热处理工艺对竹材蠕变的影响范文

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1试验方法

1．1竹材热处理工艺将待处理竹片放入热处理烘箱内，将竹片有序置于木材隔条上，防止竹片与温度过高的金属支架接触。根据实验室热处理工艺［7］，以热空气为介质对竹片进行高温热处理试验，由于竹片量较小，因此未对其进行喷蒸处理。试验时，首先在5～10min内将烘箱内温度升至60～70℃并保持30min，目的是通过加热提高竹材内部的温度，使竹片热透，并加速内部水分向表层移动，促进水分的均匀分布，消除应力，防止竹片变形;再将烘箱温度以5℃/min的升温速度升至100℃左右，保持2h;最后以5℃/min的速度升至目标温度。控制升温速度可以防止竹片开裂。本研究采用的热处理温度为140，180和220℃，热处理时间为2，4和6h，每种热处理工艺下制备3个试件，热处理后将竹片置于温度(20±2)℃、相对湿度(65±5)%的恒温恒湿箱中，使其达到平衡含水率后放入蠕变试验机进行蠕变性能测定。

1．2蠕变性能测试参照GB/T15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》测得未处理竹材试件的抗弯破坏载荷均值为513N。蠕变试验在温度为25℃、相对湿度为38%～70%的条件下进行，采用3点弯曲的加载方式，试件两支点间距为100mm。中间加载载荷为最大破坏载荷的50%，设定为250N，加载时间为72h，采用斜波应力加载到20N，并以此为位移的零位，在1min内加载到所需的应力，在该应力水平下测量试验全过程的蠕变柔量，采用数字式位移控制器采集并自动记录于蠕变测试软件中，每隔120s收集1次数据，蠕变测试仪如图1所示。

2结果与分析

2．1热处理时间对竹材蠕变柔量的影响图2为不同热处理温度和热处理时间下竹材的蠕变性能对比结果。由图2(a)可知，热处理温度为140℃时，蠕变柔量随热处理时间增加而减少。在受力72h内，热处理2h的竹材蠕变柔量最大，为3．12mm;热处理4h为2．46mm;热处理6h仅为1．72mm。其蠕变主要分为两个阶段:首先是减速蠕变阶段，在加载瞬间产生弹性变形，并随加载时间的延续而连续进行，但变形速率不断降低。在250N载荷下，热处理2和4h的弹性变形曲线较为接近，减速蠕变时间在加载后3～5h;而热处理6h，减速蠕变时间为8h内，产生的蠕变柔量较小。其次为恒定蠕变阶段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，蠕变柔量随加载时间增加而缓慢增加。由图2(b)可知，与热处理140℃相比，180℃热处理2h的竹材最大蠕变柔量下降1．53mm，热处理4h下降0．56mm，而热处理6h的竹材蠕变柔量变化较小。三者的减速蠕变时间较为接近，约为6h。热处理温度180℃的竹材恒定蠕变阶段的蠕变速率大于140℃条件，其蠕变柔量由140℃热处理随热处理时间增加而降低，向220℃热处理随热处理时间增加而增加转变过渡。从图2(c)可知，当热处理温度为220℃时，热处理时间2，4和6h的竹材最大蠕变柔量分别为1．55，1．72和1．70mm，蠕变柔量随热处理时间增加而逐渐增大，热处理2，4和6h的减速蠕变时间分别为加载后1，16和10h。在恒定蠕变阶段，热处理4和6h的竹材蠕变柔量变化较为接近，热处理4h竹材变形速率大于2和6h热处理。根据Poncsák和Awoyemi的研究结论，当热处理温度达到220℃时，一方面，纤维素和半纤维素会产生降解，细胞壁变薄，呈网状疏松状，导致竹材的密实度降低，进而引起力学强度的下降;另一方面，热处理过程中随着温度的升高，半纤维素被大量降解，同时作为骨架物质的纤维素也发生降解，塑性降低。因此，在热处理温度为140℃时，蠕变柔量随热处理时间的增加而下降;当热处理竹材温度超过160℃时，纤维素中的木聚糖与甘露聚糖出现了结晶化，导致结晶度增大，竹材内部结晶区晶层距离变小，结晶区变大，结晶结构变得更为紧凑［12］，因而其蠕变变形速率和蠕变柔量均出现了增大现象。

2．2热处理温度对竹材蠕变柔量的影响图3为不同热处理时间和热处理温度下竹材蠕变性能测试结果。由图3(a)(b)可知，热处理2和4h时，竹材的蠕变柔量随热处理温度增加而降低，热处理180和220℃的竹材蠕变柔量相比140℃时下降较大。热处理温度为140℃时，竹材热分解速度缓慢，综纤维素、α－纤维素和酸不溶木素含量相对于未处理材变化大不;当温度高于180℃时，综纤维素和α－纤维素含量呈逐渐下降趋势［12］，而综纤维素、α－纤维素与失重率呈显著相关;热处理温度在120～160℃之间，失重率增加缓慢;随着热处理温度的升高，在160～220℃，失重率显著增加［13］。因此，温度高于180℃时热处理2和4h。由于纤维素的降解、热处理后的失重会降低竹材塑性，竹材的蠕变柔量相比140℃热处理时降低较大，并随温度升高逐渐降低。由图3(c)可知，当热处理6h时，竹材的蠕变柔量随热处理温度的升高而增加，与图3(a)中热处理2h相比，低温热处理时蠕变柔量随热处理时间增加逐渐减小，而高温热处理时竹材的蠕变柔量在前2h增加较快，继续高温热处理，其蠕变柔量缓慢增加。在热处理6h时，随着热处理温度的升高，竹材内部的化学成分发生降解。在半纤维素中，尤其是多糖醛发生化学反应生成聚合物，半纤维素在细胞壁中的粘结作用减弱，削弱了纤维素与木素之间的连接强度;同时纤维素分子链受热易形成醚链，降低纤维素的结晶度，木质素开始降解，逐渐失去对纤维素强度的支撑作用［14］。因此，在220℃热处理后期蠕变柔量缓慢增加。

3结论

(1)当热处理温度为140℃时，蠕变柔量随热处理时间的增加而减少。在250N载荷下，热处理2和4h时弹性变形阶段较为接近，减速蠕变时间在加载后3～5h;而热处理6h，减速蠕变时间为8h内。当热处理温度为180℃时，蠕变柔量由140℃随热处理时间增加而降低，向220℃随热处理时间增加而增加转变过渡;当热处理温度为220℃时，蠕变柔量和蠕变变形速率均随热处理时间的增加而增加。热处理2，4和6h的减速蠕变时间分别为加载后1，16和10h，在恒定蠕变阶段，热处理4和6h的蠕变柔量变化较为接近。(2)热处理时间为2和4h时，蠕变柔量随热处理温度升高而降低。而热处理时间6h时，蠕变柔量随热处理温度的升高而增大。热处理时间2和4h时，热处理180和220℃的竹材蠕变柔量相比140℃时下降较大。低温热处理时蠕变柔量随热处理时间的增加逐渐减小，而高温热处理时竹材的蠕变柔量在前2h时增加较快，继续进行高温热处理，其蠕变柔量则缓慢增加。(3)根据竹材蠕变特性分析，热处理温度180℃，热处理时间4h较适用于竹制品热处理改性。该工艺是由竹材弹塑性下降导致蠕变柔量降低，转变为热处理过度引起竹材脆性增加导致蠕变柔量反弹升高的转折点，既达到热处理调色目的，又保证了其仍具有一定黏弹性。

作者：章卫钢 谢大原 李延军 张宏 金敏 单位：浙江农林大学 浙江省木材科学与技术重点实验室 浙江大庄实业集团有限公司