【摘 要】
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湿热压缩密实化木材可提高其力学性能,但在湿热环境下会产生较大的弹性回复,因此仍需对其压缩变形进行固定。以往研究往往侧重如何提高压缩材变形固定效果,而很少关注热压工艺对木材残余应力及变形固定的影响。本研究以我国重要的人工林木材杉木为研究对象,从木材压缩工艺入手,系统研究木材在热压和变形固定过程中木材物理力学性能的演变规律,以实现对压缩变形的最大控制和力学性能的最小损失,同时关注木材颜色等表面质量的变
【基金项目】
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广西科技重大专项项目课题《饰面胶合板与细木工板制造技术创新及示范》桂科AA17204087-13； 国家重点研发计划项目《木材细胞壁结构调控对性能的影响机制》（2017YFD0600202）； 广西林业科技项目《人工林速生材密实化处理关键技术》桂林科字[2016]第19号； 广西林科院基本科研业务
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湿热压缩密实化木材可提高其力学性能,但在湿热环境下会产生较大的弹性回复,因此仍需对其压缩变形进行固定。以往研究往往侧重如何提高压缩材变形固定效果,而很少关注热压工艺对木材残余应力及变形固定的影响。本研究以我国重要的人工林木材杉木为研究对象,从木材压缩工艺入手,系统研究木材在热压和变形固定过程中木材物理力学性能的演变规律,以实现对压缩变形的最大控制和力学性能的最小损失,同时关注木材颜色等表面质量的变化,综合提高其性能。最后,从木材细胞壁化学组分和微观力学角度对其相关机理进行诠释。1.利用高精度热压机和Press MAN监测系统对木材湿热压缩工艺进行研究,探讨在不同木材含水率、热压温度、加压时间、压机加载速率和板材压缩率条件下,木材压缩密实化过程中板材内部的变化情况,重点对压缩过程板材内部温度和蒸汽压力进行研究,同时关注压机压力和板材厚度变化曲线。研究发现:（1）在以气干材为压缩对象时,板材内部温度表现出快速升温、缓慢升温和保温三个阶段,快速升温和缓慢升温间的拐点出现在100℃附近;板材内部蒸汽压呈现快速升压、保压和降压三个阶段。（2）对比分析不同含水率条件下压机压力曲线可推测出板材含水率12%为较佳含水率,此时压机压力曲线平滑,在保压阶段压力曲线未有波浪状起伏,说明此时细胞壁中的结合水在高温和压力作用下可充分软化细胞壁,且板材内部不易产生过大蒸汽压力。（3）热压温度在达到木材细胞壁组分软化点的前提下,温度越低越好,温度过高则板材内部蒸汽压大且持续时间长,不利于木材细胞壁物质在湿热压缩条件下紧密结合,且卸压时容易产生鼓包等缺陷。热压温度可选择160-180℃。（4）压机加载速率越大,细胞壁未被充分软化而被压溃的可能就越大;同时,板材内部蒸汽压越大;而加载速率越小,板材芯层达到目标温度所需时间越长。宜选择2mm/min为压机加载速率。（5）压缩率越大,板材内部蒸汽压越大,当压缩率为50%时,压机压力曲线出现较大波动,推测为板材薄弱组织被压溃或板材内部蒸汽压过大所致,或是二者的共同作用。气干材压缩率选择50%以下为宜。2.以气干材为压缩对象,固定压机加载速率为2mm/min,以热压温度、时间、压缩率为3因素3水平的全因子压缩试验,以温度和时间为2因素3水平全因子试验比较热处理和蒸汽处理对压缩材的固定效果,系统探讨各因素和水平对压缩材残余应力、水煮回复率、吸湿回弹率及4个主要力学性能的影响规律及其显著性。结果表明:（1）热压温度、时间、压缩率对试材的残余应力、水煮回复率等7个指标均具有显著性影响。总体来说,3个压缩效果考察指标随温度升高、时间延长和压缩率减小而减小;而4个力学性能指标随温度的升高、时间的延长和压缩率的增大而增大,每个指标受各因素影响的主次顺序不完全相同。综合评价较优压缩工艺为热压温度180℃、加压时间40min、压缩率40%。（2）蒸汽处理对压缩材的残余应力、水煮回复率和吸湿回弹率的降幅远大于热处理,而对4个主要力学性能指标的影响小于热处理。较优压缩变形固定工艺为蒸汽温度180℃、处理时间2h。在此工艺条件下,压缩材经蒸汽处理后的硬度、抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗拉强度值分别为1433N、11206MPa、98.6 MPa、101.1 MPa,相对压缩材降低了4.6%、3.1%、8%、6.7%,相对素材提高了37%、100.1%、60%、28.7%;而水煮回复率、吸湿回弹率、残余应力分别为9.8%、7.66%、0.49%,相对压缩材降低了69.9%、70.3%、68%。3.为了解木材颜色等表面质量与热压工艺和压缩变形固定工艺的内在联系,以单因子试验研究了各处理条件对其性质的影响。其规律主要表现为:随热压温度升高、加压时间延长和压缩率的增大,压缩材的磨耗值和表面粗糙度逐渐减小、表面接触角逐渐增大、木材颜色逐步加深;经过蒸汽处理后,磨耗值有所增大,粗糙度略微增加,接触角增大,木材颜色进一步加深。在此过程中发现,木材颜色明度值对热量最敏感,可根据木材明度值对热压和变形固定过程进行控制。4.结合傅里叶红外显微成像、XRD、XPS、拉曼显微成像以及纳米压痕技术,综合分析细胞壁对热压处理和压缩变形固定处理的响应规律,以便从微观层面解释各处理条件下试材物理力学性能变化规律,并诠释其机理,同时为压缩变形固定和物理力学性能的可控提供理论参考。（1）结合相关图谱分析,蒸汽处理对压缩材变形的固定效果,主要来源于半纤维素在高温下发生显著降解;另一方面则主要是由于细胞壁中的另一类无定形物质木素在蒸汽处理过程中结构变得更加紧密而缺乏弹性,成为一个网状的刚性填充体对木材的压缩应力进行了束缚,固定了压缩变形。而这一现象在木材热压定型过程中也发生,可解释为什么木材在经过短暂压缩后,变形会暂时被固定。（2）压缩材和变形固定处理材细胞壁对热量、时间以及压力的力学响应规律与各因素水平下木材的宏观力学性能有很强的相关性,变化规律基本一致。因此,可在一定前提下,从微观力学角度实现对压缩材力学性能的可控。
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