王 茜，薛 童，胡逢海，史旭斌，樊 越，閆 麗

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100)

木材是一種多孔的黏彈性材料，在充分軟化條件下可以不破壞內部結構而壓縮密實[1]，壓縮木的變形不易固定,在水分或水熱條件下會產生回復[2]。木材的壓縮變形分為彈性變形和塑性變形，彈性變形指在外力撤除后會發(fā)生回復的變形，塑性變形指在外力撤除后不發(fā)生回復、被永久固定的變形，水熱回復處理加速彈性變形的回復[3]。近幾十年學者的研究著重于壓縮變定的產生及回復的機理,從而探索使變形永久固定的方法[4]。雷亞芳[5-7]等報道壓縮木浸水后壓縮變形會發(fā)生回復，壓縮方法、原有木材的材質和溫度、壓縮程度、壓縮方向、含水率等對壓縮木回復都會產生影響?？芙糩8]等認為熱壓溫度對回復率影響顯著,當熱壓溫度從140℃增至160℃時,回復率下降了4.77%。當熱壓溫度從160℃增至180℃時,回復率下降了16.76%。李凱夫[9]研究得到水飽和杉木在20～100℃各溫度下壓縮、干燥和固定變形,然后在0～100℃各溫度水中浸泡,變形溫度不同,回復率也不同。20、40、60、80、100℃壓縮固定后在0℃水中浸泡后的回復率分別為81%、78%、73%、61%、46%。干燥條件對壓縮變形回復有影響，王潔瑛[10]、I.Iida[11-14]認為變定的基本特征為:受力木材在水分非平衡(如恒溫的熱氣干燥)或水分、溫度非平衡(如微波干燥)條件下干燥,與水分平衡條件下相比,會產生更大的變定。在干燥狀態(tài)下,變定不回復,但在水或水熱作用下,變定幾乎完全回復。由50℃熱氣干燥產生的變定僅在水分的作用下便可基本回復,而要使微波干燥產生的變定回復,則必須進行水熱處理。趙鐘聲[15]等研究得到壓縮變形時(或經過)的溫度與解壓溫度差值、不同樹種以及木材晚材率和密度也會影響木材壓縮變形的回復率。

本研究通過水煮和浸泡-微波2種軟化方法在不破壞木材細胞壁結構的前提下，對人工林楊木進行橫向壓縮，然后通過室溫下浸泡水的方法使壓縮變形完全回復。分析軟化方法、軟化工藝和熱壓方法對木材壓縮變形回復率的影響，探索木材壓縮變形全回復的軟化和熱壓工藝參數，為低質速生楊木在工藝品生產中的應用提供新思路和技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料

采自陜西省境內的毛白楊，規(guī)格為20 mm×20 mm×30 mm(R×T×L)，平均氣干密度為0.53 g·cm-3，無開裂、腐朽、變色等缺陷。

1.2 儀器與設備

熱壓機(咸陽威迪DXL-1500KN型)、JSM-6360LV掃描電鏡、微波爐、水浴鍋。

1.3 方法

1.3.1 水煮軟化 將試材放置在水浴鍋中水煮，溫度為80℃，時間分別為0.5、1、1.5、2 h，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重、計算含水率。計算公式如下：

(1)

式中：W——試材的含水率(%)；mr——試材軟化后的質量(g)；m0——試材絕干質量(g)。

1.3.2 浸泡-微波軟化 首先將試材放入室溫的水中浸泡，時間分別為6、8、12、24 h，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重、計算含水率；微波處理時間為30 s，功率分別為50、80、100 PW。

1.3.3 熱壓處理 采用熱壓機將軟化處理后的試材進行橫紋徑向壓縮，采用10 mm的厚度規(guī)控制壓縮率，壓縮率為50%，熱壓溫度分別為120、140、160℃，保壓時間10 min。熱壓曲線見圖1。

圖1 熱壓曲線

1.3.4 回復方法 將壓縮后的試材浸泡在冷水中，放置在室溫條件下每隔1 h測定1次試材的厚度，經過10 h試材的尺寸變化緩慢，因此以回復10 h試材的尺寸計算回復率：

(2)

式中：D——壓縮試材的回復率(%)；dr——壓縮試材回復后的厚度(mm)；d0——壓縮試材壓縮前的厚度(mm)；dc——壓縮試材壓縮后的厚度(mm)。

1.3.5 掃描電鏡觀察 將未處理材及壓縮回復后的試材放入烘箱，在恒溫80℃下烘干72 h，用小刀鋸制成規(guī)格為4 mm×4 mm×2 mm(R×T×L)的試片，進行噴金、掃描，分別在150倍與250倍下觀察試材橫切面的徑列復管孔及木纖維細胞壁和細胞腔。

1.3.6 工藝品制作工藝流程及方法 采用優(yōu)化的壓縮變形全回復工藝制作工藝品“丘比特之箭”，工藝流程圖見圖2，將毛白楊制作的箭頭在室溫水中浸泡12 h，并以80 kW微波功率處理30 s，再在140℃下壓縮至虛線處，穿過箭孔(圖3)，再將箭頭在水中浸泡，回復至原本尺寸后干燥加工成成品。

圖2 “丘比特之箭”工藝流程

2 結果與討論

2.1 軟化處理對回復率的影響

2.1.1 水煮法軟化 將毛白楊試材在80℃下分別水煮0.5、1、1.5、2 h，水煮后的試材稱重后進行橫紋徑向壓縮處理，熱壓溫度140℃，保壓時間10 min，壓縮完成后立即浸泡在冷水中進行回復處理。

圖3 “丘比特之箭”部件

圖4 水煮軟化處理材回復率

水煮軟化后試材的含水率及經過10 h冷水回復后的回復率見圖4。水煮軟化后，試材的含水率為34.54%～42.40%，均高于木材的纖維飽和點，水煮軟化處理1.5 h的試材回復率最高，為77.56%。

2.1.2 浸泡-微波軟化法 為了降低軟化后木材的含水率梯度和溫度梯度，本研究探索了浸泡-微波軟化法。將浸泡6、8、12、24 h的毛白楊試材分別以50、80、100 PW的微波功率處理30 s后進行橫紋徑向壓縮，溫度140℃，保壓時間10 min，壓縮完成后立即浸泡在冷水中進行回復處理，浸泡后試材的含水率及經過10 h回復處理試材的回復率見圖5。在浸泡-微波處理法中，浸泡時間越長，試材的含水率越高，但是與水煮相比試材含水率增加慢，經過24 h浸泡，試材含水率達到31.17%?；貜吐孰S著浸泡時間的延長先增加后降低，當浸泡時間為12 h，試材含水率為28.79%時，回復率達到最大值80.26%，而當浸泡時間延長到24 h，含水率為31.17%時，回復率降低。浸泡時間為6、8、12、24 h，微波功率為80 kW時，試材的回復率大于微波功率為50 kW和100 kW的回復率。當浸泡時間為12 h，微波功率為80 kW時，毛白楊的回復率達到最大值80.26%。

2.2 熱壓溫度對回復率的影響

采用浸泡-微波法軟化毛白楊，浸泡時間12 h，微波功率80 kW，微波時間30 s。熱壓溫度分別為120、140、160℃，保壓時間10 min，壓縮完成后將試件浸泡在冷水中進行回復處理，回復10 h后，試材的回復率見圖6。熱壓溫度為140℃時，試材回復率最高，達到80.26%。

圖5 浸泡-微波軟化處理材回復率

圖6 不同熱壓溫度制備壓縮木的回復率

2.3 壓縮木微觀構造電鏡圖

未處理的毛白楊試材和經過壓縮回復(12 h浸泡，80 kW功率微波處理30 s，140℃熱壓10 min，冷水浸泡回復10 h)的毛白楊試件橫切面的電鏡觀察照片如圖7。由圖7a可以觀察到毛白楊的徑列復管孔及木纖維細胞壁和細胞腔。經過壓縮回復處理后，木材的細胞壁沒有被破壞，直徑較大的管孔基本回復最初的形態(tài)，說明壓縮浸泡回復工藝可以不破壞木材的細胞壁將木材進行壓縮，然后使壓縮變形回復。

注：a.未處理試件; b.浸泡12 h，微波功率80 kW，微波時間30 s，140℃熱壓10 min冷水回復10 h試件。

圖7毛白楊壓縮木掃描電鏡

Fig.7 SEM graphs of compressed poplar samples

2.4 應用實例

采用壓縮回復工藝制作工藝品“丘比特之箭”見圖8。心形部件由黃樟(Cinnamomumporrectum)制成，箭由毛白楊制成，中部圓孔的直徑為15 mm，箭尾最大寬度20 mm，箭頭最大寬度20 mm。箭頭、箭桿、箭尾由一塊完整的木材制成，箭頭和箭尾都無法從圓孔穿過。此工藝品的制作實例證明了壓縮回復工藝在實際應用的可行性。

3 結論與討論

水煮軟化處理下的毛白楊試材的平均含水率均>木材的纖維飽和點，并隨著水煮時間的延長而升高。水煮處理后，木材細胞壁中充滿結合水，細胞腔中存在一定量的自由水[16]，水分對木材起到了軟化和潤脹的作用。水煮2 h時達到42.40%，回復率則在1.5 h(含水率38.04%)時最大，為77.56%。但是經過不同時間水煮處理的毛白楊的回復率未呈現明顯的變化趨勢,由于經過水煮軟化處理木材表、心層含水率、溫度分布不均勻，含水率梯度和溫度梯度對木材回復率的影響比較復雜，僅通過水煮處理時間很難對變形回復率進行控制。

浸泡-微波軟化處理下，試材的平均含水率隨著浸泡時間的增加而升高，浸泡處理后水分子進入木材對木材產生潤脹作用，微波處理使木材溫度升高，在水熱的共同作用下軟化木材，當浸泡時間為24 h時，試材含水率達到31.17%；回復率則隨著浸泡時間的延長先增加后降低，當浸泡時間為12 h，試材含水率為28.79%時，回復率達到最大值80.26%，而當浸泡時間延長到24 h，回復率降低。

注：a.工藝品實拍圖; b.箭頭局部與圓孔比例關系; c.箭尾與圓孔比例關系

圖8“丘比特之箭”工藝品

Fig.8 Art work—“Cupid arrow”

熱壓溫度對回復率有影響，當溫度為140℃時，試材回復率最高，達到80.26%。說明此時木材壓縮變形中彈性變形比例最大，在浸泡回復處理中可以回復。在高含水率狀態(tài)下木質素的熱軟化點為70～116℃,半纖維素為20～56℃，而在干濕狀態(tài)下纖維素的軟化點基本不變，為222～245℃[10]。熱壓溫度升高有利于木質素和半纖維素的軟化，降低壓縮對木材細胞壁結構的破壞，使壓縮木內部的彈性回復力升高，在保壓時間較短的情況下，彈性回復力釋放較少，木材浸水變形回復率較大。當熱壓溫度升高到160 ℃時，木材的半纖維素發(fā)生劇烈分解[16-17]，分子鏈斷裂使壓縮木內部的彈性回復力釋放，木材變形回復率降低。因此當保壓時間為10 min，熱壓溫度為140℃時,試材的回復率最高。

多水平對照試驗結果表明：將試材浸泡12 h(含水率28.79%)并以80 kW微波功率處理30 s，再在140℃下進行橫紋壓縮，經冷水浸泡10 h回復率可達到80.26%，為本研究的優(yōu)化回復工藝參數。

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