在现有技术条件下，木材只能进行单向弯曲，而且弯曲的曲率半径大，成功率仅为60%~75%，因此，缩小木材弯曲曲率半径、提高木材弯曲成功率并实现多维弯曲、满足现代木制品的设计和生产要求，是提高木材使用价值(宋魁彦，2001; 2003;宋魁彦等，2004; 宋宇宏，2003; Rémond et al., 2007; Hermawan et al., 2007; Oloyede et al., 2000)的重要途径之一。

木材是由40%~50%的纤维素、15%~25%的半纤维素和20%~40%的木质素为主成分构成的天然复合材料, 三大组成的分子结构特征使其具备了玻璃化温度转变的条件(Rattanadecho, 2006; 李坚，1994; 1999;成俊卿，1985)。水热处理主要是利用水作为增塑剂增大木材细胞壁内自由体积的空间，同时利用加热提高分子热运动的能量，在温度和增塑剂的作用下，降低木材细胞壁成分的玻璃化转变温度，使试材的弹性模量降低，变形容易。本研究采用水热-微波软化方法对水曲柳(Fraxinus mandshurica)木材进行处理，通过顺纹压缩率、单维和多维弯曲最小曲率半径表征木材软化效果，确定最佳软化条件，揭示了水热-微波处理对木材性质和顺纹压缩以及单向和多向弯曲的影响。

1 材料与方法 1.1 水热-微波软化处理

木材水热和微波联合处理的试材为水曲柳的幼龄材和成熟材，尺寸270 mm×16 mm×16 mm。试材首先进行水煮处理，处理时间为140~150 min，处理后采用多层聚氯乙烯薄膜将试材包好，以确保木材内水分不散失或散失较少，然后根据试材的尺寸以及加热效果，确定采用输出功率为600 W的微波处理，处理时间为320，350和380 s，分别标记为方案A，B和C。

1.2 XRD测试

采用日本理学公司X射线衍射仪(XRD)，型号为D/MAX2200，测定试样相对结晶度。试验条件是:扫描角度为3°~60°，速度为4(°)·min^-1，步距0.02°，电压40 kV，电流30 mA，试件粒径100~120目。数据采用Segal法计算得到。

1.3 FTIR测试

FTIR测试采用美国尼高力(Nicolet)公司Magna-IR 560 E.S.P型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，KBr压片，分辨率为4 cm^-1。

1.4 微观构造检测

采用美国FEI公司生产的型号为QUANTA2000扫描电子显微镜，观测试件经过顺纹压缩后细胞壁的变化，试件取自经过压缩的试件。为防止试件水分变化引起尺寸的改变，在测试时，试件进行干燥处理，测试试件的含水率加权平均值为8.15%，并在试件的中间部位进行切片检测。

1.5 最大顺纹压缩率及单维和多维弯曲曲率半径测定

在水热-微波软化处理中，选定3种比较优化的软化方案，通过顺纹压缩测定最大顺纹压缩率和木材压缩后回弹永久变形率(permanent deformation rate，PDR)，以此作为确定最优化的软化方案条件之一。根据试验研究得到:木材的顺纹压缩率越大，PDR也越大，同时获得的弯曲曲率半径就越小，因此根据获得的最小弯曲曲率半径也作为确定最优化的软化方案条件之一。

2 结果与讨论 2.1 顺纹压缩率和PDR的影响

从表 1中可以看出:软化方案为A时，试材顺纹压缩率可以达到21%，PDR的平均值为3.36%，但仅适合成熟材; 软化方案为C时，试材顺纹压缩率可以达到19%，PDR的平均值为3.81%，但仅适合成熟材; 软化方案为B时，试材顺纹压缩率可以达到21%，幼龄材和成熟材的PDR平均值分别为4.43%和4.40%。由此表明:软化方案为A时，试材软化不足，虽然可以获得较大的压缩率，但是PDR值较低; 软化方案为C时，试件软化过度，顺纹最大压缩率相比其他2种方案较低，但是PDR值较方案A高。

通过图 1可以看出:水热-微波处理的试件经顺纹压缩卸压后，瞬时即可恢复其特有的弹性变形，而黏弹性变形卸压后6~15 min后才体现出来，即曲线开始趋于平缓，并无法恢复到原来的试材长度。采用3种软化方案处理后，其弹性曲线变化趋势基本一致，但是在整个恢复过程中的差距一直存在。至卸压20 min后，曲线趋于平稳，即进入塑性变形，表明试件在压缩恢复时的塑性加大，实质是木材细胞壁形成了褶皱(图 2和图 3所示为未压缩和压缩试材径切面导管壁比较)，不同方案的最后恢复值不同; 至30 min时，测得PDR值大小顺序为方案B＞方案C＞方案A。

从表 2中可以看出:软化方案为B时，单维和多维弯曲时曲率半径的平均值都是最小; 软化方案为A和C时，虽然软化方案A的最大顺纹压缩率大于软化方案C，但是由于PDR值较小，所以软化方案A的单维和多维的弯曲曲率半径平均值较大。顺纹压缩和弯曲曲率半径测试结果均表明，方案B软化效果最好。

2.2 XRD测试结果

3种软化处理方法均可以提高木材的相对结晶度，且幼龄材相对结晶度提高幅度均高于成熟材(表 3)。从图 4 XRD测试结果可以看出:经水热处理后，与未处理试材相比，002衍射峰的位置均在22.5°，说明水热处理对木材结晶区没有形成影响，即晶层的距离没有发生变化。从衍射强度来看, 处理材的002衍射峰强度均高于未处理材，这说明水热-微波处理对木材微纤丝的非结晶区影响显著并导致相对结晶度提高(图 5)，且随微波处理时间增加，相对结晶度呈提高趋势。

2.3 FTIR测试结果

通过FTIR对试材进行表征，考察水热-微波软化处理对水曲柳试材表面性质的影响，结果如图 6，谱峰归属见表 4。谱图中在3 408，1 636，1 597 cm^-1处出现3个吸收峰，由表 4可知: 3 408 cm^-1为木材表面O—H伸缩振动; 1 636 cm^-1是羰基(CO)伸缩振动的吸收峰，1 597 cm^-1为苯环骨架结构伸缩振动的吸收峰。由木质素的化学结构已知，木质素的羰基主要来源于木质素结构单元的醛基和酮基。从图 6中可以看出:通过水热-微波处理试材的O—H伸缩振动吸收峰(3 408 cm^-1)、木质素侧链上的羰基(CO)伸缩振动吸收峰(1 636 cm^-1)和苯环骨架结构伸缩振动吸收峰(1 597 cm^-1)强度相对于未处理试材都有了明显的增加，这是由于水曲柳的木质素易于降解，经过水热-微波的共同作用后，可使非结晶区内纤维素微纤丝的表面活性得到表现，相互间产生羟基基团，使得非结晶区微纤丝趋于有序; 还可使结晶区表面微纤丝羟基裸露，氢键键合增强，细胞壁纤维素微纤丝结晶区宽度增加。可见通过水热-微波处理，可以使木材吸附更多的水分子，使木材表面具有更多的羟基，而羟基可以增加纤维素的结晶区内部氢键生成数量，使线状纤维素分子间产生一个较强的侧面缔合，进一步提高处理试材的相对结晶度，从而降低木材的弹性模量，进而提高其软化性能。

2.4 水热-微波软化处理对水曲柳顺纹压缩与弯曲的影响机制

1) 在微波处理前的水热处理可在木材表面引入大量羟基，从而增加纤维素结晶区内部氢键生成数量，促使线状纤维素分子间产生一个较强的侧面缔合，随后的微波处理对于水热处理试样表面羟基具有明显去除作用，因此微波处理时间过长导致表明羟基数量减少，进而影响纤维素结晶区内部氢键生成数量和纤维素分子键的键合强度，从而降低木材的弹性模量，进而提高其软化性能。

2) 随着水热-微波处理时间的延长，木材顺纹压缩率降低，很难获得较小的单维和多维弯曲曲率半径，因此过分的软化容易造成木材在顺纹压缩过程中出现应力集中，导致局部破坏，使顺纹压缩停止，因此适宜的软化处理，可以确保木材具有一定的柔韧性，这是保证顺纹压缩顺利进行和可以获得较小弯曲曲率半径的关键。

3 结论

水热-微波处理可显著增强木材的软化性能。当水煮处理时间为140~150 min、微波处理时间为350 s时，顺纹压缩率最大，单维和多维弯曲时的曲率半径平均值最小。水热-微波处理后木材相对结晶度提高，结晶区表面微纤丝羟基裸露，氢键键合增强，结晶区宽度增加。较高的结晶度和适宜的羟基数量是方案B表现出较高软化性能的主要原因。