全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
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/012!"!+02#
’345!$ % & &
杨木径向压缩的黏弹性行为!
张晓敏&!$<孙正军&<王喜明$<尚莉莉$
"&2国际竹藤网络中心<北京 &%%&%$# $2内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院<呼和浩特 %&%%&#$
摘<要!<以不同厚度杨木单板为原料!探讨不同应变水平(不同温度(不同含水率及有无胶黏剂对杨木单板应力
松弛行为的影响% 结果表明& 室温(变形相同时!含水率越大!应力松弛量越大# 绝干材随着温度升高!应力松弛量
略有增加!但没有含水率的影响显著# 绝干材在变形相同时!有胶比无胶的应力松弛量大% 杨木单板的应力松弛行
为可以用由 ;6mX31模型和弹簧并联组成的三元件模型来模拟%
关键词&<杨木单板# 应力松弛# 微观结构# 三元件模型# 黏弹性
中图分类号! ’"H&2$#<<<文献标识码!-<<<文章编号!&%%& F"!HH"$%&&#%# F%&=C F%C
收稿日期& $%%# F&& F%$# 修回日期& $%&% F%& F$$%
基金项目&国家*十一五+课题项目支撑*丛生竹高附加值建筑制品制造关键技术研究+ "$%&%%!%%C$ %
!孙正军为通讯作者%
E$"7’-B&"#$72-6&,$’/’)G’9B&/0(1-/F&1$7&BA’%9/-""$’(
OD67TKM60EM7&!$<’L7 OD37TNL7&"&2V)/.,)0/+%)0&?.)/.,’%,G0->%%0)1 20/0)$2?%&.7.%’T0/.,+0&"#+.)#.0)1 8,/N.3+7)! V)).,T%)7%&+0 87,+#4&/4,0&;)+*.,3+/:<\4$$%/%&%%&#$
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:3E43B6:LB3!E0M9:LB3W07:37:";($ 678 :D368D39MY307 9:B399B316m6:M07 0V40416BY3733BX3B33m410B385,D3B39L1:9
9D0X38 :D6:& "$C w$$r! L783B:D396E383V0BE6:M07! :D36E0L7:0V9:B399B316m6:M07 M7 4B040B:M0761:0E0M9:LB3W07:37:!
%] E0M9:LB3W07:37:! 69:D3:3E43B6:LB3M7WB36939! :D36E0L7:0V9:B399B316m6:M07 M7WB369391MTD:1Z# %] E0M9:LB3
W07:37:!L783B:D396E383V0BE6:M07! 40416BY3733BXM:D 68D39MY3D6Y36TB36:3B6E0L7:0V9:B399B316m6:M075-78 :D3
9:B399B316m6:M07 0V40416BY3733B[3D6YM0BW67 [3L938 [Z:D3;6mX31E0831678 94BM7TE0831W0E40938 0V:DB33@313E37:
:09MEL16:35
;-< =’/1"&<40416BY3733B# 9:B399B316m6:M07# EMWB09:BLW:LB3# :DB33@313E37:E0831# YM9W03169:MW
<<木材是一种多孔性物质!具有可压缩性!类似于
高分子材料!表现为与时间有关的黏弹力学行为!如
应力松弛(蠕变等% 在人造板定厚压制条件下!单板
内的压力逐渐减少!这种现象称为应力松弛% 影响
应力松弛的主要因素有压缩率(时间(温度及含水
率!体现在水分和温度能够影响木材中非晶态物质
的玻璃化转变温度 " ’61El7! &#H!# i313Z./0&F!
&#H"$!而长时间的变形会导致木材细胞壁微观结
构的变化等"e01W0:./0&F! &##%$%
杨树密度低"基本密度 %2=C T’WEF=左右$(材
质松软(加工性能差% 人造板生产中!构成单元的变
形状态直接影响最终产品的质量!通常木质人造板
单元的黏弹性会导致成板的回弹!并引起内应力!产
生较大的不可逆厚度膨胀率"顾继友等! $%%=$!而
人造板单元的黏性则直接影响成板的密度在厚度方
向上的分布和内结合强度% 所以!研究木材在不同
温度﹑不同含水率(有无胶黏剂等压缩流变性能!对
人造板加工具有重要指导意义%
本文主要研究了不同含水率(不同温度(不同厚
度及有无胶黏剂杨木单板在不同应变水平下的径向
压缩应力松弛!以 ;6mX31模型和弹簧并联组成的
三元件模型很好地解释杨木单板的应力松弛行为%
&<材料与方法
>K>?原料与试样制备
杨木单板& 江苏省邳州产意杨"!%C4&43)+7,0$!
含水率 C] G"]!单板规格 C% EEa!% EE!厚度分
别为 &2C!&2%!%2C EE!密度 %2=I! G%2!#I T’WEF=%
胶黏剂为实验室配制!主要组分为以下 = 种& 双酚
-型通用环氧树脂!挥发分小于 &]!淡黄色 !密度
&2C T’WEF=# 聚氨脂增韧环氧树脂!密度 &2!I
T’WEF=! 淡黄色# 醇溶性酚醛树脂!固含量 H%]!深
林 业 科 学 !" 卷<
综色% 三者配制比例为 =y=y!"固含量之比$!溶剂
为工业丙酮% 用丙酮将胶黏剂稀释至 C%]待用%
>KJ?试验设备
)+’,Jn+CCH$ 型力学试验机(高温试验箱 "力
学机附件 $(场发射环境扫描电镜 "K.=% *’*;@
*^P$(电子天平"%2%& T$等%
>KL?试验方法
试验温度分别为"$C w$$!#%!&&%!&=% r# 杨
木单板的含水率为 %!C] G"]!$%]!=%]%
试验中!为获得稳定的含水率!将杨木用铝箔包
裹并置于力学试验机附带的密闭箱体中进行# 温度
为 #%!&&%!&=% r时!杨木为绝干# 松弛时间为 & D%
试验应力松弛曲线测定方法为 )+’,Jn+CCH$
试验机附带软件& 保持阶段控制模式为压缩位移!
在预试验基础上!本试验取位移向下移动速度为 !
EE’EM7 F&!保持标准为压缩应力!载荷 F位移曲线
可由计算机自动绘出%
浸胶杨木单板为绝干材在配好的胶黏剂中浸渍
& D!取出沥胶!晾置 $! D 后计算浸渍量!浸渍量 d
胶黏剂质量b杨木单板浸渍后质量%
表 >?杨木单板浸渍量计算!
5&+@>?G’9B&/,-(--/$%9/-.(&#$’(
厚度
,DMWk7399bEE
浸前质量 ;699[3V0B3
ME4B3T76:38bT
浸后质量 ;6996V:3B
ME4B3T76:38bT 浸渍量
)E4B3T76:M07bT
%2C %2!#C %"%5%"= %$ &2%IC %"%5%C% $$ %2C=! C"%5%!C H$
&2% %2"$" %"%5%$% %$ &2C"! %"%5%$C !$ %2C=H %"%5%$I =$
&2C &2&&H %"%5%&$ I$ $2$C% %"%5%!I #$ %2C%$ %"%5%C# %$
<<<实验室温度"$! w&$r!相对湿度"CC wC$] %
每次试验重复 = 次% 试验前做了上述不同温度和湿
度下的压缩变形试验!加载速度为 %2= EE’EM7 F&!
检测到杨木单板径向压缩能承受的最大压力值约为
&H ;>6!确定出应力松弛的最终应变水平为 $%]!
=%]!C%]%
图 &<不同厚度单板在含水率为 I]!室温变形为 =%]"6$和 C%]"[$时的应力松弛
M^T5&<,D39:B399B316m6:M07 0V8MV3B37::DMWk7399Y3733BL783B=%]"6$678 C%]" [$W0E4B399M07"I] ;($
$<结果与分析
为便于不同试验条件下的试验数据具有可比
性!在讨论中对所有试验数据进行了规格化处理!+
为松弛应力!+% 为初期应力%
JK>?应力松弛分析
不同厚度单板在变形为 =%]和 C%]下的应力
松弛见图 &% 由图 & 可以看出& &$ 不同应变水平下
不同厚度单板应力松弛线相似% 松弛在开始 &%% 9
内下降速率很快!随着时间的增长!下降速率逐渐缓
慢% 当松弛时间在& %%% G= I%% 9范围内!应力值变
化很小% 杨木单板的应力松弛线最后均为一平坦的
曲线!即其应力衰减减小% $$ &2% EE和 &2C EE厚
单板的应力松弛量相差较小!并且它们比 %2C EE
厚的单板应力松弛量大很多% 基于此点结论!在后
期试验中将 %2C EE厚的板称为薄单板!而将 &2%
EE和 &2C EE厚单板通称为厚单板%
在后期的全因子试验中!发现不同厚度单板在
不同变形(不同温度(不同含水率和有无胶黏剂下的
应力松弛规律性相似!故以下分析不同温度(不同含
水率和有无胶黏剂时只列出一种厚度%
薄单板在不同温度和含水率下的应力松弛见图
$% 由图 $ 可以看出& &$ 室温下!随着含水率增加!
单板的应力松弛量明显增加# $$ 绝干材随着温度
的升高!应力松弛量略有增加!但变化不如含水率的
明显%
I=&
<第 # 期 张晓敏等& 杨木径向压缩的黏弹性行为
图 $<薄单板在变形为 C%]时不同温度"6$(不同含水率"[$下的应力松弛
M^T5$<,D39:B399B316m6:M07 0V%2C EEY3733BL783B8MV3B37::3E43B6:LB3
678 8MV3B37:E0M9:LB3W07:37:"C%] 83V0BE6:M07$
<<厚单板在不同变形量下有无胶的应力松弛见图
=% 由图 = 可以看出& &$ 变形量对应力松弛影响显
著!本试验范围内!变形量越大!应力松弛量越小#
$$ 绝干材在不同变形下浸渍胶黏剂后的应力松弛
量均减小!变形量与浸胶量有关!一般压缩变形量增
大!浸胶量可以降低%
在应力松弛压缩段!处于细胞壁非结晶区聚
合物木素和半纤维素会有一反弹力!反弹力的大
小取决于压缩段细胞壁压溃程度 ">3773BL ./0&F!
$%%I$ %
JKJ?电镜分析
将未压和压缩 C%]后的杨木用切片机切成相
同尺寸喷金后置于场发射环境扫描电镜中进行扫描
电镜观察% 观察参数& 电压值为 "2C k/!放大倍数
为 I%%!如图 ! 所示%
图 =<厚单板在不同变形及有无胶
的应力松弛"温度 $C r!绝干材$
M^T5=<,D39:B399B316m6:M07 0V&2C EEY3733BL783B8MV3B37:
83V0BE6:M07! XM:D 678 XM:D0L:68D39MY3"$C r!%];($
图 !<绝干材在温度为 #% r!未压和变形为 C%]时的 ’*;
M^T5!<’W677M7T313W:B07 EMWB0TB64D 0VX008 W319[3V0B3678 6V:3BW0E4B399MY3
B316m6:M07 V0B:D3943WME37 W0E4B39938 [ZC%] 0VM:9:DMWk73996:%] ;(678 #% r
JKL?三元件模型对试验结果的拟合分析
在应力松弛试验中!瞬间弹性变形可以用弹簧
表征!而阻尼器"黏壶$则用来表征非结晶区细胞壁
黏性行为% 为了更精确地模拟松弛段试验结果!可
"=&
林 业 科 学 !" 卷<
以用由 ;6mX31模型"弹簧和阻尼器串联$和一弹簧
并联组成三元件应力松弛模型!如图 C 所示% 应力
松弛公式如下&
$"/$ H$& W$$.
I /( ), % "&$
式中& $"/$为试件承受的应力";>6$# /为松弛试
验时间"9$# $& 为平衡应力";>6$# $$ 为衰减应力
";>6$# ,为松弛时间"9$%
上述的模型参数 $&!$$!,体现了物料的松弛
特性!可用来反映物料的质地% 平衡应力 $& 越小!
衰减应力 $$ 越大!则应力松弛量越大# 反之则越
小% 这 = 个松弛特性参数可以用统计分析软件
nBMTM7 中的非线性拟合功能对松弛段原始试验数据
进行拟合求解% 具体拟合方法为&nBMTM7 界面)
-761Z9M9菜 单 ) M^:M7T) +071M736B(LBY3 M^:)
*m4Q3W&%
<<表 $ 为用三元件应力松弛模型计算厚度为 &2%
EE的杨木单板应力松弛三元件参数值%
图 C<三元件应力松弛模型
M^T5C<’WD3E6:MWB34B3937:6:M07 0V6
:DB33@313E37:9:B399B316m6:M07 E0831
表 J?三元件应力松弛模型参数值
5&+@J?G&/&%-#-/,&B0-’)#6/--Z-B-%-(#"#/-""/-B&a&#$’(%’1-B
胶-8D39MY3 含水率;("]$ 变形量Q3V0BE6:M07"]$ 温度,3E43B6:LB3 $& b;>6 $$ b;>6 /b9 校正2$-8N52$"]$
无 eM:D0L: % $% 室温 J00E:3E43B6:LB3 &2!" %2!# &&I #C2!
无 eM:D0L: % =% 室温 J00E:3E43B6:LB3 =2%% $2%H !C2I #&2"
无 eM:D0L: % C% 室温 J00E:3E43B6:LB3 !2=H $2!% ="2C #$2H
无 eM:D0L: I C% 室温 J00E:3E43B6:LB3 !2$H C2IC $H2# #&2#
无 eM:D0L: $% C% 室温 J00E:3E43B6:LB3 =2HI I2%! " #$2C
无 eM:D0L: =% C% 室温 J00E:3E43B6:LB3 =2&& "2C% &&2IC #C2&
无 eM:D0L: I =% 室温 J00E:3E43B6:LB3 $2#" &2!H ="2H #&2=
无 eM:D0L: I $% 室温 J00E:3E43B6:LB3 %2C= &2!C &=% #C2%
无 eM:D0L: % C% #% r !2=" &&2I= " #$2"
无 eM:D0L: % C% &&% r !2$$ &=2&$ $I2& #%2#
无 eM:D0L: % C% &=% r !2&# $$2#% &$2C #!2$
有 eM:D % $% 室温 J00E:3E43B6:LB3 %2#$ &2!C !C2# #I2$
有 eM:D % =% 室温 J00E:3E43B6:LB3 $2$I $2!# C"2I #=2=
有 eM:D % C% 室温 J00E:3E43B6:LB3 =2!I !2!I CI2C #=2=
<<对表 $ 进行分析!三参数值受到温度(含水率和
胶黏剂的影响& 绝干材在变形量为 C%]时!随着温
度的升高!$& 值略有减小!但变化幅度不大!即温度
对应力松弛量影响较小!这点和图 $ 的分析也相
吻合%
室温下!变形量相同时!随着含水率的增加!$&
和 ,值均减小!$$ 增加!即含水率越大!应力松弛量
越大!松弛时间越短!图 I 所示%
绝干材在变形量为 $%]!=%]!C%]时!浸胶
单板比不浸胶单板的平衡应力 $& 值减小!衰减应
力 $$ 值增大!即有胶的应力松弛量更大!如图 "
所示%
图 H 是三元件应力松弛模型与实测曲线拟合度
的比较% 从图 H 可以看出& 三元件应力松弛模型能
较好地拟合出理论值!这点与表 $ 中相关系数达到
了 #%]以上相吻合%
图 I<含水率对三参数的影响
M^T5I<,D33V3W:0V;(07 :D3:DB33@313E37:46B6E3:3B9
<<由以上分析可知&
&$ 室温下!变形量相同时!含水率越大!应力松
弛量越大% 这主要是因为水分是木质素的增塑剂!
水分进入木材组织后!能破坏组织内的氢键结构!屏
蔽大分子间的相互作用力!从而增加了大分子的柔
H=&
<第 # 期 张晓敏等& 杨木径向压缩的黏弹性行为
图 "<绝干材在变形为 $%]!=%]和 C%]
下有胶与无胶对 $& 和 $$ 影响
M^T5"<,D33V3W:0V68D39MY307 $&678 $$ L783B
$%]!=%] 678 C%] 83V0BE6:M07 "%];($
顺性!使链段易于运动"R0L:9./0&F! $%%=$% 这点为
单板浸渍胶黏剂前处理供理论依据! 即单板在浸渍
胶黏剂前的含水率越低越好%
$$ 绝干材随着温度升高!应力松弛量略有增
加!但没有含水率的影响显著% 这可能是由于本试
验的温度范围还未达到木材中纤维素(半纤维素和
木质素的玻璃化转变温度% 尹思慈"&##I$指出& 随
着温度升高!木素软化!其分子热运动能量和自由体
积增加!应力松弛加快%
=$ 绝干材在变形量相同时!有胶比无胶的应力
松弛量大!这可能是环氧树脂进入到单板内部!起到
了润滑作用!减小了木材内部大分子间的内摩擦力!
使得最终应力松弛量增大%
!$ 其他条件相同时!&2% EE和 &2C EE厚的单板
应力松弛量相差很小!但它们远比 %2C EE厚的单板应
力松弛量大% 故在用杨木单板进行人造板压板时!应
考虑到厚度的影响!尽量选择比较薄的单板%
图 H<拟合值与实测值比较
M^T5H<(0E46BM907 0V4B38MW:678 3m43BME37:61Y61L39
62变形量 C%] Q3V0BE6:M07 C%]# [2室温!绝干!厚 %2C EE单板在不同变形下 J00E:3E43B6:LB3! %]
;(! %2C EE:DMWk7399L783B8MV3B37:83V0BE6:M075
=<结论
&$ 杨木单板径向压缩应力松弛受到变形量(含
水率(厚度(胶黏剂的影响% 含水率大!应力松弛量
越大!但受到工艺条件的限制!含水率应保持稳定#
温度对应力松弛影响较小%
$$ 胶液对木材有润滑作用!应力松弛量大!影
响显著% 浸胶量不仅需要保持稳定!还有最佳值%
=$ 变形量对应力松弛影响显著!选择合适的变
形量对制造高质量人造板有重要作用% 变形量与浸
胶量有关!一般压缩变形量增大!浸胶量可以降低%
!$ 三元件应力松弛模型能够较好地模拟杨木单板
在一定应变水平下不同温度(不同含水率(不同厚度及有
无胶黏剂的应力松弛特性!相关系数达到 #%]以上%
参 考 文 献
顾继友! 高振华!谭海彦5$%%=2制造工艺因素对刨花板吸水厚度膨
胀率的影响5林业科学!=#"&$ & &=$ F&=#5
尹思慈5&##I2木材学5北京& 中国林业出版社! &%I5
R0L:9j! AD6:6WD6BZZ6Q! j6Z6B6E67 i5$%%=2/M9W03169:MW[3D6YM0LB0V
X008 VM[3B98LBM7T:D3D0:4B399M7T0VE38MLE5R01fV0B9WDL7T! C"
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I%"=$ & $#! F$#H5
’61El7 +.5&#H!2/M9W03169:MW4B043B:M390V+) 3+/4 1MT7M7 L783BX6:3B@
96:LB6:38 W078M:M0795j;6:3B’WM! &#"#$ & =%#% F=%#I5
e01W0:; >! i6Ek3^-! QM16B8 Q-5&##%2^ L786E37:6190VV16k3
[06B8 E67LV6W:LB3&YM9W03169:MW[3D6YM0LB0V:D3X008 W0E40737:5
e008 M^[3B’WM! $$"!$ & =!C F=I&5
!责任编辑<石红青"
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