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木材的软化处理与弯曲技术 |
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作者：中南林学院 曹上秋 解林坤 |
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木材从力学角度上看是一种弹性材料，在结构上呈多孔状，木材的这个特性，可以使其弯曲。但是如果要攀得较小的弯曲曲率半径，应在弯曲之前对木材进行软化，增大木材的塑性。木材经软化处理后，在顺纹压力的作用下，细胞壁中微纤维之间产生滑移，导致细胞壁的壁层纵向产生褶皱；木材在弯曲力矩的作用下，弯曲时的受压面形成褶皱，受拉面形成展皱，便可获得较小的弯曲曲率半径。
1 木材弯曲的原理
木材弯曲时，以中性层为分界形成凹凸两面，在凸面产生拉伸应力，使凸面木材有不同程度的伸长；凹面产生压缩应力，使凹面木材有不同程度的压缩，其应力分布是由表面向中间逐渐减少，中间一层纤维（中性层）既不受拉伸，也不受压缩。当所受的拉伸和压缩应力超过该种材料的拉伸强度极限或压缩强度极限时，木材就遭到破坏。
木材弯曲时，必须研究和了解木材顺纹拉伸与压缩应力的变形规律。
顺纹压缩变形与树种有关，针叶、软阔叶气干材顺纹压缩变形为1%-2%，硬阔叶气干材为2%-3%。这是是由于硬阔叶材各年轮层间有宽而粗的木射线组织，使其连接牢固，因此在变形时不易失去稳定性和产生破坏。
软化处理后可增加木材顺纹压缩和拉伸变形。软化处理使顺纹抗伸形变可稍有增加，一般在1%-2%。但使顺纹压缩变形却比气干材增加很多。经软化处理后硬阔叶材顺纹压缩变形可达25%-30%，针叶材顺纹压缩变形为5%-7%。
不同树种的允许拉伸形变和压缩形变不相同，因而它们的弯曲性能差异很大。用方材厚度（h）和能弯曲的最小曲率半径（R）的比值（h/R）来衡量木材的弯曲性能，即同样厚度的木材能弯曲的曲率半径越小（h/R值越大），则说明该材的弯曲性能越好。弯曲性能主要取决于木材的允许拉伸形变和允许压缩形变系数。木材在弯曲时凸凹两表面产生的最大拉伸形变和最大压缩形变是相等的，因此木材的弯曲性能主要受顺纹拉伸允许形变的限制。为进一步提高木材软化后顺纹压缩的形变，可在方材拉伸面紧贴一条金属条（0.2mm-2.5mm厚）使弯曲时中性层向拉伸面移动，由于金属条承受了拉伸应力，使凸面木材拉伸变形很小甚至等于0，这样能明显地改善木材的弯曲性能（图1、图2）。
2木材顺纹压缩弯曲技术
木材顺纹压缩弯曲是先将木材进行软化处理，然后再进行顺纹弯曲。当水分进入木材细胞壁时，由于水是极性分子，可以与纤维素非结晶区中的羟基和半纤维素中羟基形成新的氢键，加大分子链之间的距离，即增大了自由体积，为分子的运动提供了空间。如果分子的振动不够，即使提供了足够的自由体积空间，也无法完全改变木材的软化条件，只有能量和水作为增塑剂一起作用于木材时，才能有效地使木材实现软化。
木材中的主要成分是纤维素呈线形、长的大分子结构。纤维素大分子由许许多多的葡萄糖单体构成分子链，它们彼此间有的区段纤维素分子链彼此平行，构成结晶区，这决定了纤维素的强度；另一个区段内，纤维素分子链彼此不平行，构成纤维素的非结晶区，这些线形分子链不是笔直成线，而是具有一定的卷曲部分，这使纤维素具有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，即应力小于木材的破坏极限时，木材不会产生破坏；如果木材在持续的外力作用下被压缩，当达到压缩率后停止加压，保压一定时间后卸压，在压力解除后，木材的粘弹性特性随即显现出来，在短时间内恢复其弹性变形，但是尚遗留一定量的永久变形，这些永久变形主要是纤维或分子链之间产生纵向位移，在顺纹方向上细胞轴向产生褶皱，这些褶皱比较均匀地集中在轴向细胞的内壁，这将使木材的弯曲性能得到大大地提高。木材在弯曲力矩的作用下，受压面褶皱加大，受拉面的褶皱被展平，因此在允许的形变内可以获得较小的弯曲曲率半径。
3 木材软化处理的方法与机理
软化处理可改善木材的弯曲性能，使木材具有暂时的塑性使弯曲加工得以进行，并在变形状态下干燥，恢复木材原有的刚性和强度。软化处理方法有：水热处理，高频加热处理及化学药剂处理等。
3.1水热处理（蒸煮法）
水热处理（蒸煮法）软化木材，主要是利用水对纤维素的非结晶区、半纤维素和木素进行润胀，为分子剧烈运动提供自由体积空间，靠由外到里逐渐对木材进行传导加热，使分子获得足够的能量。
组成木材细胞壁的主要成分为：纤维素，半纤维素和木素。木材经水热处理后，一部分半纤维素易分解溶解成液态，纤维素无定型区分子链上的游离羟基吸附水分，使纤维素间隙中水膜增厚，分子间距离增大，吸引力减小，便于在外力作用下产生相对滑移。
木材膨胀形变是水进入到木材的非结晶区内，使木素、半纤维素和纤维素的非结晶区体积膨胀，增大自由体积空间，提高了木材的塑性。加热可以使非结晶区中的木素、纤维素和半纤维素分子能量加大。在水、热的作用下，纤维素非结晶区湿胀，木素呈粘流态，半纤维素失去其联结作用，木材塑性加大。
水热处理方法有汽蒸和水煮两种，水煮方法会使木材含水率增高，弯曲后干燥时间延长。此外因细胞腔内自由水的存在，在弯曲过程中，易产生静压力而造成废品。目前生产中经常采用汽蒸，主要是饱和蒸汽蒸煮。汽蒸时间与弯曲方材的厚度、含水率、树种和要求的塑化程度有关（表1）。蒸煮不足则塑化不好，容易在剧烈弯曲程度下产生破坏；蒸煮过度则顺纹抗拉，使其顺纹抗压强度降低，方材将难以承受在弯曲过程中端面产生的压缩变形而被破坏。所用蒸煮设备应靠近曲木设备，每次蒸煮的木材数量不宜过多，以免表面过分冷却和蒸煮过度。放在蒸煮设备内的木方之间要留出6mm~8mm的间隙，使其均匀受热，缩短蒸煮时间，保证弯曲质量。蒸设备直径一般为250mm～400mm，不宜太大。锅的长度稍大于弯曲零件的长度。表1 榆木、水曲柳弯曲所需的蒸煮时间
 3.2高频介质加热处理
高频介质加热处理是把弯曲毛料放在高频电场内两个电极板间，反复极化，使分子在这种高频交变电磁场作用下急剧运动而相互摩擦产生热量，从而达到升温加热的目的。在高频加热中，介质吸收电能而发热的能力与介质本身的热传导性无关，而是取决于介质本身的介电特性和电场的电参数，即与介质的损耗因素、电场强度的平方、电场频率成正比。高频电场强度越强、频率越高或介质的损耗因素越大，则极性分子（如水）运动的幅度和次数就越大，摩擦产生的热量也越多，加热和干燥的速度就越快。这是一种有效的软化方法，可以在方材弯曲后真接进入干燥定型工序。高频度加热的频率高于300MHz，弯曲木材受.波导管谐振腔的电磁波辐射场照射。目前常用915MHz和2450MHz两个频率的设备，在2450MHz的电磁波加热下20mm×10mm（断面）的木材可弯曲到曲率半径为150mm，如在弯曲定型后再用电磁波加热可弯到更小的曲率半径。高频及微波加热快而均匀，可使弯曲与定型两工艺连续进行。
用GP8-13.5C高频发生器加热软化试验结果（表2）：表2 木材高频加热软化试验结果
 由表2可见：木材软化时间随着功率密度、木材含水率和树种的不同而有很大差异。其中功率密度对软化时间影响最大，它直接决定了木材所得加热功率的大小。功率密度越大，木材加热越快，需要的软化时间就越短。
在木材加热至100℃之前，木材含水率的高低对其加热速度影响较大；木材加热至100℃之后，水分开始大量蒸发，随着加热时间的进一延续，三种不同初含水率的木材在升温速度上差异逐渐缩小。
此外，不同树种的木材，由于介电性质的差异，高频软时间也不同。与木材蒸者法软化相比，高频软化对操作技术要求较高，对加热条件尤其是软化时间的控制要求严格，否则就难以保证软化质量。
4 实木弯曲的工艺
实木弯曲成型可以分成本个阶段：塑化（软化）、弯曲和定型（在模型框架中干燥冷却）。
木材首先需要刨成方材，然后精确地裁成弯曲长度。为达到可弯曲的性能，必须先将加工件进行软化，这表现为温度和湿度的影响。传统的软化方法是蒸煮法，把水分和热量当作木材的软化剂。一般将准备好的木材放在一定条件（压力、温度、湿度）的蒸汽中进行一段时间的软化，时间的长短与木材的初始含水率，树种和木材的厚度有关。木材弯曲最合适的含水率，是木材纤维饱和点的含水率，妈20%-30%，此时木材强度最小，可产生的变形最大。使用实木软化专用设备，可在较短的时间内以消耗较少的能量将木材转变为可以弯曲的状态。在弯曲时，将工件自由地放在金属薄板中，以扼制弯曲过程中工件外表的拉伸，进而被弯曲成一定的形状。在弯曲过程中，弯曲构件内部将形成张力，这种张力在以后的定型阶段将完全消除。此外，还要对工件进行降温处理，并消除弯曲工艺流程中必须的水分，最好的方法是将其放在低温干燥室中进行干燥，为了使工件保持需要的形状，应将工件夹在一个干燥架上。弯曲后，通过自然冷却可以明显减少内部应力，在含水率低于12%时，使弯曲成型的工件定型，它的形态在湿度增加时也不会发生明显的改变。上述工艺要求对于不同的树种存在很大的差别，总的来讲，针叶材不能进行很好的弯曲，而阔叶材如榆木、白腊木、山毛榉和胡桃揪等能被很好地弯曲。
实木弯曲工艺流程为：毛坯加工→软化处理→弯曲成型→低温干燥→自然冷却→定型。
5 结论
由于木材缺乏塑性，故在木材弯曲之前必须进行软化处理。软化处理可增加木材的塑性，使弯曲加由工顺利，并在变形状态下进行干燥处理，恢复木材原有的刚性和强度。软化处理是实木加压弯曲的关键环节。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/28/2007) |
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