采用复配碱液处理榆木后,对榆木的幼龄材和成熟材顺纹压缩,通过建立的榆木顺纹压缩应力-应变本构关系得出: 在榆木顺纹压缩初始阶段,符合线形的弹性虎克定律; 在弹塑性阶段,也基本符合线形的力学关系。 分析榆木幼龄材在顺纹压缩中体现出较大的差异性、顺纹压缩弹性模量和应力、应变的原因是木材化学组分的降解和抽出; 得出复配碱液处理后木材顺纹压缩弹性、弹塑性变化的基本规律,木材在弹塑性阶段呈一段平滑的曲线,细胞壁在此阶段形成褶皱。
The elasticity and elastoplasticity variation laws of longitudinal compressing elm wood study could enhance wood one-way bending performance in order to achieve wood multi-dimensional bending. Juvenile and mature elm wood was longitudinal compressed after compound alkali liquor processing, then stress-strain constitutive relations were established. The results showed that at the beginning of compressing, the curves of stress and strain accorded with linear Hooke’s Law, similarly, they satisfied a linear mechanic relationship in the elastoplasticity region. During longitudinal compressing, why juvenile elm wood has high variability, longitudinal compressive modulus of elasticity, stress and strain, which attribute to the degradation and extractive of elm wood chemical component after compound alkali liquor processing, were analyzed. Then basic variation laws of elasticity and elastoplasticity were found. In the elastic-plastic region, stress-strain curves displayed smoothly, in which folds were formed on wood cell walls.
全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$ % # $ 年 ## 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1##
*/23!$ % # $
收稿日期" $%## 4#$ 4%6# 修回日期" $%#$ 4%" 49%$
基金项目" 国家自然科学基金项目’9#%5%!"6( # 黑龙江省攻关课题’K,%67$%$?%5( $
复配碱液处理榆木顺纹压缩应力 4应变本构关系!
张:燕:宋魁彦:佟:达
’东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室:哈尔滨 #;%%!%(
摘:要! :采用复配碱液处理榆木后!对榆木的幼龄材和成熟材顺纹压缩!通过建立的榆木顺纹压缩应力 4应变本
构关系得出" 在榆木顺纹压缩初始阶段!符合线形的弹性虎克定律# 在弹塑性阶段!也基本符合线形的力学关系$
分析榆木幼龄材在顺纹压缩中体现出较大的差异性)顺纹压缩弹性模量和应力)应变的原因是木材化学组分的降
解和抽出# 得出复配碱液处理后木材顺纹压缩弹性)弹塑性变化的基本规律!木材在弹塑性阶段呈一段平滑的曲
线!细胞壁在此阶段形成褶皱$
关键词" :榆木# 顺纹压缩# 幼龄材# 成熟材# 应力应变规律
中图分类号!&5"#1$ :::文献标识码! ,:::文章编号! #%%# 45!"""$%#$### 4%%"9 4%!
-1&,((M-1&%’)!")(1’141’0,S,3%1’")("*N")C’145’)%3
!"#$&,((,5P3#a""59’1B!"#$"4)563T%3’N’G4"&?&".,((’)C
G<=>HM=>:&/>HgIAL=>:+/>H8=
’#$%&’()*’+)*%),.0)V.’9$/ Q’+$*0’57=0$1=$’1/ -$=>1)5)2%),Q0109+*%),I/4=’+0)1:K)*+>$’9+8)*$9+*%J106$*90+%:!’*(01 #;%%!%(
67(1&%.1" :+
T//Q />B?T=LNB>QA>HEBCO/CD=>RBA> /CQBCS/=R
T=F0/>HASIQA>=0R/DECBFFBQ =OSBCR/DE/I>Q =0P=0A0AkI/CEC/RBFFA>H! S FSCBFF?FSC=A> R/>FSASISA2BCB0=SA/>FTBCB
BFS=N0AF
J//PB/F-=T! FADA0=C0L! S
R/DECBFFA>H! T
T
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FSC=A> RIC2BFQAFE0=LBQ FD//S<0L! A> T
8,2 9"&5(" :B0D# 0/>HASIQA>=0R/DECBFFA>H# WI2B>A0BT//Q# D=SICBT//Q# 2=CA=SA/> 0=TF/OFSCBFF=>Q FSC=A>
::采用新技术和方法改良木材的弯曲性能!会大
大提高木材的使用价值 ’李坚! #66!# 宋魁彦!
$%%\# 陆文达! #669($ 碱液处理木材可以应用于
改善木材的渗透性和吸水性)防止木材变色 ’张云
岭等! $%%## 邓洪等! $%%\# ’=FA0=$+’5B!#6"#()促
进木材漂白’陈玉和等! $%%%()提高木材表面胶合
环境和性能 ’李坚等! #66% ()纳米纤维素的制备
’陈文帅等! $%#%# ,NC=<=D$+’5B! $%## (等方面$
本文研究复配碱液处理榆木’J5;49(顺纹压缩应力
4应变本构关系!为改良木材弯曲性能新方法的探
索提供科学依据$ 木材纤维素具有可以伸缩的弹性
性能’J/OFSBSBC$+’5B! $%%;# g/DEB0=$+’5B! $%%$#
cIQWB>B$+’5B! $%%6(!在进行碱液软化处理后!顺纹
压缩过程中木材纤维素分子链之间产生纵向位移!
细胞壁产生褶皱# 在后续弯曲过程中!木材细胞壁
上的褶皱会逐渐展平!达到最大限度地缩小弯曲曲
率半径并实现多维弯曲!突破了实体木材只能进行
简单的单维弯曲和不能获得较小弯曲曲率半径的难
点 ’hBASBCBC$+’5B! $%%## 李青! $%%%# 宋魁彦等!
$%%!# $%%6($
#:试验和测试方法
:;:<木材碱液处理
复配碱液主要由 *=cJ)改性剂组成!其中 *=cJ
质量分数为 \e ‘5e!改性剂质量分数为 #%e ‘
#;e!分别对榆木的幼龄材和成熟材各 #" 件试材进
行软化处理$ 将尺寸为 $5% DDa#\ DDa#\ DD试
材依次放入 9 %%% D-复配碱液中!常温常压下处理
林 业 科 学 !" 卷:
$!% ‘9%% DA>!试材取出后直接进行软化测试$
:;=<木材化学组分测试
根据 K7$\55 方法分别测定软化处理前后榆木
幼龄材和成熟材的木质素)综纤维素)碱抽提物含
量!用硝酸 4乙醇法测定纤维素的含量$
其木材化学组分变化率采用下式计算"
:变化率d未处理材含量4处理材含量
未处理材含量
a#%%e$ ’#(
:;@<木材顺纹压缩测试
木材顺纹压缩测试采用万能力学实验机!并配
以顺纹压缩模具$ 为了求得试材的最大顺纹压缩率
和比较合适的顺纹压缩率用于多维弯曲!设定顺纹
压缩速度为 9 DD+DA> 4#!分别对榆木的幼龄材和成
熟材进行顺纹压缩$
:;E<木材微观构造观察
压缩与未压缩试材!为了防止试材水分变化引
起尺寸的改变!试材测试时的含水率加权平均值为
"1#;e!在试材的中间部位取切片!采用日本 &)[
公司生产的型号为 j&[?;\#%-.扫描电子显微镜观
察试材细胞壁的变化$
$:结果与讨论
=;:<木材顺纹压缩应力 b应变变化
对榆木幼龄材和成熟材分别进行最大顺纹压缩
试验!通过测定应力和应变值!分析榆木幼龄材和成
熟材顺纹压缩应力 4应变变化$
通过图 # 和表 # 可以看出! 复配碱液处理后幼
龄材的弹性模量)比例极限应力和最大应力均高于
成熟材$ 通过应力)应变试验数据得到!随着试材取
样的部位越靠近髓心!顺纹压缩总体所需要的应力
就越大!同时应力偏差值也较大# 在顺纹压缩弹塑
性区域内!其幼龄材的应力和应变的标准差高于成
熟材# 在各个区域内!幼龄材相关系数低于成熟材$
<表 :<复配碱液处理榆木试材顺纹压缩主要力学指标
+%7>:<+B,#%’)#,.B%)’.%3’)5’.%1"&("*3")C’145’)%3
."#$&,((,5,3#(%#$3,(9’1B."#$"4)5%3T%3’3’G4"&
试材部位
&=DE0BFE=CS
弹性模量
[c)b[Y=
比例极限应力
和相关系数
YC/E/CSA/>=0
I0SAD=SBFFSCBFF
=>Q R/CCB0=SA/>
R/BOARAB>S
最大应力
和相关系数
[=VADIDFSCBFF
=>Q R/CCB0=SA/>
R/BOARAB>S
%Yb[Y= ’ %Yb[Y= ’
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
# %6"16# "1;" %16"$ # #;1#\ %16"5 %
成熟材
[=SICBT//Q
# %9$16# 5166 %16"$ \ #!1!5 %16"5 ::
::图 # 是榆木顺纹压缩应力 4应变变化关系!在
图 #:复配碱液处理的榆木试材顺纹
压缩应力 4应变关系
ZAH3#:hB0=SA/>F
FSC=A> /OB0DF=DE0BF=OSBCR/DE/I>Q =0P=0A0AkI/CEC/RBFFA>H
顺纹压缩初期!顺着应变的增加!应力近似呈线形的
大幅度增加!此阶段表现出木材的弹性性能# 当达
到屈服点 (Y时!随着应变的增加!应力增加趋势变
缓!此时可以看做是木材细胞壁开始出现褶皱的初
期!在应力 4应变关系曲线中呈现出一段平滑的曲
线!而并非和未软化木材顺纹抗压强度测定时出现
的直接屈服)压溃一样!说明软化后的榆木具有较好
的弹塑性!在该区域为细胞壁从开始形成褶皱到褶
皱进一步增大并比较均匀形成在整个细胞壁’图 $!
9($ 从图 $ 中可以看出!在导管的弦切面上!经压
缩的榆木纹孔附近出现一定程度的褶皱!并在纹孔
缘形成微小的裂隙$ 从导管径切面形态’图 9(可以
看出!纹孔被压缩后变长!并在管壁上形成微小的层
层褶皱$ 在木材顺纹压缩的初始阶段!木材细胞壁
微纤丝之间产生滑移并引起细胞层发生微小的变
形!但是这种变形并没有使细胞壁层之间出现永久
变形或者可能产生非常小的永久变形!因此!此阶段
的变形是分子内的变形和分子间间距的伸缩!当外
力撤除后!变形将会恢复# 当应力继续加大时!应变
出现较大的增长!宏观上体现在木材细胞壁出现了
褶皱!这种褶皱在应力撤除后!不能完全恢复!出现
了永久变形!体现了木材的弹塑性变形$
=;=<软化处理前后试材化学组分分析
榆木复配碱液处理前后的化学组分分析’表 $(
表明" 幼龄材和成熟材的木质素)硝酸纤维素相对
含量均呈现缓慢下降的趋势!幼龄材木质素的降解
幅度大于成熟材’图 !(# 复配碱液处理使碱抽提物
呈现大幅度均匀下降趋势!直至几乎全部抽出 ’图
;($ 幼龄材化学组分较成熟材具有较大的变化率!
说明其化学组分的不稳定性是导致应力 4应变关系
!"
:第 ## 期 张:燕等" 复配碱液处理榆木顺纹压缩应力 4应变本构关系
图 $:榆木压缩试材弦切面导管壁
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图 9:榆木压缩试材径切面导管壁
ZAH39:-/>HASIQA>=0R/DECBFFBQ B0D2BFFB0A>>BCT=0/OC=QA=0FBRSA/> T=0
表 =<复配碱液处理及未处理榆木试材化学组分变化
+%7>=%3T%3’3’G4"&1&,%1,5,3#(%#$3,(%)51B,4)1&,%1,5
木材化学组分
测定项目
@//Q R
未处理
i>SCB=SBQ
’e(
复配碱液处理
’/DE/I>Q =0P=0A
0AkI/CSCB=SDB>S
指标
(>QBV’e(
变化率
.=CA=SA/>
C=SB’e(
含水率
[/AFSICBR/>SB>S
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
;1;9 ;1;5 4%15$
成熟材
[=SICBT//Q
;1\9 ;1"\ 4!1%6
综纤维素含量
J/0/RB0I0/FBR/>SB>S
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
"91;! "#1%; $16"
成熟材
[=SICBT//Q
"$1\# "%1!9 $1\!
木质素含量
-AH>A> R/>SB>S
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
$!196 $91#9 ;1#5
成熟材
[=SICBT//Q
$\1!$ $;19" 916!
硝酸纤维素含量
*ASC/RB0I0/FBR/>SB>S
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
!!1;! !91$5 $1";
成熟材
[=SICBT//Q
!;1;9 !!19# $1\"
碱抽提物含量
)VSC=RSA2BR/>SB>S
幼龄材
jI2B>A0BT//Q
$199 %1"\ \91%6
成熟材
[=SICBT//Q
#159 %1\! \91%#
图 !:榆木试材处理前后木质素和硝酸纤维素变化
ZAH3!:’/>SB>SR<=>HBF/OB0DF=DE0BF/ 0AH>A> =>Q
>ASC/RB0I0/FBNBO/CB=>Q =OSBCR/DE/I>Q =0P=0A0AkI/CSCB=SDB>S
图 ;:榆木试材处理前后抽提物变化
ZAH3;:’/>SB>SR<=>HBF/OB0DF=DE0BF/ BVSC=RSA2B
NBO/CB=>Q =OSBCR/DE/I>Q =0P=0A0AkI/CSCB=SDB>S
中具有较大偏差和标准差的重要原因$ 此外!虽然
幼龄材的细胞壁径腔比和厚度较小!纤维素含量小
于成熟材!但是经复配碱液处理后!其综纤维素)木
质素)硝酸纤维素和抽提物含量的变化率均高于成
熟材!复配碱液处理对非结晶区甚至结晶区具有溶
胀作用!并使其化学组分发生较大程度降解!这样就
会使较少降解的纤维素分子链趋于有序!并重新形
成结晶!所以幼龄材表现出较大的应力和弹性模量$
=;@<木材顺纹压缩应力 b应变本构关系建立
试验数据采用回归分析法!利用统计方法建立
因变量与自变量之间的回归关系函数表达式’回归
方程式($ 试验数据通过图形和数据分析软件包
%&?Y-i&&分析计算$
$191#:榆木成熟材复配碱液处理:在弹性区域内!
即当 &% &E! 其本构关系为"
%LI($
::考虑到误差值得"
%L# %9$B6# # P G( )# %9$16# ($
其中" 误差值 GLb\;1!$!相关系数 ’L%16"$ \$
;"
林 业 科 学 !" 卷:
在弹塑性区域内!当 &]&E! 其本构关系为"
%L5B66 P9%B"5($
::考虑到误差值得"
%L5B66 P9%B"5 # P G
9%B( )"5 ($
其中" 误差值 GLb91!;!相关系数 ’L%16"5 \$
$191$:榆木幼龄材复配碱液处理:在弹性区域内!
即当 &% &E! 其本构关系为"
%LI($
::考虑到误差值得"
%L# %6"B$; # P G( )# %6"1$; ($
其中" 误差值 GLb\"15%!相关系数 ’L%16"$ #$
在弹塑性区域内!当 &]&E! 其本构关系为"
%L"B;" P9!B\"($
::考虑到误差值得"
%L"B;" P9!B\" # P G
9!B( )\" ($
其中" 误差值 GLb91"\!相关系数 ’L%16"5 %$
复配碱液处理榆木试材经过顺纹压缩后!建立
的本构关系分为弹性和弹塑性 $ 个区域$ 在弹性区
域内!建立的本构关系基本符合弹性虎克定律!计算
结果能够准确地得到试验条件下应力 4应变的对应
关系!给出的误差值与弹性模量呈相互对应关系!由
此得出的相关系数可信度水平高$ 在弹塑性区域
内!建立的本构关系由 $ 部分构成" 一是常数项!即
比例极限应力# 二是与应变变量与应力变量的线性
关系表达式!满足弹性虎克定律关系$
9:结论
#( 复配碱液处理后幼龄材的弹性模量)比例极
限应力和最大应力均高于成熟材!应力和应变的标
准差也较大# 木材顺纹压缩分弹性阶段和弹塑性阶
段!弹塑性阶段木材应力 4应变关系曲线中呈现出
一段平滑的曲线!细胞壁在此阶段形成褶皱$
$( 复配碱液处理后木材各化学组分的降解和
抽出是导致幼龄材变异性)应力和弹性模量较大的
重要原因$
9( 复配碱液处理榆木试材经过顺纹压缩后!建
立的本构关系分为弹性和弹塑性 $ 个区域$ 弹性区
域基本符合弹性虎克定律# 弹塑性区域本构关系是
由 $ 部分构成" 一是常数项’比例极限应力(# 二是
应力 4应变的线性关系表达式$
参 考 文 献
陈文帅!于海鹏!刘一星!等3$%#%3木质纤维素纳米纤丝制备及形态
特征分析3高分子学报!’##( " #9$% 4#9$\3
陈玉和!黄文豪!常德龙!等3$%%%3氢氧化钠预处理对木材漂白促进
作用的研究3林产化学与工业! $%’#( " ;$ 4;\3
邓:洪!廖:齐!刘:元3$%%\3杨木前处理对活性染料渗透性的影
响3中南林学院学报!$\’\( " "" 46#3
李:坚3#66!3木材科学3哈尔滨" 东北林业大学出版社!#\ 4#%;!
$;9 4$"#3
李:坚!葛明裕3#66%3氢氧化钠溶液预处理提高胶结强度机理的研
究3东北林业大学学报!#"’#( " "% 4"53
李:青3$%%%3国产榆木压缩木的研制3木材工业!#!’!( " 9" 4963
陆文达3#6693木材改性工艺学3哈尔滨" 东北林业大学出版社!! 4
"! ;$ 4593
宋魁彦3$%%\3家具设计制造学3哈尔滨" 黑龙江人民出版社!$"9 4
$6$3
宋魁彦!李:坚3$%%63水热 4微波处理对榆木软化和顺纹压缩及弯
曲的影响3林业科学!!;’#%( " #$% 4#$;3
宋魁彦!王逢瑚!宋宇宏3$%%!3榆木顺纹压缩弯曲技术3林业科学!
!%’$( " #$\ 4#9%3
张云岭!常德龙!黄文豪!等3$%%#3稀碱液和防变色剂处理对桐木板
材色泽的影响3南京林业大学学报!$;’#( " !6 4;$3
,NC=<=D )! 8BBE=7! Y/S<=> - ,! $+’5B $%##3 )VSC=RSA/> /O
>=>/RB0I0/FBOANCA0FOC/D0AH>/RB0I0/FAROANCBF" =>/2B0=EEC/=R<3
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9# 4!93
J/OFSBSBCg! JB0DAR< ’3)NBC<=CQFSBA>BCj3$%%;38B2B0/EDB>S=>Q
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!责任编辑:石红青"
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