木材的軟化處理與彎曲技術(shù)

木材從力學(xué)角度上看是一種彈性材料，在結(jié)構(gòu)上呈多孔狀，木材的這個(gè)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(yīng)在彎曲之前對(duì)木材進(jìn)行軟化，增大木材的塑性。木材經(jīng)軟化處理后，在順紋壓力的作用下，細(xì)胞壁中微纖維之間產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致細(xì)胞壁的壁層縱向產(chǎn)生褶皺；木材在彎曲力矩的作用下，彎曲時(shí)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(shí)，以中性層為分界形成凹凸兩面，在凸面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使凸面木材有不同程度的伸長(zhǎng)；凹面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，使凹面木材有不同程度的壓縮，其應(yīng)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(dāng)所受的拉伸和壓縮應(yīng)力超過該種材料的拉伸強(qiáng)度極限或壓縮強(qiáng)度極限時(shí)，木材就遭到破壞。

　　木材彎曲時(shí)，必須研究和了解木材順紋拉伸與壓縮應(yīng)力的變形規(guī)律。

順紋壓縮變形與樹種有關(guān)，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(shí)不易失去穩(wěn)定性和產(chǎn)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(jīng)軟化處理后硬闊葉材順紋壓縮變形可達(dá)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(shù)。木材在彎曲時(shí)凸凹兩表面產(chǎn)生的**拉伸形變和**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(jìn)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(shí)中性層向拉伸面移動(dòng)，由于金屬條承受了拉伸應(yīng)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(shù)

　　木材順紋壓縮彎曲是先將木材進(jìn)行軟化處理，然后再進(jìn)行順紋彎曲。當(dāng)水分進(jìn)入木材細(xì)胞壁時(shí)，由于水是極性分子，可以與纖維素非結(jié)晶區(qū)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(yùn)動(dòng)提供了空間。如果分子的振動(dòng)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(shí)，才能有效地使木材實(shí)現(xiàn)軟化。

　　木材中的主要成分是纖維素呈線形、長(zhǎng)的大分子結(jié)構(gòu)。纖維素大分子由許許多多的葡萄糖單體構(gòu)成分子鏈，它們彼此間有的區(qū)段纖維素分子鏈彼此平行，構(gòu)成結(jié)晶區(qū)，這決定了纖維素的強(qiáng)度；另一個(gè)區(qū)段內(nèi)，纖維素分子鏈彼此不平行，構(gòu)成纖維素的非結(jié)晶區(qū)，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(qiáng)度，即應(yīng)力小于木材的破壞極限時(shí)，木材不會(huì)產(chǎn)生破壞；如果木材在持續(xù)的外力作用下被壓縮，當(dāng)達(dá)到壓縮率后停止加壓，保壓一定時(shí)間后卸壓，在壓力解除后，木材的粘彈性特性隨即顯現(xiàn)出來，在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)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(chǎn)生縱向位移，在順紋方向上細(xì)胞軸向產(chǎn)生褶皺，這些褶皺比較均勻地集中在軸向細(xì)胞的內(nèi)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(nèi)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(jī)理

　　軟化處理可改善木材的彎曲性能，使木材具有暫時(shí)的塑性使彎曲加工得以進(jìn)行，并在變形狀態(tài)下干燥，恢復(fù)木材原有的剛性和強(qiáng)度。軟化處理方法有：水熱處理，高頻加熱處理及化學(xué)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(duì)纖維素的非結(jié)晶區(qū)、半纖維素和木素進(jìn)行潤(rùn)脹，為分子劇烈運(yùn)動(dòng)提供自由體積空間，靠由外到里逐漸對(duì)木材進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，使分子獲得足夠的能量。

　　組成木材細(xì)胞壁的主要成分為：纖維素，半纖維素和木素。木材經(jīng)水熱處理后，一部分半纖維素易分解溶解成液態(tài)，纖維素?zé)o定型區(qū)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(chǎn)生相對(duì)滑移。

　　木材膨脹形變是水進(jìn)入到木材的非結(jié)晶區(qū)內(nèi)，使木素、半纖維素和纖維素的非結(jié)晶區(qū)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(jié)晶區(qū)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(jié)晶區(qū)濕脹，木素呈粘流態(tài)，半纖維素失去其聯(lián)結(jié)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(huì)使木材含水率增高，彎曲后干燥時(shí)間延長(zhǎng)。此外因細(xì)胞腔內(nèi)自由水的存在，在彎曲過程中，易產(chǎn)生靜壓力而造成廢品。目前生產(chǎn)中經(jīng)常采用汽蒸，主要是飽和蒸汽蒸煮。汽蒸時(shí)間與彎曲方材的厚度、含水率、樹種和要求的塑化程度有關(guān)（表1）。蒸煮不足則塑化不好，容易在劇烈彎曲程度下產(chǎn)生破壞；蒸煮過度則順紋抗拉，使其順紋抗壓強(qiáng)度降低，方材將難以承受在彎曲過程中端面產(chǎn)生的壓縮變形而被破壞。所用蒸煮設(shè)備應(yīng)靠近曲木設(shè)備，每次蒸煮的木材數(shù)量不宜過多，以免表面過分冷卻和蒸煮過度。放在蒸煮設(shè)備內(nèi)的木方之間要留出6mm~8mm的間隙，使其均勻受熱，縮短蒸煮時(shí)間，保證彎曲質(zhì)量。蒸設(shè)備直徑一般為250mm～400mm，不宜太大。鍋的長(zhǎng)度稍大于彎曲零件的長(zhǎng)度。

表1 榆木、水曲柳彎曲所需的蒸煮時(shí)間

　　3.2高頻介質(zhì)加熱處理

　　高頻介質(zhì)加熱處理是把彎曲毛料放在高頻電場(chǎng)內(nèi)兩個(gè)電極板間，反復(fù)極化，使分子在這種高頻交變電磁場(chǎng)作用下急劇運(yùn)動(dòng)而相互摩擦產(chǎn)生熱量，從而達(dá)到升溫加熱的目的。在高頻加熱中，介質(zhì)吸收電能而發(fā)熱的能力與介質(zhì)本身的熱傳導(dǎo)性無關(guān)，而是取決于介質(zhì)本身的介電特性和電場(chǎng)的電參數(shù)，即與介質(zhì)的損耗因素、電場(chǎng)強(qiáng)度的平方、電場(chǎng)頻率成正比。高頻電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)、頻率越高或介質(zhì)的損耗因素越大，則極性分子（如水）運(yùn)動(dòng)的幅度和次數(shù)就越大，摩擦產(chǎn)生的熱量也越多，加熱和干燥的速度就越快。這是一種有效的軟化方法，可以在方材彎曲后真接進(jìn)入干燥定型工序。高頻度加熱的頻率高于300MHz，彎曲木材受.波導(dǎo)管諧振腔的電磁波輻射場(chǎng)照射。目前常用915MHz和2450MHz兩個(gè)頻率的設(shè)備，在2450MHz的電磁波加熱下20mm×10mm（斷面）的木材可彎曲到曲率半徑為150mm，如在彎曲定型后再用電磁波加熱可彎到更小的曲率半徑。高頻及微波加熱快而均勻，可使彎曲與定型兩工藝連續(xù)進(jìn)行。

　　用GP8-13.5C高頻發(fā)生器加熱軟化試驗(yàn)結(jié)果（表2）：

表2 木材高頻加熱軟化試驗(yàn)結(jié)果

　　由表2可見：木材軟化時(shí)間隨著功率密度、木材含水率和樹種的不同而有很大差異。其中功率密度對(duì)軟化時(shí)間影響**，它直接決定了木材所得加熱功率的大小。功率密度越大，木材加熱越快，需要的軟化時(shí)間就越短。

　　在木材加熱至100℃之前，木材含水率的高低對(duì)其加熱速度影響較大；木材加熱至100℃之后，水分開始大量蒸發(fā)，隨著加熱時(shí)間的進(jìn)一延續(xù)，三種不同初含水率的木材在升溫速度上差異逐漸縮小。

　　此外，不同樹種的木材，由于介電性質(zhì)的差異，高頻軟時(shí)間也不同。與木材蒸者法軟化相比，高頻軟化對(duì)操作技術(shù)要求較高，對(duì)加熱條件尤其是軟化時(shí)間的控制要求嚴(yán)格，否則就難以保證軟化質(zhì)量。

　　　　　　　　　　　　　　　　　4 實(shí)木彎曲的工藝

　　實(shí)木彎曲成型可以分成本個(gè)階段：塑化（軟化）、彎曲和定型（在模型框架中干燥冷卻）。

　　木材首先需要刨成方材，然后精確地裁成彎曲長(zhǎng)度。為達(dá)到可彎曲的性能，必須先將加工件進(jìn)行軟化，這表現(xiàn)為溫度和濕度的影響。傳統(tǒng)的軟化方法是蒸煮法，把水分和熱量當(dāng)作木材的軟化劑。一般將準(zhǔn)備好的木材放在一定條件（壓力、溫度、濕度）的蒸汽中進(jìn)行一段時(shí)間的軟化，時(shí)間的長(zhǎng)短與木材的初始含水率，樹種和木材的厚度有關(guān)。木材彎曲最合適的含水率，是木材纖維飽和點(diǎn)的含水率，媽20%-30%，此時(shí)木材強(qiáng)度最小，可產(chǎn)生的變形**。使用實(shí)木軟化專用設(shè)備，可在較短的時(shí)間內(nèi)以消耗較少的能量將木材轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詮澢臓顟B(tài)。在彎曲時(shí)，將工件自由地放在金屬薄板中，以扼制彎曲過程中工件外表的拉伸，進(jìn)而被彎曲成一定的形狀。在彎曲過程中，彎曲構(gòu)件內(nèi)部將形成張力，這種張力在以后的定型階段將完全消除。此外，還要對(duì)工件進(jìn)行降溫處理，并消除彎曲工藝流程中必須的水分，最好的方法是將其放在低溫干燥室中進(jìn)行干燥，為了使工件保持需要的形狀，應(yīng)將工件夾在一個(gè)干燥架上。彎曲后，通過自然冷卻可以明顯減少內(nèi)部應(yīng)力，在含水率低于12%時(shí)，使彎曲成型的工件定型，它的形態(tài)在濕度增加時(shí)也不會(huì)發(fā)生明顯的改變。上述工藝要求對(duì)于不同的樹種存在很大的差別，總的來講，針葉材不能進(jìn)行很好的彎曲，而闊葉材如榆木、白臘木、山毛櫸和胡桃揪等能被很好地彎曲。

　　實(shí)木彎曲工藝流程為：毛坯加工→軟化處理→彎曲成型→低溫干燥→自然冷卻→定型。

　　5 結(jié)論

　　由于木材缺乏塑性，故在木材彎曲之前必須進(jìn)行軟化處理。軟化處理可增加木材的塑性，使彎曲加由工順利，并在變形狀態(tài)下進(jìn)行干燥處理，恢復(fù)木材原有的剛性和強(qiáng)度。軟化處理是實(shí)木加壓彎曲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

免責(zé)聲明：凡注明稿件來源的內(nèi)容均為轉(zhuǎn)載稿或由企業(yè)用戶注冊(cè)發(fā)布，本網(wǎng)轉(zhuǎn)載出于傳遞更多信息的目的；如轉(zhuǎn)載稿和圖片涉及版權(quán)問題，請(qǐng)作者聯(lián)系我們刪除，同時(shí)對(duì)于用戶評(píng)論等信息，本網(wǎng)并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。