全 文 ：第 wv卷 第 y期
u s s z年 y 月
林 业 科 学
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∏±qou s s z
ƒ…构成机理及孔穴压缩变化率对
其力学性能的影响
马 岩 阿 伦
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 介绍木材微米加工技术新产品 ƒ…的微观构成机理 o指出孔穴是 ƒ…的重要微观结构特征 ~并引入
孔穴压缩变化率k Γl参数 o通过设置一系列热压压力以产生不同水平的孔穴压缩变化率 o采用显微镜分析 ƒ…板
材横断面图像 o选取均匀部位进行孔穴压缩变化率对板材性能影响的分析 ∀结果表明 }热压压力采用 t1y ∗ u1u
°¤o均能压制出符合标准的密度为 s1v ª#¦°pv的 ƒ…板材 oΓ [ s o在 p s1sw{ z ∗ p s1sy{ s之间 o热压压力与孔穴
压缩变化率 Γ呈非线性关系 ~获得密度为 s1v ª#¦°pv ƒ…性能下降的孔穴压缩变化率临界值 ~分析比较不同孔
穴含量 !孔穴压缩变化率下孔穴的分布 !尺寸和形状 ~讨论对于某一密度 !一定纤维化的木纤维原料 o孔穴含量 !孔
穴压缩变化率对 ƒ…板材的弹性模量和静曲强度的影响 ∀
关键词 } ƒ…~构成机理 ~孔穴压缩变化率 ~静曲强度 ~弹性模量
中图分类号 }×≥yxv 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsy p stuv p sx
收稿日期 }ussy p s{ p u{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kvsxztwxxl o黑龙江省自然科学基金项目k≤ussw p tul ∀
Στρυχτυρε Μεχηανισµ ανδ Εφφεχτσ οφ Ηολε Χοµ πρεσσιβιλιτψ ον τηε Μεχηανιχαλ Στρενγτη οφ ΜΦΛΒ
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k Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } Œ±·«¬¶³¤³¨µo·«¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ °¨ ¦«¤±¬¶° ²© ƒ… º¤¶¬±·µ²§∏¦¨§o¤±§·«¨ √²¬§ º¤¶³²¬±·¨§·² ¥¨ ¤± ¬°³²µ·¤±·
¶·µ∏¦·∏µ¨ ¦«¤µ¤¦·¨µ²© ƒ…q„±²·«¨µ³¤µ¤°¨ ·¨µ±¤°¨ §«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼kΓl º¤¶¬±·µ²§∏¦¨§¬±¶·∏§¼¬±ª ƒ…o¤¶¨·²©«²·
³µ¨¶¶∏µ¨ º¨ µ¨ ¤³³¯¬¨§·²³µ²§∏¦¨ √¤µ¬²∏¶«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼o¶²°¨ ∏±¬©²µ° ¶¨¦·¬²±¶²±¦µ²¶¶2¶¨¦·¬²± ²© ƒ… º¨ µ¨ ¶¨¯¨ ¦·¨§¥¼
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§¨¦µ¨¤¶¨ º¤¶¤¯¶² ²¥·¤¬±¨ §o¤±§·«¨ √²¬§§¬¶·µ¬¥∏·¬²±o¶¬½¨ ¤±§¶«¤³¨ ¤·§¬©©¨µ¨±·√²¬§¦²±·¨±·i «²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼ º¨ µ¨
¦²°³¤µ¨§o·«¨ ±·«¨ ©¨©¨¦·¶²©«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼ ²± ’∞ ¤±§ ’• ²© ƒ… º¤¶§¬¶¦∏¶¶¨§q
Κεψ ωορδσ} ƒ…~¶·µ∏¦·∏µ¨ °¨ ¦«¤±¬¶°~«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼~ ’• ~ ’∞
复合材料的构建理念是一种紧紧依赖于微观结构 !以性能为设计目标的新理念 ∀随着复合材料的微观
力学和计算机图形图像学等先进理论技术逐步引入木材学科 o人们对木质人造板物理力学性能的研究已经
深入到了微观领域 o开始从木质人造板的微观构造角度来解释影响板材物理力学性能的本质原因k≤¤«±o
t||| ~׬°²·«¼ ετ αλqousswl ∀本文以微米薄片状木纤维低密度人造板k°¬¦µ²± ©¯¤®¼ º²²§©¬¥¨µ ¬¯ª«·§¨±¶¬·¼
¥²¤µ§oƒ…l为研究对象 o基于复合材料构建理念 o尝试性地探寻一个研究微米木纤维低密度人造板微观结
构与性能关系的方法 o分析孔穴压缩变化率对 ƒ…板材力学性能的影响 ∀
t ƒ…构成机理
微米薄片状木纤维低密度人造板是基于微米木纤维重组理论 o利用微米级木纤维机械加工技术来破坏
木材细胞的近六棱形固有结构 o使微米级的纤维丝处于麻丝般交织的絮状结构后进行重组的板材 ∀传统轻
质刨花板的生产中由于刨花孤立存在 o若原材料密度大于 s1w ª#¦°pv o加上胶黏剂及其他添料后 o不采用发
泡技术 o很难压制出密度小于 s1w ª#¦°pv的板材 o因此 o它突破了传统轻质刨花板这种多以发泡技术为依托
的工艺制备方法 o采用机械加工方法将细胞腔割裂开 o直接得到的是不同程度纯木纤维 o原材料密度对它的
影响已经很小 ∀在制备 ƒ…时 o可以选用密度大于 s1v ª#¦°pv的木材原料来压制密度在 s1v ∗ s1wx ª#¦°pv
之间的板材 o因此 o它是一种微米加工技术的新产品 ∀
传统木材切削时所采用的刀具刀尖圆弧半径 !切削厚度远远大于细胞的当量直径 o切削基本上是挤压 !
劈裂 o无法将木材的一些天然缺陷如节子 !虫眼 !伤口等合理剔除 o由于这些缺陷的断面面积相对于纤维断面
面积要大得多 o因此 o当采用小的刀楔角 !小的刀尖圆弧半径 !切削厚度在微米级水平制备微米长薄片木纤维
时 o原有微观缺陷是可以剔除的 o同时还可以消除木材细胞六棱形的特征所导致的碟簧效应和木材细胞内容
物的流动 o使细胞内容物挤出而不回流 o这样就降低了木材切削时的能耗 o降低了人造板生产成本 o如图 t所
示 ∀再将这种几乎没有缺陷的 !松弛而柔软的 !长薄片状的近似纯木纤维 o直接作为板材强度的构成主体进
行重组 o这就是 ƒ…形成的主要机理k马岩 oussu¤~ussu¥~ussv ~ussxl ∀
图 t 有缺陷的细胞排列示意图及微米木纤维加工后的细胞变化图
ƒ¬ªqt ≤¨¯ ¶¯¶·µ∏¦·∏µ¨ ¬± §¨©¨¦·¶i ¦«¤±ª¨§¶·µ∏¦·∏µ¨ ¥¼ °¬¦µ²2°¤¦«¬±¬±ª·¨¦«±²¯²ª¼
当木材加工至微米级后 o形成的絮状结构如图 u所示 o微米木纤维原始状态如图 v所示 ∀类比木材的天
然结构可知 o絮状结构互相的交织作用相当于木材中胞间层木素所起到的连接作用 ∀经试验 o在水中浸泡
ƒ…o尽管胶黏剂失去作用 o但板材没有像其他板种那样散开 o而是依然连接在一起 o不松散 ∀也正是微米
长薄片木纤维形成的杂乱絮状结构对空气的机械夹杂 o以及因受热产生水蒸气及其他挥发组分而形成的内
部成核作用 o使该新型板材形成了大量的空穴 !孔穴和孔隙 o使板材的密度降至 s1w ª#¦°pv以下成为可能 ∀
因此 o在制备 ƒ…时 o空穴 !孔穴和孔隙作为 ƒ…的一个微观结构特征 o一个影响板材物理力学性能的重
要因素 o是评价板材的一个重要参数 o其含量 !大小 !形态 !分布将是构建 ƒ…的重要内容 o是保证 ƒ…密
度在 s1w ª#¦°pv以下的重要参数 ∀这一内容将利用计算机数字图像处理技术实现孔穴的检测和评价 o本文
不作阐述 ∀但也正如其他木质 !非木质人造板材料一样 o孔穴也是 ƒ…的最常见的缺陷之一 ∀ ƒ…非均
匀孔穴的存在降低了 ƒ…的力学性能 o如静曲强度和弹性模量等 ∀
图 u 微米薄片状木纤维的絮状结构图
ƒ¬ªqu ƒ¯ ²¦¦∏¯ ±¨¦¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ²© º²²§©¯¤®¼ °¬¦µ²2©¬¥¨µ
图 v 微米薄片状木纤维原始状态
ƒ¬ªqv ’µ¬ª¬±¤¯ ¶·¤·¨ ²© º²²§©¯¤®¼ °¬¦µ²2©¬¥¨µ
u 孔穴压缩变化率对 ƒ…力学性能的影响
本文在 ƒ…的研究中引入另一个参数 ) ) ) 孔穴压缩变化率 Γk«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼l ∀不同树种 !不同切
削厚度 !不同刀具参数都将使木纤维加工中木材细胞结构的变化程度不同 !木材微米化程度不同 !加工出的
微米木纤维密度不同 !交织的絮状程度不同 o这些因素决定着板材内部结构特征 o决定着板材所能压制的极
限密度 o对板材性能起着决定作用 o因此 o它除能反映孔穴含量外 o还包含着细胞结构变化程度 !木材微米化
wut 林 业 科 学 wv卷
程度 ∀构建 ƒ…时 o板材的密度小于原材料木材的密度 oΓ [ s o即板材纤维间孔穴和原来材种的细胞孔隙
相比大于原来材种的细胞孔隙 o对某一具体密度水平的板材来讲 oΓ有一个临界值 o即保证其性能符合标准
的临界值 ∀在研究微纳米加工产品时 o该比值比用单一孔隙率k孔隙百分含量l或密度来衡量 !评价板材要全
面些 !科学些 ∀
本文是对木材微纳米产品的微观结构与性能关系的探索性 !尝试性研究 ∀通过设置一系列的热压压力
得到不同水平的孔穴压缩变化率 o通过试验 o初步研究其对 ƒ…板材的静曲强度和弹性模量的影响 o对于
某一特定密度 ƒ…板材 o探寻其符合日本 Œ≥„ x|s{轻质人造板标准的可接受的临界孔穴压缩变化率 ∀
211 材料与方法
u1t1t 试验材料 红松k Πινυσ κοραιενσισl o产于小兴安岭 o置于大气中 o含水率为 tu h ∗ tx h o密度 s1ww
ª#¦°pv ∀脲醛树脂胶 o固含量 xv1y h ~固化剂 ‘‹w ≤¯ ot1x h ∀
红松木块 {s °° ≅ {s °° ≅ {s °° o在实验室自制的微米薄片削片机上 o以定向顺纹刨切加工至设计要求
的厚度 η o其厚度范围在 xs ∗ txs Λ° o经分析 o其厚度集中分布在 ys ∗ tss Λ°之间 o约占 zu h ~再经宽度定制
处理设备将纤维达到约定的宽度 o集中分布在 x ∗ { °°之间 o约占 zx h ~其长度在 yx ∗ zx °°之间的约占
z{ h ∀微米长薄片木纤维形态分布如图 w所示 ∀
图 w 微米长薄片木纤维几何形态筛分图
ƒ¬ªqw ⁄¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©ª¨²° ·¨µ¬¦¤¯ °²µ³«²¯²ª¼ ²© °¬¦µ²2©¬¥¨µ
u1t1u ƒ…的制备 名义密度 }s1v ª#¦°pv ~幅面尺寸 }xss °° ≅ uxs °° ≅ ts °° ~热压条件 }热压温度
tvs ε ~热压时间 w °¬±~热压压力按 t1w !t1y !t1{ !u1s !u1u °¤x个条件设置 o每个条件重复 t次 ∀
u1t1v 横断面显微照片的采集 将试验制作的每块 ƒ…取 uss °° ≅ xs °° ≅ ts °°的试样 u个 o进行显
微数码图像的采集 ∀根据所采集的 ƒ…板材断面显微数码图像 o对每块 ƒ…板材试样磨平 !抛光 o应用
光学显微镜k÷≠‹ p v„l o分析孔穴的位置 !尺寸和形状 ∀
u1t1w 横断面孔穴压缩变化率的测量 根据所采集的显微图像 o在每块 ƒ…板材孔穴均匀分布的区域分
别取 x个试样 o根据 Š…Π× w{|z p |u测定每块的密度 o标出脲醛树脂的含量 o最后计算得到每块板的平均孔穴
含量 Βo再计算出红松实木的孔隙度 Χo最后得到孔穴压缩变化率 Γ∀计算公式为
Β € tss h p Χ ωµΘµ n
ω©
Θ© o ktl
Β € tss h p ς© p ςµo kul
ςµ € ΧΘµ ωµo kvl
ς© € ΧΘ© ω© ∀ kwl
式中 }Β为孔穴含量百分比 ~ ς©微米长薄片木纤维的体积率 ~ ςµ为胶料的体积率 ~ Χ为 ƒ…的密度 ~ ωµ为
脲醛树脂的质量百分数 ~ Θµ为脲醛树脂的密度 ~ ωµ为木纤维的质量百分数 ~ Θ©为木纤维的密度 ∀
Θs € Θ´ t n s qst ≅ Κ√ ≅ Ω´t n s qst ≅ Ω´ o kxl
Χ € tss t p ΘsΘ¦º o kyl
xut 第 y期 马 岩等 }ƒ…构成机理及孔穴压缩变化率对其力学性能的影响
Γ € Χ p ΒΧ ∀ kzl
式中 }Θ´为红松的气干密度 ~Θs为红松的绝干密度 ~Θ¦º为细胞壁平均物质密度 ~κ√为红松的体积干缩系数 ~
Ω´为红松气干含水率 ~ Χ为红松的孔隙度 ~ Γ为红松 ƒ…板材孔穴压缩变化率 ∀
查 }红松气干密度 Θ´ € s1ww ª#¦°pv oΚ√ € s1wx| ~取 }Ω´ € tu h oΘ¦º € t1xv ª#¦°pvk成俊卿 ot|{xl o代
入式kxl !kyl得 }Θs € s1wv| z ª# ¦°pv oΧ € zt1uy h ∀
u1t1x 性能测试 静曲强度k ’• l和弹性模量k ’∞l的测试按 Š…Π× w{|z p |u进行 o于万能力学试验机
k≠ssxl上进行测定 o试件尺寸 uss °° ≅ xs °° o厚度为试件全厚 o加载速度为ks1tux ? s1syvl °°#¶pt ∀测试
指标参照日本 Œ≥„ x|s{轻质人造板标准 ∀
212 结果与讨论
u1u1t 热压压力参数对孔穴压缩变化率的影响 为了得到板材特定密度下不同孔穴含量的 ƒ…o试验设
置一系列的热压压力 o得到相应的平均孔穴含量和孔穴压缩变化率如表 t所示 ∀可以看出 }随着热压压力的
增大 o孔穴含量减少 o孔穴压缩变化率减小 ∀
表 1 ΜΦΛΒ孔穴压缩变化率及强度测量结果 ≠
Ταβ .1 Μεασυρεµεντ οφ ηολε χοµ πρεσσιβιλιτψ ανδ στρενγτη οφ ΜΦΛΒ
序号
‘²q
压力
°µ¨¶¶∏µ¨Π
°¤
孔穴含量
∂²¬§¦²±·¨±·Π
h
孔穴压缩变化率
‹²¯¨
¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼
弹性模量
 ’∞Π
°¤
静曲强度
 ’•Π
°¤
t t1w zy1{| p s1sz| x{x不合格⁄¬¶´∏¤¯¬©¬¦¤·¬²±
u1tu不合格
⁄¬¶´∏¤¯¬©¬¦¤·¬²±
u t1y zy1tz p s1sy{ |z{1{z w1xv
v t1{ zx1x| p s1sys z t tsx1vz y1wz
w u1s zx1v p s1sxy z t tws1tw z1zv
x u1u zw1zv p s1sw{ z t tzv1xx {1{u
≠ / p 0号表示 ƒ…的板材孔穴大于原材料木材的细胞孔隙 ∀ / p 0° ¤¨±¶¦¨¯¯ «²¯ ¶¨²©µ¤º ¤±§³µ²¦¨¶¶¨§
° ·¨¨µ¬¤¯¶¤µ¨ ¯¨ ¶¶·«¤± √²¬§²© ƒ…q
图 x 孔穴压缩变化率与压力的关系
ƒ¬ªqx • ¨¯¤·¬²± ²©«²¯¨¦²°³µ¨¶¶¬¥¬¯¬·¼ ¤±§«²·³µ¨¶¶∏µ¨
如图 x 所示 o对于
ƒ…作为隔热 !隔温的
轻质装饰材料其特定的应
用要求而言 o在保证一定
力学性能的条件下 o让孔
穴含量在较高 !孔穴压缩
变化率在较大的水平上 o
即让密度尽可能的低 o找
到相对应的临界值 o再根
据所要求的这一孔穴压缩
变化率 Γ水平k或性能要求l来确定一个适宜的热压压力历程 o也可通过其他的工艺参数来实现要求的孔穴
压缩变化率水平 o从而根据具体应用条件适当放松质量控制标准来降低制造成本 ∀本节也只是为 ƒ…的
研究提供一个方法 o这一方面的研究仍需要大量的试验深入 ∀
u1u1u 孔穴压缩变化率的微观变化分析 图 y给出了不同压力情况下孔穴的压缩变化 ∀图 y¤!¥!¦和 §是
板材横断面图像经二值化处理后的图像 o分别显示热压压力为 t1y !t1{ !u1s和 u1u °¤时的孔穴形态与分
布 o从图可以看出 }压力越大 o孔穴含量越低 o孔穴压缩变化率越低 o而孔穴的宽长比就越大 o形状更加接近圆
形 o尺寸较小 o而且它们彼此之间相互分离 o即分布比较分散 ~随着孔穴含量 !孔穴压缩变化率的增加 o孔穴
的宽长比就越小 o形状越细长 o尺寸也较长 o它们之间的距离也较近 o这些孔穴往往容易连在一起 ∀
考虑孔穴压缩变化率对力学性能的影响 o性能随孔穴压缩变化率增大 o呈非线性关系 o这是因为考虑的
孔穴压缩变化率仅是一个比值 o还应当同时考虑孔穴的形状 !分布和大小 ∀所以 o应用显微镜分析以便辅助
分析孔穴压缩变化率对性能的影响 ∀这一内容将利用计算机数
字图像处理技术来实现孔穴的视频检测和识别标定 o本文暂不
作介绍 ∀
u1u1v 强度随孔穴压缩变化率变化分析 由于孔穴形状和分
布不规则 o从理论上预测孔穴对 ƒ…性能的影响比较困难 ∀
孔穴在其周围有限区域内可以引起一个较高的应力集中 o而
ƒ…由其性能要求及使用场合决定其局部小区域内出现较高
的应力集中 o所以含孔穴压缩变化率较低的 ƒ…其局部小区
域内的强度不会因为孔隙多而受到影响 ∀而且 o当 ƒ…的孔
穴压缩变化率低于某个临界值时 o强度在较宽的范围内也不会
因为孔穴的出现而急剧降低 ∀另一方面 o当孔穴压缩变化率高
于某个临界值时 o在较宽的区域内即使加载一个较低的载荷水
yut 林 业 科 学 wv卷
图 y 不同热压压力条件下孔穴显微照片二值化处理后的图像
ƒ¬ªqy Œ°¤ª¨ ¥¼ ¥¬±¤µ¼ °¤·«¨ °¤·¬¦¤¯ §¬¶³²¶¤¯ ²© °¬¦µ²ªµ¤³«¶¤·√¤µ¬²∏¶«²·³µ¨¶¶∏µ¨¶
平也可能使其 ’• 急剧降低 ∀所以 o从本质上来讲 o对孔穴压缩变化率进行测量应该是用某个区域而不是
用某个点 o即孔穴压缩变化率对 ƒ…的强度的影响依赖于孔穴存在的局部区域大小k贺鹏飞等 ousssl ∀
v 结论
对于密度为 s1ww ª#¦°pv的红松 o当木纤维加工至本文所给的几何尺寸时 o通过控制热压压力来得到不
同孔穴及孔穴压缩变化率水平的 ƒ…板材 o结果表明压力采用 t1y ∗ u1u °¤o均能压制出符合标准的密度
为 s1v ª#¦°pv的 ƒ…板材 oΓ [ s o在 p s1sw{ z ∗ p s1sy{之间 o压力与孔穴压缩变化率 Γ呈非线性关系 o为
预测孔穴压缩变化率与 ƒ…强度之间的关系建立了基础 o对于 ƒ…的力学性能研究具有重大的理论意
义 ∀
通过施加不同压力得到不同水平的孔穴含量 !孔穴压缩变化率 o进一步对 ƒ…的其他工艺参数进行研
究 o把工艺参数和性能联系起来 o通过控制工艺参数 o可以优化 ƒ…的加工工艺 o近而来降低制造成本 ∀
初步得到保证密度为 s1v ª#¦°pv的 ƒ…力学性能的临界孔穴压缩变化率为 p s1sy{ o为后续应用理论
计算方法定量地分析 ƒ…的强度和刚度提供了可能 ∀
ƒ…板材横断面图像显示 o孔穴含量 !孔穴压缩变化率越低 o孔穴的宽长比就越大 o形状接近圆形 o分
布较分散 ~随着孔穴含量 !孔穴压缩变化率增高 o孔穴的宽长比就越小 o形状越细长 o而且孔穴容易连在一
起 ∀
对于某一密度 !一定纤维化的木纤维原料 oƒ…板材的强度随着孔穴压缩变化率的升高而降低 o当孔
穴压缩变化率高于某一临界值时 o即使加载一个较低水平的载荷 o也能使  ’• !’∞急剧降低 ∀
参 考 文 献
成俊卿 qt|{x q木材学 q北京 }中国林业出版社
贺鹏飞 o刘建萍 qusss1 维分布不均匀对单向纤维增强复合材料横向拉伸强度的影响 q机械工程材料 ouwktl }{ p ts
马 岩 qussu¤q微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究 q生物数学学报 otzkvl }vxv p vxz
马 岩 qussu¥q木材横断面六棱规则细胞数学描述理论研究 q生物数学学报 otzktl }yw p y{
马 岩 qussv q利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究 q林业科学 ov|kvl }ttt p ttx
马 岩 qussx q微米木纤维形成 ƒ…的理论初探 q林产工业 ovukzl }x p z
≤¤«± • • qt||| q¤·¨µ¬¤¯ ¶¦¬¨±¦¨ ¤±§·¨¦«±²¯²ª¼ ¶¨µ¬¨¶q …¨ ¬­¬±ª}≥¦¬¨±¦¨ °∏¥¯¬¶«¬±ª ‹²∏¶¨
׬°²·«¼ Š qŠ∏·²º¶®¬qussw q„§√¤±¦¨§¦²°³²¶¬·¨ °¤·¨µ¬¤¯ °¤±∏©¤¦·∏µ¬±ª·¨¦«±²¯²ª¼ q…¨ ¬­¬±ª}≤«¬±¨ ¶¨ ≤«¨ °¬¶·µ¼Œ±§∏¶·µ¼ °∏¥¯¬¶«¬±ª‹²∏¶¨ o¤·¨µ¬¤¯ ≥¦¬¨±¦¨ ¤±§
∞±ª¬±¨ µ¨¬±ª°∏¥¯¬¶«¬±ª ≤ ±¨·¨µ
k责任编辑 石红青l
zut 第 y期 马 岩等 }ƒ…构成机理及孔穴压缩变化率对其力学性能的影响