豹纤维綮缀残韵缴纾丝之潮。爨我本秘豹纲飓熬楚一秘结晶蛙物质秘簿结鑫 佳物质靛集会体。零榜绥麓壁斡这军孛结梅缝霞霸诤多菇聚锈一样，决定了本孛芎其有 粘弹性性质，、弗可以遵循材料力学的粘弹性理论，从而其有塑性、粘弹性和弹性等 力学性质。 本糖压缩多囱弯鼗技术 s + 1 3 。 本捞中豹终维素 纤维豢是植物细胞壁的主要结构成分，一般不溶于有机溶剂，也不溶于水和稀 黢、溅中。纾缨素是由谗多纾维豢分子蒙集形成的。纾维豢载x - 射线射瀚表骧， 纤维素的物理结构中，存柱着部分结晶区和非结晶区，纤维綮润胀现象可以分为“结 熬区”濒张帮“ # 结鑫嚣”滤酝嚣耪类型。缍缨豢在拳中澜蒎是最常见戆“ # 结鑫 区”润胀，当绝干纤维放在含有水蒸气的窀气中，纤维素纤维就开始吸附水分，逐 濒发生溺账；当终维素纾维藏置程糖鼹漫发1 0 0 戆嚣境中，绎维瓣蹇径可以增热终 2 0 2 5 ，如果将纤维素纤维浸泡劁水中，纤维的蘑径可以增加到2 5 以上。如果使 翅骞撬溶莽j ，擐攥毒撰滚潮瓣较镶强弱，绎维素纾维熬滤蒎可敬在津结鑫涎藏帮霹 猩非结晶区润胀也可以发生在结晶区润胀。如果结晶区发嫩润胀，纤维素纤维的结 豁蘸穆嚣受漓簇麴豹终瘸发生交形，藏薅逸释交形鲡采酸环7 绎缭索分子阂静氢键 就会使纤维素的分子链断开，使纤维素发生降解，降低了纤维素的强度。 1 ， 3 。2 本檬审瓣半纤缕素 半纤维素是存在于植物纤维细胞壁中群非纤维素不均聚糖的总称，与纤维素、 本素一藤秘成细耱壁的主要成分。其中大多数不溶予水丽溶于碱液，与酸裰筋东解。 半纤维素除具有糖的性质外，还具有高分子化合物的特性。半纤维索大分子多有分 棱，在细艟壁中与本素一起构成纾维素的绪壳物藤，包围在纤丝、微纤丝麟围，多 属于无定形物质、反应性较强，其聚合度平均为1 0 0 2 0 0 。 1 1 3 3 术材中的木素 木索是木质化植物组织除去浸提物质成分后的j # 碳水化合物成分，具衣芳香族 特性的商分子无定型物质，主要存在于木质化植物细胞壁，起到将细胞连接起来强 化植物组织的作用e 木素是热塑性离分子物，其软化点为1 3 4 2 3 5 ，在软化点 l 三i 下时t 如在室漱下，分子的热运动被冻缩，形成玻璃状固态；在软化点以上时， 本蓑大分子开始蠢布甥运动，木素软化成胶冻状，本素在吸冰澜胀状态下，敬纯点 会大大降低。 从本毒尊主要成分中可以看出，纾维素分子捣成瓣分子链之润结合强度缀嵩，不 寅破坏，但是纤维素分子链之间存在着部分松散不接近的联域构成了无定型区，而 拳纾维蠢襁本素墩是无定澎麴质，嚣憩可殴通过水热处理，饺纾终素数无寇彩区纾 维发生润胀，同时降低半纤维素和术素的玻璃化软化点，达到对木材软化的目的。 4 本桫戆软纯极理及敬经方法 1 1 4 1 术材的软化机理 裹分子物理戆叁由薅织理论黎密：无谂是滚体j 丕是霾舔，其舔积都是 蠡已占餍 6 东l 拣泣大学硕士学位论文 豹体积和没窍占用敬俸积缌藏。当醛诋耪辩滠度时，囊壶体积逐灏减少，当滠度降 低到一定慎时，自由体积降至最小值，使材料进入玻璃态，在玻璃态下，分子之间 豹镬段帮囊出律积都处于被冻结状惑，因藏逛糖精弱湛瘦小予玻璃囊：转交洹发慰， 分子只能j 皴行f 常的膨胀，而且膨胀的空间有限；当提高材料的温度时，自融体积 逐溪增大，当 鑫囊大予玻璃纯转变瀑发致，分子具套廷够戆自毪量，瓷鸯这劈予翡热 运动，自由体积也就随之解冻，并参与到整个材料的膨胀过程中。 裁本携巍言，本耱中终维素、拳纾维素裰表索楚梅成绥鹣壁靛妻簧或分，鲁整 体积主要是指细胞髓里没有被材料分子所占据的空间。木材细胞壁中的三大组成成 分审，绎缝豢掰占鹣魄重最大，露终维素又分秀臻搽送秘# 缭鑫嚣，这亵个帮分都 是姐葡萄糖基以吡喃环的形式联接而成的分子链，只是分子链间的关系不同。而半 绎缀素帮本索剩都楚 结磊物质，掰瞳衣聿孝在这一杰上吴备了玻璃亿转变滠璇的条 件。出于纤维素在结晶区中的分子链排列整齐，分子链彼此之间靠氯键和范得华力 穗遘结，蠡 j 霹= 梅戒豹豁艟曩骞晶体的性质，掰潋牵籍了玻璃纯转交的宏观钵璇。当 然结晶区和非结晶区之间有时就是幽同一分子链相联接的，而木素与纤维素之间是 靠半纤缍素进行联接的，纾维素的缡晶区是没有玻璃亿转交静，这怒由于结黼区中 的晶胞具有晶体性质，在高温下可黛熔融状态，在低温时可被溶剂溶解，所以想改 变葵状态，划必须克服结晶区中分子链之闻的范得华力和氢键的作用力才行。 由于木材的纤维分子链很大，聚合度也很高，一般最高可以达n 2 0 0 0 0 左右，同 时氯键的稻绪点太多，敌纛温度作厢使其成熔融状态所需的流度相当商，一般的木 材软化和压缩弯曲溆度是不能达到这釉温度的，所以纤维索的结晶区可以视为一个 西q 体。因此加热使 结晶区中的本索、纤维索和半纤维素体积膨胀，增大自由体积 空间，显然是有限的，也就是说，终维素的结晶区的刚性在定程度上限制了玻璃 化转变。但是木材在水的作用下，即在纤维饱和点内，木材会随着含水率的加大， 体粳逐渐膨胀，当达到纾维饱和点时，体积膨胀鹫最大。本楗中豹水分一部分是存 在于细胞壁中，另一部分存在于细胞腔中。 当承分避入缨熙壁中酵，由于水是极性分子，可以与纾终素 # 缝照区孛熬羟基 和半纤维素中羟基形成新的氯键，具体说来就是与沙葡萄糖慕吡哺环上的羟熬进行 终惩，扶恧糖太了分子链之阕鲍距亵，鄂壤大了囊虫抟积，必分子的速动提供了空 问。所以水在木材中起到了增塑剂的作用，但是如果分子的振动不够，也就怒热运 裁戆能量不够，鄄使承提供了足够豹垒虫体积空溜，瞧无法竞全改交本枣| 匏软纯条 件以及压缩和弯曲憔能，只有能量和增塑剂一起作用于木材时，即木材进行软化处 理，铡臻增颦裁提袋鑫由薅稷空闼，秘臻熬熬使分子蔟存是够翡靛量，方鼹蠢效逸 查垫垄堡至窭至塑蔓垄_ 三 镁东材实蛾软化，进两提蕊本材的压缩、弯曲性能”“。 木村是一种粘弹性材料，木材的软化主要是使术材实现可塑化、木材膨胀变形 鞠辫低东楗缨跑壁缱分静玻璃纯转变温度。术耪可貔化翻膨胀变形躲基筑是：降低 木材的弹性模量，使木材焱软；弹性区域黛小或消失，使变形后难以恢复；破坏应 交增丈，鼯致材料变形瑷丈：破爨缝量增大，藐性枣孝辩变梵糙滞孝葶糕e 本耪澎酝变 形是采用水或其它化学材料浸渍到术材的非结晶区内，使术索、半纤维素和纤维素 浆j 结燕嚣体积膨强，增大匀壹体积空闻，据亵本孝葶翁塑缎潮。毽鼗农佟为缀注物 质进入木材的细胞壁后，即可进入到木材的分子链之间，当术材受到外力作用时， 分子链之瓣容易要耀发生镶位，鸯程予本糖瓣压练“8 。 玻璃化转变是无定型商聚合物的一种蒋遍现象，也是无定型高聚合物的个重 要瞧覆。洚祗本耱缀憨篷缀分懿玻璃纯转黛温度惫灸了提麓本榜鋈瞧靛主餮方法。 就术材而藩，纤维索、木索和半纤维素为欺型的非鼯态高聚合物，玻璃化转变主要 存在于出纤维素、半纾维紊和泰素缀成酶微垂手丝之瀚j 结爵送内，褥绝于木誊孝缩礁 壁中( 按爨量计) 古有5 0 左右的纤维素( 其中结晶区占5 5 左右) ，2 0 3 0 的半纤 维素葙2 0 卜3 0 的术素，戮诧本丰芎其有明鬣的玻璃亿转变，。胰表1 一l 中可以看出木 材细胞壁基要成分的玻璃化转变温度“1 。 表1 - 1 木材细胞壁主要成分的玻璃佗转变溢艟 玻璃化转变湿度( ) 本耪戒分 干燥状态湿润状态 末索 1 3 4 2 3 57 7 1 2 8 半纤维綮 1 6 7 2 1 75 4 1 4 2 纾维豢 2 3 1 2 s 32 2 2 2 s o 通过上表可以看出，当木材在湿润状态下，半纤维素和术素的玻璃化湓度都有 较大幅度的降低，i 面纤维素几乎没有什么大的变化。 在软化处理中，即高潞和商含水率作用下，半纤维素和术素将发生一定的热解， 馊纤维素鞠本素之阅部分失去联接，提离本材的塑性。本夸芎中水分豹学在是静比 较好的增骥剂，可以大大掇高木材的塑性变形，当术材的含水率大于纤维饱和点以 上对，体积膨胀达到最大，也是本耢压缩粒弯曲熬簸佳凝态。但是不罚款撼转，软 化温度也不一样，这个主骚取决于术材的结构和组成部分“蛳。 时翠烛通过对耱本小缎糖薄扳农热软化工艺熬磺究鼹分援褥窭；零热软纯慰阕 8 查i i 整鎏叁兰鍪主兰堡选兰 一一 ；l w w _ ”一 对弯篮霖筵的影嗡羲显著，戆巷麓燕辩闯的延长，试件静软化程度爨葱，秘率半径 疆鼹减小，键时海避长容易遮藏蕊缩瑟鹃皱缭帮瑶长平澡定鼙鞋李海。在试验祭棒下t 椭撇理，一法e 孓 匕 兰 袭卜2 术材物理软他处理蠢法 蒯 蒸汽蒸煮软化处理水煮软亿处理微波加热处理 项目 加热蠢件饱私蒸汽 热水微波 蒸汽瓣力：o 0 2 热承温发：9 0 1 l c 2 ：4 5 0 5 蕊礅z 软讫楚理：l ：艺条撵0 。0 5 1 稽a ；蒸汽溢瘦： 1 0 0 1 4 0 软化处理设备和设旌蒸煮罐水煮容器微波发生器 款纯效菜籽，较纯速度软化效栗较好，软亿速度软化效聚好，软纯速 软化处理的特点 攫，软纯鞠匀穗莲。後，软纯琢匀。度快，软纯均匀。 化学软化处理是采用套糙化学药务4 对本材进行软化处理憨方法。磐瑗豹纯学药 本耪簸缩多两弯曲技术 垒 裁有液念氨、气态氨、尿豢帮碱液等。仡学较讫鲶理一般是程密闭鹣罐内遴行的， 诧方法适合对化学薅弃g 渗遴瘫好鲍满时榜，耨锌畸聿孝黪软纯摄少搜耀。鑫l 予能学软 化处理对于环境的影响较大，艇以在实际生产中应用的较少，同时出子采用化学软 化处理，在定程度上破坏了术材中的主要成分，使之发生降解。实验得到：采用 纯学软能簸瓒方法，针对枥本鞠襻本较纯辩，其中：强本孛静纾维豢掇失途1 3 。溉， 本鬃损失选5 。3 嚣；撵本中续维豢鑫孽臻失这1 0 ，本索损灸达2 溉。 通避上述软化处理方法的分析，本次实验采用的软化方法是生产中比较容易做 到的方法一水热软化方法。 t 5 拳糖黻绞疰缭祝理疑方法 ， 。5 1 本材暇纹援缠枫邂 从寿才料力学理论看，树辩灏受孙部荷载的作用两产生变形，这种外力的伟用直 接； 超材料内部各部分之问的相互作用，这 中相互作用的力称为内力，如果材料处 在外力雩箬翅下，这种痰力蠼攘到一定黻度，簸会零 起奉孝糕载酸坏。始桑辍捺孝辛料静 内外力处在乎衡状态时，外力可以通过外部旖载的大小得到，丽内力可以通过截面 法求得“”即： p ：竺 酬 p ：l i 礅竺：丝 鲥畸o 名以 式巾：p 一在截瑟积4 蠢上豹乎缘应力 矗爿一截嚣积上疑惑一患薛擞嚣积 以p 一作用在截面积4 肚的内力 确物体截面处菜一点的内力集度，又称为a 虑处的应力，通过对材料的成力、 密变戆分辑西始，燕楗料投缀藏懑蠹，毒孝越豹瘟力觏应变援德德舍下题懿嶷突怒律： a = 琶8 式中：一应力 嚣一弹性模鬟 艿一度变 同样，本材力学上的内力怒指程外部荷载的佟阁下，所弓l 起的栩互佟髑力的变 纯鬟，帮“跗洳内力”，谗称为内力的集度。本材稳应力的作用下会产雯斑变，当应 力猩应黛超遥本稽承受酶陵寝辩，就会弓| 越来誊手静破环沁“；如栗术树在破坏极陵 内t 可以绘成本专才特有的艘力一应变特征热线，当该应力擞除矮，其戍变嬲恹复并不 丝 查! ! 整墼查堂鬟主兰堡熊奎 一一 遵德乐来敕菠线，瓣是零妥定霹潮来逐澎竞藏应力应变熬转换，蒡影袋鄂分残余 应力。在这种情况下，如果没有其它变量的参与，加载和卸载所产嫩的不同曲线只 麓与应力一藏交招戛转纯熬辩阂穗美。可冤本榜卸载菇，痊交黎要一定辩溪逐澎羧复， 但是这种恢复是不彻底的，总会存谯永久性的变形，这就是水材具有粘弹性的特性。 本掌芎糖撵镶将性实矮是由本榜缀藏麓翡结稳霸毪震涤定静。鲡梁鼹予本誊| 佟瓣一瓣 时外力，并且在一定时间内保持恒定，木材的荷载和变形如图卜1 所乐。 龉峰t i 当旖载在时间捌筝用时，材料产生一定齄的蹰时变形，谯蓿载保持挺定期间， 交形以递降的速率不断发展。当在时间时移去荷载，木材立即产生变形恢簸并随 对燃以递黪速率继续恢复，疆至木鹱糖料变形恢复襻止，这过程熙为典型靛本材 普通蠕变现象。如果在实验中给木材施加瞬时变形，并在一定时间内保持变形恒定， 受产生豹藏线如强1 - 2 p j i 示。从图中w 娃看如，在时粒撼基热变形瑟嚣豹乡 力煲遗时 间的增加而邂渐衰减。这种对木材施加一定变形，而材料内部反作用力随时间变化 的现象称势本材浆松弛。本谤熬蠕变帮捡魏楚一令阏题戆嚣今方蘑，宅翻郄楚由兹 料与时间的相关特性决定的，即由术材的粘弹性所决定的，术材的这种特性可以应 爱爨l 本挞熬颞纹匿缕撬理豹磅突“。 木材在应力松弛过程中，虽然总体变形保持不变，但总体变形是由三个部分组 残，帮弹经变形、嵇舜经交影窝糙蠛变形，这些交形帮随着辩鬻豹交琵发生交纯。 蠕变是指材料程应力不燮的条件下，变形随时间延续而增加的特性。根据材料蠕 交瓣一般麓德，攥交交澎与辩海关蓉豹交纯分为三个静段，g # 裙籁输羧、稳定阶段 和煅后阶段。在初期阶段，蠕变速率随时间的增加而逐渐减小，稳定阶段蠕变速率 是鬻数，最瑶黢羧臻变速率不断增赫，最嚣发生褥交断袭。校据材攀 力学中孀变交 查楚堕茎耋塑奎堕垫查一鹜 形菠鼓闽关系豹交位除段，本秘抟磐通蠕变迮可以分为三个阶段，在蠕交的裙始黔 段变形遮率是递减的，蠕变的第二阶段变形曲线量线形，变形速率基本稳定，而终 了除段交形速率量递增趋势壹至拱辩被破鞴”。 木材在外力作用下，产生一个瞬时弹性变形，继续加裁会产生个总变形，根 攥线髟糕弹控瑾论，本謇葶戆总变形艿疆出弹牲变影艿。、糕弹牲变形善* 窝糖牲交形 拶组成，如图卜l 所示，萁木材总变形公式如下： 6 f ：6 。 8 5 ， 当外力撤除厝，弹性变形立即恢复，其它变形会随时间逐渐恢复，但是这种变 形是不竞全熬，墩终毒部分变形残甏，这秘交形裁楚本毒季在承受蘩虢颓闻翻之嚣发 生的粘弹性变形和粘性变形的总和。 禾毫孝裣魏稻蝣交是本枣辛在鑫鸯复杂的特往帮务静巧境鲍穰约一f 发生静复杂褒 臻，除了时间这决定性的因素外，材料的特性( 如树种、生理结构、化学和物理 馁髭等) 、葡载特往( 蕊载的类鳖、自e 载方式稻瘸粥) 、承簸酶方两以及诸鲡澎度、 濑度等环境因素等都极大地影响蔚木材的流变学特性“。木材像其它结构材料一样， 葵性质隧着使用环境的交化丽变讫，如大气环境中的温度、湿度和光照等影响。 捞6 8 年s c h n i e w i r t d 提出在j 萱力极敞范圃内轴恒定的温度、瀑度条件下，木杳才是一种 线性秸弹往材料”。这结论先后被其它学者所证实。木材是多礼性、屡次性、 亲湿性和各向异傲材料，程温度和湿度二者的共同作用下，木树的流变特性变得十分 笺杂。在恒定载待作用下，当含水率循环改变时，术材表蕊出不寻常的蠕交变形。 嶷验研究表明，蠕变随着客水率的增加丽明显增大沸3 。 李大纲通过对杨木的研究发现：木材含水率为2 8 时，瞬间弹性变形、延迟弹 性变形和粘性流动变形均髓应力水乎的加大嚣增搬；本材禽水率为1 3 对，瓣闯弹 散变形也随应力水平的加大而增加，但其甄迟弹性变形和粘性流动变形几乎不变化。 杨木瞬捌弹性变形髓应力7 k 乎的增加两增期，这表明在试验的应力水平范围肉，扬 术受到载荷后就衾产生塑性变形，邈是由于当胞壁中充满水分时，水分在木材中起到 了增塑剂约幸# 用，皴坯腿壤中数氢键结构，屡薮大分子灏熬提互终翻力，扶嚣璞热 了大分予的柔顺蚀，使链段易于遮动。延迟弹性交形反映了木材受载荷后蠕变变形 戆糖闽豹延长瑟增妻瑟的关系。当本糖中含东率与髑耀嚣壤耀乎簿辩，尽警本瓣受载 赠产生较大的瞬间弹性变形，但由于木材中水分不随周围环境变化而变化，因此杨 本含畚攀必l 鼹鹣延迟弹憋变形不遮应力东学鳃糖大瑟增磐鬟；反之，当藏蘩审东努 较多时，木材中水分要向周围进行解吸，在其受到荷载后，水分的作用和对氢键的 骏坏终怒不仅整本髓产生较大弱懿链交影，嚣显产生较大豹涟应力7 k 平缮蕊薅缮热 东北林业大学硕士学位论文 的延迟弹性变形。粘性流动变形是蠕变过程中随时间线性发腱的永久变形。遮种不 可後复的交形是由于产生了不可遂鼢塑性交形，是宙予本孝辛受载蓠嚣缨戆壁徽缁纾 维之间发生微位移，并随作用时间的延长而增加，最终导致木材持久强度的降低 。，“。同样术孝方的穗弹性特穗也会陵誊术丰孝审纯学成分静交健褥变化。“。 从瞬间弹性变形理论上讲，当木树承受较小的载荷时，木材的响应主要是微纤丝 及箕细胞总体的释佼变形，j 靖= 时填充杨质受力缀小，服觚虎克愁律；当簸穑超过一定 限度时，填充物质克服相互间的摩擦而产生相对运动时，就呈粘弹性井产生骥性变 形；当载荷蒋增加辩，就会产生不可恢复的永久变形。“。 木材的可塑化处理技术、木材的大变形加工、木材弯曲加工、人造板加工工艺 技术等都与本材的粘弹性特往的基础研究有头，它涉及到木辛才细胞壁层构造、术材 吸放湿热力学以及木材流变学等方颟的研究内容。”。 刘一星等在木材横纹蕊缩大变形应力一应变关系的定量表征中得出：在木材横向 大变形过稔中的三个阶段是：首先在压缩过程中，木树纽咆发生微小躬变形，应力 和_ | = 藏变呈比例关系；其次在越过木树屈服点之后的较宽范围内，细胞逐渐被愿渍， 胞壁发生向内脏塌隧的弯曲秘压缩变形，应变迅速增大，丽废力略有增加；最后当 压缩进行至原来对酾的细胞蹙相互接触时，细胞腔被究全充蠛。在这三个阶段中， 本材盼三秘变形都被体现出来，木材的蠛变粒松弛也援继发生汹。 木材在顺纹压缩中，木材的三种变形如何实现，是什么物质发生的变形? 通过 对本材的微溉结捣帮超微绩梭可以羲蹬，本楗中豹主疆戏分终维素梵线形、长终丈 分予结构，纤维索大分子又由许许多多的葡萄糖单体构成链状的分子链，它们彼此 趣慕本上以乎行方式聚集或寒，其中霉豹区毂纾维素分子链彼j 鏊：平行，橡成缝摄区， 这个结晶区决定了妻千维素的强度，另一个区段内，纤维素分予链彼此不平行，构成 纾缀素豹 # 结曩区，这些线澎分子稳不是笔蠹箴线，嚣是其鸯一定戆卷莛帮分，这 使纤维素具肖可以伸缩的弹性性能。如果外力的作用小于木材允许的顺纹抗压强度， 帮疲力，l 、予本榜懿破坏援疆辩，本零葶不会产黛破坏。絮栗本枣孝在持续豹矫力律雳下 被服缩，当达到压缩率后停止加压，保压一定时间后卸压，术材在压力解除厝，木 兹鹣穗弹毪褥经是露也会鑫税密来，这褥爱本谋题磷究酶量娶海容。 1 1 5 2 木材顺纹聪缩方法 本榜经过软馥鲶理后，整接进行簸绞嚣络。颁绞疆缩辩，应根据术材端瑟的尺 寸、树种和软化方法的不同，选择不同的压力。通常在木材的轴向上是木材艨缩的 主要施力源，因魏援力方岗必须和术奉孝盼鞫两垂壹。术材在顾纹压缩时，在术材的 侧向会产生一定的膨胀，因此应根据木材的尺寸、树种等适当施加一定的压力，以 奉毒孝歪缝多融弯馥技术 1 3 确保本材不产生过大的横恕膨胀，但是这个方向的力又不能过大，秀则会使术材在 纵向压缩时，木材的纵向聪力没有传递到翳个木材，使整彬木材的压缩率不均匀。 蹶纹攫缩时，在级向方淘上的躯缩速度应尽量缓慢，这样即可以保证本糖的压 缩适合木材本身的变形，又可以加大木材的塑性变形。在术材的压缩达到规定的压 缨率蓐，本谤应巍援力掇上保持一定对间敬压力，以进一步增大本耪瓣塑挫变形。 1 1 6 术材弯曲原理和方法 1 ， 。6 ， 本榜弯魏攥理 木材隘接弯曲时，根据材料力学得到，木材的凸面受拉，呈现挝伸应力，木材 懿越瑟受疆，呈现瑾缚应力。拉 孛疲力秽珏缀应力分裂在鹜、垫嚣个袭瑟达垂l 最大。 在外层的拉伸应力和内层的压缩应力之间，或者说由外层的拉伸应力转为内层的压 缀应力豹过渡区域中，套层豹应力等予零，这一搽称中镶缓。枣予本耱羧纹拉箨 和压缩弹性模量大致相同，因此可以假定中性层近似位于中央。根据材料力学的理 涂缮囊，泰耪豹弯潼性器可敬爱( i i r ) 表示，委l 窝： 旦；2 霆 其中： 舭 s = 式中：髟一表示术丰萱的厚度 亓一表示木材弯曲的曲率半径 r 一表示木奉孝的形交 4 三一木材的变形长度 一术材的实际长度 弯曲性能通常：受相对形变的限制，如翘过木材允许的形炎对就会产生破坏。直 线形木材在气干状态下进行弯曲时，其顺纹拉伸形变( s ，) 仅为0 ，7 5 1 ，顺纹 羼缱形变与本材的树种、年轮层组织等有关，针时树及软材气于材的顺纹羼缝形变 ( f r ) 为1 2 ；硬阔叶材气干树的顺纹压缩形变( p ，) 为2 3 。由此可见， 本树气于材的顺纹挝 孛形变( s ，) ，j 、予颞纹压缩应变( r 。) ，弯麴聪本专孝的璇撂是 在术材的拉伸面上。 软化受b 理可使蠢线形本材熬颞纹拉 孛形变( r ，) 毙气于秘略骞璞热，毽骥纹压 缩形变( r 2 ) 却比气干材增加很多，硬阔叶材经软化处理厝顺纹压缩形变( r2 ) 可达2 5 3 0 ，针对材袋款毒手经软纯嚣鞭纹压绩影变( 8 。) 可达5 7 。 i 4零北林业夫学顼士学位论文 经过多年的理论与实践，人们己缀测得了木材弯曲时的压缩、拉伸允许形变和 弯篷馥熊8 “8 “，弼轰i - 3 凝示。 袭卜3 木材溉接弯曲时内外表面的压缩和拉伸最犬形变 木树状态顺纹拽 申允许形变顺纹餍雅允许形燮揪弯曲性髓 气干牵t 毒孝 0 。7 s l 毽1 瓢l 6 7 】5 0 气干潮时材 0 7 s 鹦l 强2 3 i 6 7 5 0 软佬钟氍糖 1 5 2 5 傩l 3 3 l 2 5 软化阑叶材 1 5 2 2 5 3 0 1 3 3 1 2 5 因麓簿种本糖的允许靛律形变鞠鹾缩形变不一样，豳籁它们的垮懿链靛也是 不楣丽的，黼榉露发款本材奄熬鳆率半径越+ ( h e 谴越大) ，刘说明弯魏槛囊甚越好。 弯益往能主要决定子木材鑫巍的允许拖伸形交和允许篮缩形变。木率毒由予自赛的特 性，仅仅经过软化处理就直接进行弯曲，势必造成单向弯曲的曲率半径大，成功率 羝，热袋软化滤王艺袈释攘剿熬不鳋，敷会遥或璐避零豁髂瓣撰塥。 木奉手经过顺纹难缩后，由于术材共有的秸弹健特点，必然会产生永久的变形， 这穆永久变形实壤土增大了本键鹣形变，搜本耪豹簿蘧蛙髓褥至l 摄大燕巍提怒。隳j 避 如果要获得比较大的形变主骚楚通过术材的压缩变形，以擒高木材的举向和多向弯 曲性能。 + 。6 ，2 零摹葶弯麴戆方法 出于被越缩的术材产生较大的形变，因此木材珂以在个或多个平颟上弯曲成 型，懿霹激弯蘧戒s 登纛螺囊黧簿。絮莱哭怼莲缭戆零耱孛萦一部分送行弯鼗，那么 只需要对遂根木材的部分进行臌缩，通常采用部分软化处溅来解决，即只有被软化 的那部分术材才能被压缩。本材披压缩后，弯曲的方法有以下几种：第一种方法是 馕鼹鼹麓避行弯麴，虽然本零芎藏经被糕缝，餐由予逡度弯馥线本榜戆两鄂绞麓，本 材会在外都( 热瓯) 开始断裂，圆此一般弯曲较小煎曲率举径对，通避拄凸面放置 镶带，霹戳往本枣孝弯菇弱擐，j 、麴l 鞋l 率半径。当然簿鞠瓣瀚率半径还取决予本奉葶豹数 种、质量、尺寸和压缩率以殿加工的零部件形状和所使用的工具和模鼠等等；第二 种方法怒不使用镪带，如果蛮妯的曲率半径较大拜重，可以不用镪带，此时将悉缝的 本耪靠在模其主，健羁夹暴或专稻爽镑将本专季的一漩锬定，勇一端避行垮麓，驽曲 时应适当缓慢和均匀地进行：篱三种方法是使用模典遴行弯曲，摸具w 以是蕈钢豹 也可驳怒域侧的模矮，这个主鬻驳决予术材弯魏虢麓率二睾径和弯曲的耩发等。“* 2 8 拳辛葶箍缩多蠢弯馥技本 1 5 1 7 弯熬本弱予燥定型原理和方法 1 1 7 1 弯曲木干燥定型原理 本材在于燥过程中，港本材的食承率低子纡缨饱和点霹，由予本材的结枣旬和各 向舁性的特点以及干燥过程中存在的含水率梯度和温度梯度，木材在各个方向上的 收缩不均匀，这季孛不均匀收缭，搜本辫产生了含水率应力秘残余交形应力。这些应 力使木材产生了各种形变，这些彤变主要幽湿收缩应变、弹性应变、蠕变成变、机 摄啜瓣蠛变盔变稻湿度影嚷弓l 起戆癍变等缀残“。鼹嫖孥逶过对本誊毒蠹唐力豹磅 究认为；术材干燥应力的缴展分为干燥前期的外张内压阶段、干燥中期的转化阶段 鞠手澡磊鲻的蠹张乡 压除投；经过终了处蘧最本毒孝熬于臻旋力显著下降。 一般来说，如果木材干燥基准控制得好，木材经过终了处理后，木材的应力会 降蘸至矮小瓣程度，不会使本褪产，圭变形等手燥浚爨。毽最本耪经避瘩热姣理惹， 缀过压缩和多向弯曲后，必须将弯曲木中的水分降到使用状态下的含水率，因此需 鼗送 亍予燥秘定壁。戴辩翡干燥，除了要磷究本搴毒手燥遗耩中兹应力交讫橇理，磊 时还要涉及到木材弯曲后的残余威力变化机理，只商将这些应力控制到最小的范围， ，l + 麓魂藤弯蓝本静形狡稳定。 当软化的木材被弯曲成一定的形状后，纤维素内或纤维问发生变化，纤维素无 论是囊在卷曲程爱还是处在张歼状态，都魄原来的分子状态能量离，发展趋势都是 朝向恢复原来状态，这种趋势再加上结晶区的牵制作用使术材具有恢复原来形状的 牾往，帮嗣弹特毪“。瀣于木巷芎被弯萄簏存在饕这些应力，使蕻形状狠不稳定， 同时弯曲木中含有大量的水分，因此必须经过干燥和定型。在于燥过程中实质上就 怒一个瘟力松弛遗程，经邋一段时闻的干燥，随着承分的排除，纤维素之间的距离 收缩，使弯曲的应力得到乎衡，弯曲的形状得到圃定。由予本素是无定型物质，可 眈遥应纾维素分予链的形变作用，警木材中的水分降低后，即减少了分子间的距离， 增加了分子之间的摩擦力，同时随簧木材中水分的减少，术素的软他点提赢，因此 也有利于术材的定型。 弯曲本制戒的产品在使用过程中，吸收空气中媳水分产生吸湿剜弹现象避本材 的性质决定的。对于内部没有应力的木材，吸湿仅能改变其相对尺寸，不会改变形 状，但是当弯曲术蠢应力存在时，将会促馈其应力的释放露产生回撵，掰以暇湿对 弯曲木的形状稳定性影响很大。如果这种弯曲木在受控的湿热条件下进行干燥，可 以有效地黪放生长应力和收缨应力，减少秘防止援熬变影、锻缭于裂等于燥姣赡m ，。 高温快速干燥定型能使弯曲木形状尺寸稳定饿远远高于气干条件下的干燥定 型，本材痰力松弛戆着于燥定型豹滋度增热蘑减少，弯夔本经过1 8 2 0 0 瓣滠 6 东北林业犬学硕士学位论文 瘦楚理嚣，弯蠡鑫本密部载残余应力歹0 乎完全丧失。本毒手熬这静瘟力丧失怒本耪疼 部产生了剧烈的热降解反应，本树细胞壁中的主要分子镑，特别是半纾维索分子链 被大量切断，鼹初期应力急剧变化的主要原因。 1 1 7 2 弯曲术千燥定型方法 被弯曲黔曲线零部件必须教翻定崔模具或支架上遴行于燥定型。出予弯趣本中 浆含承率鞍藏，瓣对疰l 于弯益瑟残貔懿应力，嚣毙予澡定鳌必矮采矮强赘l 予臻鳕方 法干燥。用予弯曲木干燥定型的方法主要有，常规干僚窑内干燥定型、离频干燥定 型和微波干燥定型。但是常规干燥窑的温度不能达到很高，这一点对于弯曲术应力 的释放不如商频干燥和微波干燥的效果好。虽然高频干燥和微波干燥干燥速度快， 干燥温度可以舞得较高，但是控铡越来e 较困难，弼对鼹叛实现自动控制。 1 2 国内、外木材压缩多向弯曲技术研究现状 1 21 国外术材压缩多向弯曲技术研究现状 1 8 4 2 年，字e 耐特采用化学、机械法弯曲木材的技术在维也纳获得了专利并投入 了工业生产。1 8 5 3 年托纳特在生产中发褒，当叛毒于静撵璇达裂一定厚度时，在弯题 翡本奉孝豁表甏滋王霓崩裂，之轰撬缡特经过反复研究窝实验，发