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超高压处理对杨木物理力学特性的影响研究

张峰铭  
【摘要】:随着天然林资源消耗,优质硬木资源短缺,我国工业用材将逐步从天然林转为人工林。然而速生林存在材质松软,密度低,尺寸稳定性和力学性能差等缺陷,限制了其进一步开发利用。因此,探索一种高效绿色环保的木材改性技术非常有必要。本文以杨木为突破口,初步探究超高压密实强化技术,并结合约束作用改进其实验方案。其次,研究了超高压处理对杨木水分及形变特性的影响,并对比分析超高压处理前后杨木剖面密度、力学性质和微观结构的变化。高压处理条件为50-200 MPa,保压时间为0(脉冲)、30、60和300s,主要结论如下:1、经150 MPa-30s超高压处理后,杨木体积明显收缩,但其在顺纹方向上压缩量极小(可忽略不计)。在均匀压力下,木材各结构的压缩变形有所不同,其薄弱部位往往先发生挤压变形,产生较大的压缩形变。杨木锯材经高压密实强化后会向一侧弯曲变形,而超高压模压密实化处理可以有效规整其形状,大幅度提高压缩木的可利用率(提高了 21%)。2、高压处理后杨木密实化效果明显,其处理组压缩率都超过50%。在同一保压时间下,杨木压缩率随着压力增大而增大,但压力超过lO0MPa后,其对压缩率的影响减小(P0.05);当压力一定时,压缩率在300s保压时间下达到最大值,显著高于0、30和60s保压时间处理组。杨木在超高压处理后会产生延时弹性变形,但其不同处理组之间差异不显著。3、超高压处理不改变杨木的吸湿等温曲线形状,其对杨木含水率的影响与环境湿度有关,在65%及以下湿度范围内,密实化杨木平衡含水率低于对照组,而湿度超过76%后,两者之间没有显著性差异。不同超高压处理组的平衡含水率数值差异较小,而且不同保压时间和压力水平之间没有规律性变化。4、超高压处理后杨木湿胀率显著提高,而且其在高湿环境下尺寸稳定性较差。随着湿度增加,压缩木的不可逆回复率增大,并在95%湿度下达到最大值。两轮循环实验发现,超高压强化杨木可能存在两个湿度阈值,其开始变形回弹和出现快速变形回复的湿度临界点分别在33%-54%RH和85%-95%RH之间。保压时间延长会导致压缩木吸湿回弹的阈值下降,但不影响其快速变形的转折点。5、超高压处理有效改善杨木密度及其力学性能。超高压密实化杨木密度差异性小,其在压缩方向上呈现“n”字型的分布。随着压力升高,杨木密度不断增大,但当压力超过150MPa后,不同压力水平之间差异不显著。而抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度随着压力增大呈先增大后减小的变化趋势,其在100或150MPa下达到最大值。经过高压处理后杨木硬度显著提高,但不同处理组之间不存在显著差异。此外,保压时间为0、30和60s的不同超高压处理组的密度和抗弯强度等力学性能数值上差异较小。6、从微观结构上发现,杨木管孔和木纤维细胞被挤压成扁平状,其细胞壁上有细小的裂纹产生,而且在200 MPa下部分细胞壁甚至出现断裂等缺陷,其细胞完整性被破坏。与传统热压改性相比,超高压技术的力学潜力指数较低,但超高压处理效果与木材初始材质密切相关:当处理压力一定时,木材初始密度越大,其细胞压缩变形越小,使得细胞壁的破坏相对减小。


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