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  世界林业研究  2010, Vol. 23 Issue (6): 40-44  
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引用本文  

赵有科, 冯上环, 黄荣凤. 木材弯曲工艺研究综述[J]. 世界林业研究, 2010, 23(6): 40-44.
Zhao Youke, Feng Shanghuan, Huang Rongfeng. A Review of Researches on Wood Bending Techniques[J]. World Forestry Research, 2010, 23(6): 40-44.

基金项目

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目木材的粘弹性及其对曲木制造工艺的影响(CAFINT2007C03)

作者简介

赵有科, 中国林业科学研究院木材工业研究所副研究员, 主要从事木材基本性质的研究, E-mail:youke.zhao@caf.ac.cn

文章历史

收稿日期:2010-10-20
木材弯曲工艺研究综述
赵有科 , 冯上环 , 黄荣凤     
中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091
摘要:木材弯曲制品因优美流畅的曲线造型而备受人们的欢迎, 然而木材弯曲制品的成品率较低。文中对木材弯曲的软化、形变固定工艺和机理及其他影响因素进行总结归纳, 并讨论当前木材弯曲工艺中存在的问题和未来的发展方向。复杂的弯曲工艺、众多的影响因素和对工人较高的操作技能要求是造成木材弯曲制品成品率低下的主要原因, 而纵向预压缩技术因其可在很大程度上解决传统木材弯曲中的问题, 可能成为木材弯曲新的发展方向。
关键词实木弯曲工艺    木材软化    形变固定    
A Review of Researches on Wood Bending Techniques
Zhao Youke, Feng Shanghuan, Huang Rongfeng     
Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: Wood bending products are popular because of their beautiful curved shape.However, lower ratio of finished products increases the cost of production.This paper reviewed the techniques of wood bending such as wood softening, strain fixation and related mechanism and other influencing factors.Meanwhile, problems and future development trend in wood bending manufacturing were discussed.It concluded that the lower ratio of finished products in wood bending products is attributed to complicated manufacture techniques and higher operation skills for wood bending.The longitudinal compression pretreatment technique could solve the problem occurred in traditional wood bending manufacturing, and therefore has potentials in wood bending manufacturing.
Key words: solid wood bending    wood softening    strain fixation    

从功能和审美的角度出发, 木制品常需要做成曲线或曲面形状。弯曲木制品不仅附加值高, 而且通过弯曲工艺能有效利用木材。弯曲木制品可通过实木和人造板2种原料分别获得, 其中实木弯曲木制品又可通过实木锯解和实木弯曲工艺生产获得, 而胶合弯曲和模压等工艺是生产人造板弯曲木制品的主要途径。在实木弯曲木制品生产工艺中, 由于锯解弯曲是通过锯截的方式获得弯曲产品, 不仅使木材纤维被截断, 减小了木材强度, 还大大降低了木材的利用率, 所以工业生产中实木弯曲产品主要来源于实木弯曲工艺。而在人造板弯曲木制品生产过程中, 为了提高胶粘剂的固化速率, 通常需要诸如高频等设备, 增加了企业的生产成本, 同时对人体产生一定的危害, 不利于该技术的普及。所以, 在当前木制品生产过程中, 实木弯曲生产较为普遍。实木弯曲就是在木材软化的基础上对两端施加力矩和压力, 通过模具使木材弯曲成特定的形状。由于在整个弯曲过程中没有破坏木材的纤维, 弯曲后的木材力学性质不会发生大的改变; 其次, 实木弯曲的环保性好, 如水热软化处理的曲木在整个工艺中不用任何化学药剂, 不对人和环境造成危害。本文在前人研究的基础上, 主要对实木弯曲中的木材软化和形变固定工艺及相关机理进行总结, 并讨论实木弯曲工艺中存在的问题和未来发展方向。

1 木材弯曲工艺研究现状

实木弯曲技术历史悠久。我国明代家具造型简单优美, 线条流畅, 就是由于采用了实木弯曲技术。19世纪中期, 德国人Thonet首次通过采用蒸汽软化预处理和烘干形变固定的方法对实木弯曲工艺进行研究, 先后推出了Sesel系列14套曲木椅, 开创了近代实木弯曲研究的先例。随后, 与实木弯曲工艺相关的基础研究得以开展, 如木材变形的力学性质和相关几何模型研究[1]、恒载条件下含水率变化对木材变形的影响[2]、温度对饱水材弯曲力学性能的影响[3]、恒温和变温条件下饱水材弯曲应力松弛性能及其对形变固定的影响和相关机理研究[4]、温度对木材应变恢复的影响研究[5]等, 为实木弯曲工艺的研究和发展提供了重要的参数和理论依据。

通常的实木弯曲工艺流程可简化如下:

在软化处理之前, 通常要对木材进行刨光, 一方面通过刨光更易发现木材缺陷, 如腐朽、夹皮和节子等, 便于剔除缺陷, 另一方面刨光后的木材表面可与模具、压板等表面充分接触, 使弯曲时木材均匀受力, 有利于提高弯曲质量。当前, 实木弯曲工艺研究主要集中在木材的软化和形变固定工艺。下面主要就木材软化和形变固定及相应机理、以及影响木材弯曲的因素进行概述。

1.1 木材弯曲软化及其机理

软化处理是木材弯曲工艺中的重要一环, 目的是提高木材的塑性, 使木材在产生较大弯曲塑性变形时不发生破坏。木材软化可通过多种途径实现, 主要包括水热、电磁波加热和化学药剂处理等。

1.1.1 水热软化处理

水热软化处理分为水煮和蒸煮2种, 分别以液态水和水蒸汽作为传热介质。其中, 水煮软化木材主要是利用水作为增塑剂, 对纤维素非结晶区、半纤维素和木质素进行润胀, 为分子剧烈运动提供自由体积空间。同时热量从外到里逐渐进人木材, 使分子获得足够的能量。在木材弯曲过程中, 水分在微纤丝之间可以起到润滑作用, 使微纤丝之间允许有一定的滑动, 利于弯曲[6]。水煮条件下木材的塑性是气干材的10倍[7]。水煮处理能明显改变木材的弯曲力学性能, 如果气干20℃时的木材MOE为1, 则饱水20℃时就是0.52, 饱水100℃时就是0.09。从破坏变形上看, 如果气干20℃时的破坏变形为1, 则饱水20℃时针叶材和阔叶材破坏形变分别为1.3和1.81, 而饱水100℃时针叶材和阔叶材破坏形变平均值为4[3]。其中, MOE的减小是由于饱水材内的半纤维素和木质素容易发生玻璃化转变, 同时随着温度的升高, 纤维素、半纤维素和木质素复合物中的氢键受到破坏, 减弱分子间的结合力, 使分子能较充分地运动, 从而导致细胞壁软化[8-9]。MoR的减小是由于水分降低了木质素的软化点[10-13], 使木材内部的破坏形式由细胞壁撕裂向木质素含量多的胞间层剥离破坏转变[3], 导致MOR大大降低。在小径级荷木水煮软化弯曲过程中, 当水煮温度、时间和初含水率分别为80℃、15 min和25%时, 弯曲性能较佳[14]。而对于榆木和水曲柳, 在100℃温度条件下分别水煮40~70 min和40~160 min时的软化效果较佳[15-16]。值得注意的是, 木材弯曲时, 传统的水煮弯曲工艺中木材软化虽然均匀, 但软化速度慢, 效率低, 而且由于水煮弯曲后的木材含水率太高, 在干燥定型过程中很容易发生开裂等缺陷[7], 所以在实际生产中水煮工艺的应用并不十分广泛。高频/微波加热在应用中可解决软化速度慢、效率低下的问题, 但是, 该方法对原材料的含水率及其分布有一定的要求, 且温度的控制难以做到均匀准确。

与水煮软化相比, 蒸煮处理能提高处理时的温度, 最高可达200℃以上, 明显提高了木材的软化效率。在软化处理工程中, 其弹性模量和屈服应力都随温度的升高而明显减小。这是由于在蒸汽处理过程中, 木材内的半纤维素发生部分水解, 使木材明显软化[17]。叶友章等[18]发现, 凹叶厚朴木材在120℃过热饱和蒸汽处理100 min后r/d (r为弯曲的曲率半径, d为弯曲木厚度)能达到3~4, 能满足高级弯曲木的弯曲质量。有一点需要注意的是, 蒸煮软化处理时间不宜过长, 否则木材强度会降低较多[7]

1.1.2 电磁波加热软化

电磁波加热包括高频和微波处理, 均属于物体内部加热。其原理是, 当木材作为电介质置于高频或微波电场中时, 其内部具有正负极性的偶极子就会顺电场方向排列, 在电场每秒数百万次极性变化的作用下, 偶极子产生剧烈运动, 摩擦发热, 使木材温度升高[19]。微波和高频加热的主要区别在于电磁波的使用频率不同, 工业用微波加热频率为2 450 MHz和915 MHz, 而工业用高频加热的频率通常为13.56 MHz、27 MHz和40 MHz。其次, 微波和高频的加热方式和装置也不同, 微波加热一般将被加热物体放人金属炉内, 通过微波照射加热; 而高频加热则是将被加热物体放在两张电极板之间, 通过对电极板施加高频电压实现加热软化[19]。高频加热技术主要应用于胶合和干燥[20], 如高频加热时胶粘剂的诱导损失系数远比木材高, 因此, 可以通过只对胶粘剂进行选择性加热固化来实现胶层的快速固化。而微波加热则多用于木材热处理及可塑化处理, 如实木弯曲、压缩等。微波软化木材时, 木材受热均匀、迅速, 不容易引起含水率梯度, 大大减小了含水率应力, 降低了弯曲木的废品率, 利于提高产品质量[21]

从上世纪70年代末开始, 日本学者[21-25]对木材的微波软化工艺及弯曲形变固定进行过较为系统的研究。微波软化时的木材弹性模量仅为常温下的11.2%~5.3%[26]。Iida[27]在微波条件下对一8种木材的横纹弯曲蠕变性能进行研究后发现, 对饱水材进行微波处理时, 木材温度迅速上升, 并很快超过木质素和半纤维素的软化温度, 随即木材内部水分开始蒸发, 内部气压升高, 水分被压出木材。在这一过程中木材表现出高塑性, 产生较大的蠕变, 处理结束时蠕变形变转化为永久形变, 远大于100℃饱水材的弯曲破坏形变。在木材工业中, 微波常被用来与其他处理方式相结合, 对木材进行联合软化处理。以水热一微波处理为例, 微波软化处理时间为280s时, 顺纹压缩率最大, 单维和多维弯曲时的曲率半径平均值最小, 弯曲效果最佳。在氨水一微波软化工艺中, 当木材含水率为60%, 微波加热功率为40 W, 微波加热时间为150s时, 水曲柳木材的软化弯曲效果最佳[28]

1.1.3 化学软化处理

木材的化学软化处理主要是利用液氨、氨水、氨气、亚胺、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、尿素、丙三醇和醛类物质等化学试剂来软化木材, 其中以氨类药剂处理木材的综合效果最佳。1955年, Stamm A.J.[29]首次提出利用液态氨对木质素进行软化和润胀, 随后相关研究相继展开, 如利用液态氨、氨水和氨气对木材软化的影响研究[30-32]。液氨处理是将气干材或绝干材放入-33~-78℃的液态氨中(氨的沸点为-33℃, 冰点为-78℃)浸泡一段时间后使其软化, 再弯曲成所需的形状, 然后再在保持外界压力的条件下对木材进行干燥, 待木材中所含的氨全部蒸发后, 即可固定成型。液氨软化处理后的木材弯曲性能良好, 可制成复杂的形状。氨水处理是将含水率为80%~90%的木材浸泡在25%的氨水溶液中, 在常温常压下进行软化, 其软化效果与200℃时的蒸煮软化效果相当[31]。而在气态氨软化处理木材时, 可将木材放置于温度为25℃, 压力为0.4~0.6 kgf/cm2的饱和气态氨中处理, 木材含水率以10%~20%为佳。与水热处理软化工艺相比, 其优势是氨处理软化工艺几乎不受树种的限制, 几乎所有阔叶树经氨处理后都能充分软化, 而且软化后在弯曲或压缩等成形加工时所需外力小, 时间短, 成品破损率低。另外, 由于氨具有较强的极性, 可以进人纤维素的结晶区, 与结晶区经基作用形成新的氢键, 使弯曲回复率极低。

1.2 弯曲形变固定及其机理

木材形变固定与木材应力松弛关系密切, 木材内部残余应力越小, 形变回复率越小。因此, 减小弯曲木内部残余应力是实现弯曲形变固定的根本途径。热定型是木材形变固定的主要方式, 其实质是通过热量作用来加剧木材的应力松弛。试件经过一段时间的热定型处理后, 水分被排除, 纤维素之间距离收缩, 使弯曲应力降低或趋于平衡, 弯曲件得到固定。热定型分为热处理干燥定型、水蒸汽干燥定型和微波干燥定型3种。其中蒸汽干燥定型最常用, 蒸汽干燥定型就是将弯曲木在定型架上固定后, 放人高温蒸汽中, 通过水分和温度的共同作用来释放弯曲木内部的弯曲应力。通常干燥处理的时间越长, 热处理温度越高, 弯曲形变回复率越小[33]。在弯曲烘干定型中, 烘干热处理的时间越长, 温度越高, 永久弯曲形变回复率越小, 弯曲木在160℃和180℃条件下分别烘30 h和12 h后, 弯曲木能完全定型[34]

关于木材形变的固定机理, 热处理弯曲定型被认为是由于纤维素的降解使蓄积的弹性性能部分释放、或纤维素的结晶度增加、或木材分子键形成交联, 从而抑制了形变回弹。关于水热条件下的木材形变固定机理, Iida[35]认为水煮条件下的木材形变固定是由于基质Matrix (由半纤维素和木素构成)在橡胶态和玻璃态之间的转变, 使蓄积在纤维素微纤丝内的弹性力得到释放。而在蒸煮条件下, 微纤丝内部或附近的纤维素分子重新排列或重新定向; 同时纤维素、半纤维素和木质素被切断, 使微纤丝和基质Matrix内蓄积的回复力消失; 再者就是结晶形态变化及结晶度的增大使纤维素的结晶更为整齐, 所有这些都使木材形成了新的稳定微结构, 使形变得以固定[21, 23, 36-37]

1.3 影响木材弯曲的其他因素

软化和固定是影响弯曲质量的最重要因素。除此之外, 木材弯曲质量还和树种、木材密度、弯曲方向等因素有关。一般阔叶材的弯曲质量比针叶材要好[7], 如蒸煮工艺条件下的水曲柳、榆木、苦木、鹅耳枷、桦木、色木械、栓皮栋、枫杨等都是非常好弯曲的材种, 而赤松和油松的弯曲质量则较次[38]。但即使是弯曲性能较好的树种, 弯曲工艺对弯曲质量的影响也非常大。如枫杨和拓树木材都适合做弯曲材料, 但枫杨木材的蒸煮软化效果会在某一时间点达到最佳, 而拓树木材的弯曲效果会随蒸煮时间的延长而不断增加。因此, 为保证木材软化质量, 必须严格控制枫杨的蒸煮时间; 而对于拓树木材, 只有在蒸煮时间不足时才会影响木材软化质量[39]。相同软化处理条件下的木材弯曲质量还和密度有关, 如在微波一水热联合软化条件下, 密度在600kg/m3以上的木材弯曲质量较好[38]。弯曲方向的影响也不可忽略, 当年轮方向与弯曲面平行时, 弯曲应力由几个年轮共同承受, 稳定性好; 当年轮层与弯曲面垂直时, 在弯曲应力下, 年轮层易滑移, 产生弯曲破坏[15]。在具体加载弯曲时, 由于弯曲试样的凹面和凸面分别受压缩和拉伸, 而软化处理能大幅提高木材的压缩性能而不能明显提高其拉伸性能, 导致弯曲时破坏发生在弯曲试样的凸面[7]。因此在木材弯曲工艺中常在试样的凸面紧贴一层钢带, 使钢带和试样同时弯曲, 将凸面的应力转移到铁皮, 以提高产品的成功率[33, 40]。而在加载弯曲前, 弯曲设备上的样模块应先加热到一定温度, 这样可避免软化试件和样模块接触瞬间试件表面温度骤降, 有利于保持弯曲效果。

2 木材弯曲中存在的问题及研究展望

由于实木弯曲涉及选材、软化、加载弯曲、形变固定等一系列工艺过程, 任一环节的疏忽都会大大降低弯曲木产品的成品率。目前实木弯曲存在的问题主要表现在生产工艺比较复杂, 影响因素众多。弯曲质量易受软化、形变固定处理温度、含水率、软化时间、材种和陈化条件等因素的影响, 工业化生产成本高。由于弯曲一般要求在高温处理后的很短时间内进行, 以免由于木材本身降温而降低弯曲木的成品率, 因此对操作技能要求较高。另外, 实木弯曲的适用树种较少, 对木材材质要求高。我国商品材中适合实木弯曲工艺的树种所占比例很小, 如榆木、白蜡木、水曲柳、柞木等、木材弯曲时易发生试材断裂、起刺, 成功率低, 弯曲半径受限制, 存在弯曲回弹等。

针对传统弯曲存在的上述问题, 一种全新弯曲工艺特别值得关注, 那就是木材纵向预压缩技术。该技术是将含水率为20%~25%的原材料锯解成一定尺寸的木材, 经软化加热后置于方形或长方形的压缩腔中进行压缩率为20%的纵向压缩, 使木材的细胞壁产生皱褶。尽管木材在卸压后回弹, 但仍残余大约5%的纵向压缩。在含水率不小于20%的情况下, 经过这种处理的木材即使在常温情况下也很容易进行弯曲, 而木材本身强度损失大约为10%~15%。这是因为在弯曲过程中, 无论是受压的一侧, 还是受拉的一侧, 均因木材细胞壁的皱褶而容易产生相应压缩和拉伸的变形。该工艺的特点是不必在木材高温汽蒸处理后立即进行弯曲, 可在相当长的时间内在常温状态下进行弯曲。另外一个优点是可对木材进行各个方向的弯曲, 做到较小的曲率半径的同时, 大大降低废品率。该处理的关键是保证木材纵向压缩不产生横向方向的弯曲变形, 因此对设备的要求很高, 成为制约该工艺在工业界广泛应用的瓶颈。由于该方法可以解决现行弯曲工艺中的很多问题, 相信越来越多的弯曲生产将会采用该工艺, 成为木材弯曲新的发展方向。

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