大型运输容器减震用改性木材的研制1)

吕文华 郑雅娴 柴宇博 刘君良

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京，100091)

责任编辑:戴芳天。

国外多用轻软的轻木作为高要求运输容器的减震材料，以保证运输安全。轻木是最为轻软的木材，但在我国轻木资源非常有限，长期完全依赖进口。减震器小，受到冲击时抵抗的外力小，所需木材强度要求小。减震器越大，受到冲击时抵抗的外力越大，所用木材强度要求越大。一般来说木材密度越大，强度越大［1］。但木材密度越大，减震器质量越大，运输容器自身的运输成本增大。因此，大型运输容器减震器所用木材，对木材强度和密度有严格要求，在满足一定抗压强度的前提下要求其密度尽可能小。为了筛选出适合大型运输容器减震器使用的木材，笔者以我国资源丰富的柳杉、杉木、泡桐等人工林木材作为研究对象，通过大变形抗压测试，分析了几种人工林木材的减震性能，筛选出了符合要求的减震器用木材;通过对人工林杉木进行浸渍增强处理，探讨了利用改性手段提高低密度木材的密度和强度，调控其减震性能使之符合大型运输容器减震材料要求的可能性。评价材料减震性能的主要指标是抗压强度和比变形能。一般木材抗压试验，主要研究木材压缩破坏前的一段过程，木材发生足够大变形的抗压测试，目前相关报道甚少［2］。

1 材料与方法

试材:吉林大青杨、北京毛白杨、河南泡桐、安徽泡桐、福建柳杉、湖北落叶松，以及福建、安徽、四川、湖南、江西、浙江等不同产地的杉木。浸渍处理材规格为60 mm×60 mm×700 mm，气干。抗压试样尺寸:顺纹试样25 mm(长)×50 mm(宽)×50 mm(高)，横纹试样30 mm(长)×20 mm(宽)×20 mm(高);含水率调控至12%左右;每个指标30 个试件。

自制水溶性浸渍树脂溶液，外观无色透明，固体质量分数52%，pH 值10.5，水混合倍数＞7。

杉木真空加压浸渍处理:首先抽真空－0.095 MPa，保持30 min;将自制增强树脂溶液稀释为质量分数20%，注入处理罐，解除真空;加压0.65 MPa;保压3 h，卸压，出料;气干4～5 d 后，人工干燥至恒质量;最后放入恒温恒湿箱中，调整含水率至12%，备用。

大变形抗压测试:美国产Instron 5582 万能力学试验机，加载速率20 mm/min。横纹抗压强度取径向和弦向的平均值。

2 结果与分析

2.1 木材大变形抗压应力—应变曲线

木材在不同受力方向下的大变形抗压应力—比变形曲线都为三段式［2］，如图1和图2所示。//表示顺纹纵向，⊥表示横纹径向或弦向。第一阶段是细胞发生微小变形，应力与应变呈比例直线上升的弹性变形区域;第二阶段是在越过屈服点之后较宽的变形范围(约60%的比变形)，细胞逐渐被压溃，胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和压屈变形，应变迅速增大而应力变化很小的应力—比变形曲线平坦区域;第三阶段是压缩进行至细胞腔被完全充填，细胞壁相互接触，细胞壁实质物质开始被压缩时，应力随应变的增加而急剧增大的区域。

图1 木材顺纹抗压应力—比变形曲线

图2 木材横纹抗压应力—比变形曲线

通过大变形抗压应力—比变形曲线上应力趋于稳定而应变明显增长的平台阶段，可以评估木材减震性能。胡继青、藏丽华和管宁通过对泡桐木材的减震性能进行研究，于1990年10月在湖南株洲举行的中国林学会木材科学会第二次学术研讨会上发表论文，认为木材大变形抗压测试应力—比变形曲线平台的中部应力，即40%比变形附近的应力，最能代表木材大变形抗压平台应力;如图1所示，设σc为抗压强度，ε1为抗压强度对应的比变形，ε2为从应力σc到应力再次增大到σc对应的变形，σ40为比变形达40%时的应力，应力—比变形曲线平台与横轴围成的面积越大，即比变形能E2=ε2×σ40越大，表示木材的减震性能越好。胡继青、藏丽华和管宁的研究结果表明，ε1与木材密度的相关性不明显，在应力不增应变迅速增大的平台阶段所对应的比变形ε2与木材密度负相关，密度越大，ε2越小;在抗压强度处的比变形ε1范围内的比变形能E1随气干密度增加而增加，且相关显著。这是由于密度越大，木材孔隙率越小，木材被压实的进程越短，在较小比变形处即被压实使应力明显增大。虽然ε2与密度负相关，但由于应力与密度正相关，比变形能E2也随密度增大而增大。

基于以上研究，通过对泡桐木材进行钻孔处理减小密度，从而将泡桐木材用于制备中型运输容器减震器。大型运输容器减震器根据其容量大小，对所用木材的减震性能有更为严格的要求，对所用木材的强度和密度都有严格的限定，既要求较大的抗压强度，又要求适宜的密度，在满足一定抗压强度的前提下要求密度尽可能小。为了充分开发我国资源丰富的人工林木材，用于制备大型运输容器减震器，分别对我国资源丰富的泡桐、柳杉、杉木、毛白杨和落叶松等几种人工林木材进行了大变形抗压测试研究，以检测其减震性能。

2.2 几种人工林木材的减震性能

如图3所示，轻木、泡桐、柳杉、杉木、毛白杨和落叶松6 种木材的顺纹纵向、横纹径向和横纹弦向大变形抗压应力—比变形曲线，都有以下特征:应变迅速增大而应力变化很小的第二阶段即曲线平坦区与横轴围成的面积，大大超过应变随应力成比例增大的第一阶段，即曲线直线上升区与横轴围成的面积。这表明在不同压缩形式下，在应力超过抗压强度(顺纹)或抗压比例极限(横纹)后，都存在很大的比变形能。第二阶段应变增大很快，但应力变化很小，低于顺纹抗压强度或超过横纹抗压极限强度不多，表明这些木材都有着良好的减缓外力冲击的作用，即良好的减震性能。比较不同受力方向下的大变形抗压应力—比变形曲线，横纹的径向曲线(图3)和弦向曲线(图4)相似，但与顺纹纵向曲线(图5)差异明显，顺纹的抗压应力要比横纹的大很多，而且，顺纹抗压曲线在进入平坦区前，存在一个应力峰，这对减震不利。

研究结果表明，泡桐、柳杉、杨木、落叶松和杉木等我国主要人工林木材，在破坏后都有较大的可压缩比变形、抗压强度和可利用的比变形能，都在一定程度上减震性能良好。这与木材的结构和组成密切相关，是其它材料尤其是非生物质材料不能相比的［3－4］。本研究所需大型减震器用木材，要求密度为0.32～0.43 g/cm3，40%比变形处的平均强度为顺纹抗压强度35.8～47.3 MPa、横纹抗压强度7.8～9.6 MPa。对不同产地的多种木材的减震性能测试结果见表1，表中σ//40%和σ⊥40%分别代表木材纵向和横向受压情况下40%比变形处的应力均值。由表1可知，轻木、泡桐和柳杉木材，密度较低(ρ ＜0.30 g/cm3)，抗压强度较小(σ//40%＜23 MPa)，对于抗压强度要求不高、容器尺寸没有太大限制的情况，可考虑作为减震材料;大青杨、毛白杨和落叶松木材，抗压强度较高，大青杨的σ//40%可达37 MPa，但密度较大(ρ ＞0.45 g/cm3)，会增加运输容器质量和运输成本等，难以满足大型运输容器减震器的材料要求;产地不同的杉木1—杉木7，密度差异大，为0.33～0.49 g/cm3，其相应抗震性能也有明显差异，40%比变形处的应力，即σ//40%为29～47 MPa。研究结果表明，密度约为0.40 g/cm3的杉木5，其顺纹和横纹的抗压强度均符合特需大型运输容器减震器的材料要求。

表1 几种人工林木材的密度和大变形抗压强度

图3 不同人工林木材的横纹径向抗压应力—比变形曲线

图4 不同人工林木材的横纹弦向抗压应力—比变形曲线

2.3 改性人工林杉木的减震性能

大型运输容器减震器所需材料，既要求较大的抗压强度，又要求密度不能太大，且减震性能良好。木材属于非均质天然生物质材料，自身固有的变异使得严格满足密度要求的木材资源极其有限，加工生产过程中的浪费损耗也将十分巨大。木材在比变形范围内的比变形能随气干密度增加而增加，但树种不同，比变形能增大程度不同。基于木材浸渍增强改性处理能有效提高木材密度及其物理力学性能［5－6］，本研究利用自配的浸渍增强树脂溶液，通过真空加压浸渍处理，尝试性地对低密度人工林杉木进行针对性的改良处理，以期定向提高其减震性能，从而满足大型运输容器减震器的材料要求。

通过树脂浸渍改性处理可以有效提高杉木密度及其抗压强度［7－8］。对增强改性处理前后的杉木分别进行顺纹和横纹的大变形抗压测试，结果见表2。杉木1 的密度由0.330 g/cm3提高到0.386 g/cm3，其40%比变形处的顺纹大变形抗压强度σ//40%由29.88 MPa 提高到了33.00 MPa，其40%比变形处的横纹大变形抗压强度σ⊥40%由4.31 MPa 提高到了5.57 MPa;杉木2 的密度由0.356 g/cm3提高到0.407 g/cm3，其40%比变形处的顺纹大变形抗压强度σ//40%由33.33 MPa 提高到了39.29 MPa，其40%比变形处的横纹大变形抗压强度σ⊥40%由6.13 MPa 提高到了8.15 MPa。杉木2 的密度和强度基本符合大型运输容器减震器的材料要求。而且，研究表明经过增强处理后的改性杉木的密度和强度的分布范围更小，即改性杉木的密度和强度更趋于一致。可见，对于资源丰富的低密度人工林杉木，通过调整改性溶液质量分数，控制浸渍处理工艺，可以获得满足一定密度和抗压强度要求的改性杉木。因此，可以通过树脂浸渍增强改性，调控人工林 木材的密度和强度，获得制备特需减震器所用木材。

图5 不同人工林木材的顺纹纵向抗压应力—比变形曲线

表2 杉木改性前后的密度和大变形抗压强度

3 结论

通过大变形抗压测试分析几种人工林木材的减震性能，结果表明:泡桐和柳杉木材，密度较低，抗压强度较小，可用于抗压强度要求不高、容器尺寸不大的运输容器减震器;大青杨、毛白杨和落叶松木材，抗压强度较高，但密度也较大，会增加运输容器质量和运输成本;密度为0.40 g/cm3左右的杉木，能满足大型运输容器减震器材料要求，但木材资源极其有限。

利用资源丰富的低密度速生人工林杉木，通过树脂浸渍增强改性处理，提高其密度和强度，所得改性杉木的减震性能能满足大型运输容器减震器的材料要求。通过增强改性处理调控人工林木材减震性能，用于制备大型运输容器减震器，既能解决特定木材的资源供应问题，又能扩大人工林木材的有效利用，还可通过添加功能性助剂满足防腐耐久性等更多使用要求，经济和社会效益重大。

［1］ 李坚.木材科学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

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