木材的软化处理与弯曲技术

怎么软化木材处理与弯曲

1、木材弯曲的原理

木材弯曲时，以中性层为分界形成凹凸两面，在凸面产生拉伸应力，使凸面木材有不同程度的伸长；凹面产生压缩应力，使凹面木材有不同程度的压缩，其应力分布是由表面向中间逐渐减少，中间一层纤维（中性层）既不受拉伸，也不受压缩。当所受的拉伸和压缩应力超过该种材料的拉伸强度极限或压缩强度极限时，木材就遭到破坏。

木材弯曲时，必须研究和了解木材顺纹拉伸与压缩应力的变形规律。

顺纹压缩变形与树种有关，针叶、软阔叶气干材顺纹压缩变形为1%-2%，硬阔叶气干材为2%-3%。这是是由于硬阔叶材各年轮层间有宽而粗的木射线组织，使其连接牢固，因此在变形时不易失去稳定性和产生破坏。

软化处理后可增加木材顺纹压缩和拉伸变形。软化处理使顺纹抗伸形变可稍有增加，一般在1%-2%。但使顺纹压缩变形却比气干材增加很多。经软化处理后硬阔叶材顺纹压缩变形可达25%-30%，针叶材顺纹压缩变形为5%-7%。

不同树种的允许拉伸形变和压缩形变不相同，因而它们的弯曲性能差异很大。用方材厚度（h）和能弯曲的最小曲率半径（R）的比值（h/R）来衡量木材的弯曲性能，即同样厚度的木材能弯曲的曲率半径越小（h/R值越大），则说明该材的弯曲性能越好。弯曲性能主要取决于木材的允许拉伸形变和允许压缩形变系数。木材在弯曲时凸凹两表面产生的最大拉伸形变和最大压缩形变是相等的，因此木材的弯曲性能主要受顺纹拉伸允许形变的限制。为进一步提高木材软化后顺纹压缩的形变，可在方材拉伸面紧贴一条金属条（0.2mm-2.5mm厚）使弯曲时中性层向拉伸面移动，由于金属条承

受了拉伸应力，使凸面木材拉伸变形很小甚至等于0，这样能明显地改善木材的弯曲性能

2、木材顺纹压缩弯曲技术

木材顺纹压缩弯曲是先将木材进行软化处理，然后再进行顺纹弯曲。当水分进入木材细胞壁时，由于水是极性分子，可以与纤维素非结晶区中的羟基和半纤维素中羟基形成新的氢键，加大分子链之间的距离，即增大了自由体积，为分子的运动提供了空间。如果分子的振动不够，即使提供了足够的自由体积空间，也无法完全改变木材的软化条件，只有能量和水作为增塑剂一起作用于木材时，才能有效地使木材实现软化。

木材中的主要成分是纤维素呈线形、长的大分子结构。纤维素大分子由许许多多的葡萄糖单体构成分子链，它们彼此间有的区段纤维素分子链彼此平行，构成结晶区，这决定了纤维素的强度；另一个区段内，纤维素分子链彼此不平行，构成纤维素的非结晶区，这些线形分子链不是笔直成线，而是具有一定的卷曲部分，这使纤维素具有可以伸缩的弹性性能。如果外力的作用小于木材允许的顺纹抗压强度，即应力小于木材的破坏极限时，木材不会产生破坏；如果木材在持续的外力作用下被压缩，当达到压缩率后停止加压，保压一定时间后卸压，在压力解除后，木材的粘弹性特性随即显现出来，在短时间内恢复其弹性变形，但是尚遗留一定量的永久变形，这些永久变形主要是纤维或分子链之间产生纵向位移，在顺纹方向上细胞轴向产生褶皱，这些褶皱比较均匀地集中在轴向细胞的内壁，这将使木材的弯曲性能得到大大地提高。木材在弯曲力矩的作用下，受压面褶皱加大，受拉面的褶皱被展平，因此在允许的形变内可以获得较小的弯曲曲率半径。

3、木材软化处理的方法与机理

软化处理可改善木材的弯曲性能，使木材具有暂时的塑性使弯曲加工得以进行，并在变形状

态下干燥，恢复木材原有的刚性和强度。软化处理方法有：水热处理，高频加热处理及化学药剂处理等。

3.1水热处理（蒸煮法）

水热处理（蒸煮法）软化木材，主要是利用水对纤维素的非结晶区、半纤维素和木素进行润胀，为分子剧烈运动提供自由体积空间，靠由外到里逐渐对木材进行传导加热，使分子获得足够的能量。

组成木材细胞壁的主要成分为：纤维素，半纤维素和木素。木材经水热处理后，一部分半纤维素易分解溶解成液态，纤维素无定型区分子链上的游离羟基吸附水分，使纤维素间隙中水膜增厚，分子间距离增大，吸引力减小，便于在外力作用下产生相对滑移。

木材膨胀形变是水进入到木材的非结晶区内，使木素、半纤维素和纤维素的非结晶区体积膨胀，增大自由体积空间，提高了木材的塑性。加热可以使非结晶区中的木素、纤维素和半纤维素分子能量加大。在水、热的作用下，纤维素非结晶区湿胀，木素呈粘流态，半纤维素失去其联结作用，木材塑性加大。

水热处理方法有汽蒸和水煮两种，水煮方法会使木材含水率增高，弯曲后干燥时间延长。此外因细胞腔内自由水的存在，在弯曲过程中，易产生静压力而造成废品。目前生产中经常采用汽蒸，主要是饱和蒸汽蒸煮。汽蒸时间与弯曲方材的厚度、含水率、树种和要求的塑化程度有关（表1）。蒸煮不足则塑化不好，容易在剧烈弯曲程度下产生破坏；蒸煮过度则顺纹抗拉，使其顺纹抗压强度降低，方材将难以承受在弯曲过程中端面产生的压缩变形而被破坏。所用蒸煮设备应靠近曲木设备，每次蒸煮的木材数量不宜过多，以免表面过分冷却和蒸煮过度。放在蒸煮设备内的木方之间要留出6mm~8mm的间隙，使其均匀受热，缩短蒸煮时间，保证弯曲质量。蒸设备直径一般为250mm～

400mm，不宜太大。锅的长度稍大于弯曲零件的长度。

3.2高频介质加热处理

高频介质加热处理是把弯曲毛料放在高频电场内两个电极板间，反复极化，使分子在这种高频交变电磁场作用下急剧运动而相互摩擦产生热量，从而达到升温加热的目的。在高频加热中，介质吸收电能而发热的能力与介质本身的热传导性无关，而是取决于介质本身的介电特性和电场的电参数，即与介质的损耗因素、电场强度的平方、电场频率成正比。高频电场强度越强、频率越高或介质的损耗因素越大，则极性分子（如水）运动的幅度和次数就越大，摩擦产生的热量也越多，加热和干燥的速度就越快。这是一种有效的软化方法，可以在方材弯曲后真接进入干燥定型工序。高频度加热的频率高于300MHz，弯曲木材受.波导管谐振腔的电磁波辐射场照射。目前常用915MHz 和2450MHz两个频率的设备，在2450MHz的电磁波加热下20mm×10mm（断面）的木材可弯曲到曲率半径为150mm，如在弯曲定型后再用电磁波加热可弯到更小的曲率半径。高频及微波加热快而均匀，可使弯曲与定型两工艺连续进行。

木材软化时间随着功率密度、木材含水率和树种的不同而有很大差异。其中功率密度对软化时间影响最大，它直接决定了木材所得加热功率的大小。功率密度越大，木材加热越快，需要的软化时间就越短。

在木材加热至100℃之前，木材含水率的高低对其加热速度影响较大；木材加热至100℃之后，水分开始大量蒸发，随着加热时间的进一延续，三种不同初含水率的木材在升温速度上差异逐渐缩小。

此外，不同树种的木材，由于介电性质的差异，高频软时间也不同。与木材蒸者法软化相比，高频软化对操作技术要求较高，对加热条件尤其是软化时间的控制要求严格，否则就难以保证软化