林业科学  2011, Vol. 47 Issue (9): 135-139   PDF    
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张晓敏, 孙正军, 王喜明, 尚莉莉
Zhang Xiaomin, Sun Zhengjun, Wang Ximing, Shang Lili
杨木径向压缩的黏弹性行为
Viscoelastic Behavior of Poplar under Radical Compression
林业科学, 2011, 47(9): 135-139.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(9): 135-139.

文章历史

收稿日期:2009-11-02
修回日期:2010-01-22

作者相关文章

张晓敏
孙正军
王喜明
尚莉莉

杨木径向压缩的黏弹性行为
张晓敏1,2, 孙正军1, 王喜明2, 尚莉莉2    
1. 国际竹藤网络中心 北京 100102;
2. 内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院 呼和浩特 010019
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Maxwell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    
Viscoelastic Behavior of Poplar under Radical Compression
Zhang Xiaomin1,2, Sun Zhengjun1 , Wang Ximing2, Shang Lili2    
1. International Center for Bamboo and Rattan Beijing 100102;
2. College of Material Science and Art Design, Inner Mongolia Agricultural University Huhhot 010019
Abstract: A study on the different thickness of poplar (Populus nigra) veneer. The effects of the different strain levels, temperature, moisture content (MC) and the adhesive on stress relaxation of poplar veneer were explored. The results showed that: (25 ± 2) ℃, under the same deformation, the amount of stress relaxation in proportional to moisture content, 0% moisture content, as the temperature increases, the amount of stress relaxation increase slightly; 0% moisture content, under the same deformation, poplar veneer with adhesive have a greater amount of stress relaxation. And the stress relaxation of poplar veneer behavior can be used by the Maxwell model and spring model composed of three-element to simulate.
Key words: poplar veneer    stress relaxation    microstructure    three-element model    viscoelastic    

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(Salmén,1984; Kelley et al., 1987),而长时间的变形会导致木材细胞壁微观结构的变化等(Wolcott et al., 1990)。

杨树密度低(基本密度0.35 g·cm-3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,2003),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Maxwell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。

1 材料与方法 1.1 原料与试样制备

杨木单板:江苏省邳州产意杨(Populus nigra),含水率5% ~ 7%,单板规格50 mm × 40 mm,厚度分别为1.5,1.0,0.5 mm,密度0.364 ~ 0.496 g·cm-3。胶黏剂为实验室配制,主要组分为以下3种:双酚A型通用环氧树脂,挥发分小于1%,淡黄色,密度1.5 g·cm-3; 聚氨脂增韧环氧树脂,密度1.46 g·cm-3,淡黄色; 醇溶性酚醛树脂,固含量80%,深综色。三者配制比例为3 : 3 : 4 (固含量之比),溶剂为工业丙酮。用丙酮将胶黏剂稀释至50%待用。

1.2 试验设备

INSTRON5582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(XL30 ESEMFEG)、电子天平(0.01 g)等。

1.3 试验方法

试验温度分别为(25 ± 2),90,110,130 ℃; 杨木单板的含水率为0,5% ~ 7%,20%,30%。

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90,110,130 ℃时,杨木为绝干; 松弛时间为1 h。

试验应力松弛曲线测定方法为INSTRON 5582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4 mm·min-1,保持标准为压缩应力,载荷-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1 h,取出沥胶,晾置24 h后计算浸渍量,浸渍量=胶黏剂质量/杨木单板浸渍后质量。

表 1 杨木单板浸渍量计算 Tab.1 Poplar veneer impregnation

实验室温度(24 ± 1) ℃,相对湿度(55 ± 5) %。每次试验重复3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0.3 mm·min-1,检测到杨木单板径向压缩能承受的最大压力值约为18 MPa,确定出应力松弛的最终应变水平为20%,30%,50%。

2 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,б为松弛应力,б0为初期应力。

2.1 应力松弛分析

不同厚度单板在变形为30%和50%下的应力松弛见图 1。由图 1可以看出: 1)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100 s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1 000 ~ 3 600 s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) 1.0 mm和1.5 mm厚单板的应力松弛量相差较小,并且它们比0.5 mm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0.5 mm厚的板称为薄单板,而将1.0 mm和1.5 mm厚单板通称为厚单板。

图 1 不同厚度单板在含水率为6%,室温变形为30% (a)和50% (b)时的应力松弛 Figure 1 The stress relaxation of different thickness veneer under 30% (a) and 50% (b) compression(6% MC)

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 2。由图 2可以看出: 1)室温下,随着含水率增加,单板的应力松弛量明显增加; 2)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。

图 2 薄单板在变形为50%时不同温度(a)、不同含水率(b)下的应力松弛 Figure 2 The stress relaxation of 0. 5 mm veneer under different temperature and different moisture content(50% deformation)

厚单板在不同变形量下有无胶的应力松弛见图 3。由图 3可以看出: 1)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; 2)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。

图 3 厚单板在不同变形及有无胶的应力松弛(温度25 ℃,绝干材) Figure 3 The stress relaxation of 1. 5 mm veneer under different deformation, with and without adhesive (25 ℃, 0% MC)

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(Penneru et al., 2006)。

2.2 电镜分析

将未压和压缩50%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7.5 kV,放大倍数为600,如图 4所示。

图 4 绝干材在温度为90 ℃,未压和变形为50%时的SEM Figure 4 Scanning electron micrograph of wood cells before and after compressive relaxation for the specimen compressed by 50% of its thickness at 0% MC and 90 ℃
2.3 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,可以用由Maxwell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 5所示。应力松弛公式如下:

(1)
图 5 三元件应力松弛模型 Figure 5 Schematic representation of a three-element stress relaxation model

式中: σ(t)为试件承受的应力(MPa); t为松弛试验时间(s); σ1为平衡应力(MPa); σ2为衰减应力(MPa); τ为松弛时间(s)。

上述的模型参数σ1σ2τ体现了物料的松弛特性,可用来反映物料的质地。平衡应力σ1越小,衰减应力σ2越大,则应力松弛量越大; 反之则越小。这3个松弛特性参数可以用统计分析软件Origin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: Origin界面→ Analysis菜单→ Fitting → Nonlinear Curve Fit → ExpDec1。

表 2为用三元件应力松弛模型计算厚度为1.0 mm的杨木单板应力松弛三元件参数值。

表 2 三元件应力松弛模型参数值 Tab.2 Parameter value of three-element stress relaxation model

表 2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50%时,随着温度的升高,σ1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 2的分析也相吻合。

室温下,变形量相同时,随着含水率的增加,σ1τ值均减小,σ2增加,即含水率越大,应力松弛量越大,松弛时间越短,图 6所示。绝干材在变形量为20%,30%,50%时,浸胶单板比不浸胶单板的平衡应力σ1值减小,衰减应力σ2值增大,即有胶的应力松弛量更大,如图 7所示。

图 6 含水率对三参数的影响 Figure 6 The efect of MC on the three-element parameters
图 7 绝干材在变形为20%,30%和50%下有胶与无胶对σ1σ2影响 Figure 7 The effect of adhesive on σ1 and σ2 under 20%, 30% and 50% deformation (0% MC)

图 8是三元件应力松弛模型与实测曲线拟合度的比较。从图 8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 2中相关系数达到了90%以上相吻合。

图 8 拟合值与实测值比较 Figure 8 Comparison of predict and experimental values a.变形量50% Deformation 50%; b.室温,绝干,厚0. 5 mm单板在不同变形下Room temperature,0% MC,0. 5 mm thickness under different deformation.

由以上分析可知:

1) 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顺性,使链段易于运动(Houts et al., 2003)。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。

2) 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(1996)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。

3) 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。

4) 其他条件相同时,1.0 mm和1.5 mm厚的单板应力松弛量相差很小,但它们远比0.5 mm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。

3 结论

1) 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。

2) 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。

3) 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。

4) 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90%以上。

参考文献(References)
顾继友, 高振华, 谭海彦. 2003. 制造工艺因素对刨花板吸水厚度膨胀率的影响[J]. 林业科学, 39(1): 132-139. DOI:10.11707/j.1001-7488.20030122
尹思慈. 1996. 木材学[M]. 北京: 中国林业出版社: 106.
Houts J, Bhattacharyya D, Jayaraman K. 2003. Viscoelastic behaviour of wood fibers during the hot pressing of medium[J]. Holzforschung, 57(4): 391-399.
Kelley S S, Rials T G, Glasser W G. 1987. Relaxation behavior of the amorphous components of wood[J]. J Mater Sci, 22(2): 617-624. DOI:10.1007/BF01160778
Penneru A P, Jayaraman K, Bhattacharyya D. 2006. Viscoelastic behaviour of solid wood under compressive loading[J]. Holzforschung, 60(3): 294-298.
Salmén N L. 1984. Viscoelastic properties of in situ lignin under watersaturated conditions[J]. J Mater Sci, 19(9): 3090-3096. DOI:10.1007/BF01026988
Wolcott M P, Kamke F A, Dillard D A. 1990. Fundamentals of flake board manufacture: viscoelastic behaviour of the wood component[J]. Wood Fiber Sci, 22(4): 345-361.