熱處理工藝對竹材蠕變的影響范文

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1試驗方法

1．1竹材熱處理工藝將待處理竹片放入熱處理烘箱內，將竹片有序置于木材隔條上，防止竹片與溫度過高的金屬支架接觸。根據實驗室熱處理工藝［7］，以熱空氣為介質對竹片進行高溫熱處理試驗，由于竹片量較小，因此未對其進行噴蒸處理。試驗時，首先在5～10min內將烘箱內溫度升至60～70℃并保持30min，目的是通過加熱提高竹材內部的溫度，使竹片熱透，并加速內部水分向表層移動，促進水分的均勻分布，消除應力，防止竹片變形;再將烘箱溫度以5℃/min的升溫速度升至100℃左右，保持2h;最后以5℃/min的速度升至目標溫度。控制升溫速度可以防止竹片開裂。本研究采用的熱處理溫度為140，180和220℃，熱處理時間為2，4和6h，每種熱處理工藝下制備3個試件，熱處理后將竹片置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±5)%的恒溫恒濕箱中，使其達到平衡含水率后放入蠕變試驗機進行蠕變性能測定。

1．2蠕變性能測試參照GB/T15780—1995《竹材物理力學性質試驗方法》測得未處理竹材試件的抗彎破壞載荷均值為513N。蠕變試驗在溫度為25℃、相對濕度為38%～70%的條件下進行，采用3點彎曲的加載方式，試件兩支點間距為100mm。中間加載載荷為最大破壞載荷的50%，設定為250N，加載時間為72h，采用斜波應力加載到20N，并以此為位移的零位，在1min內加載到所需的應力，在該應力水平下測量試驗全過程的蠕變柔量，采用數字式位移控制器采集并自動記錄于蠕變測試軟件中，每隔120s收集1次數據，蠕變測試儀如圖1所示。

2結果與分析

2．1熱處理時間對竹材蠕變柔量的影響圖2為不同熱處理溫度和熱處理時間下竹材的蠕變性能對比結果。由圖2(a)可知，熱處理溫度為140℃時，蠕變柔量隨熱處理時間增加而減少。在受力72h內，熱處理2h的竹材蠕變柔量最大，為3．12mm;熱處理4h為2．46mm;熱處理6h僅為1．72mm。其蠕變主要分為兩個階段:首先是減速蠕變階段，在加載瞬間產生彈性變形，并隨加載時間的延續而連續進行，但變形速率不斷降低。在250N載荷下，熱處理2和4h的彈性變形曲線較為接近，減速蠕變時間在加載后3～5h;而熱處理6h，減速蠕變時間為8h內，產生的蠕變柔量較小。其次為恒定蠕變階段，此階段蠕變變形速率隨加載時間的延續而保持恒定，蠕變柔量隨加載時間增加而緩慢增加。由圖2(b)可知，與熱處理140℃相比，180℃熱處理2h的竹材最大蠕變柔量下降1．53mm，熱處理4h下降0．56mm，而熱處理6h的竹材蠕變柔量變化較小。三者的減速蠕變時間較為接近，約為6h。熱處理溫度180℃的竹材恒定蠕變階段的蠕變速率大于140℃條件，其蠕變柔量由140℃熱處理隨熱處理時間增加而降低，向220℃熱處理隨熱處理時間增加而增加轉變過渡。從圖2(c)可知，當熱處理溫度為220℃時，熱處理時間2，4和6h的竹材最大蠕變柔量分別為1．55，1．72和1．70mm，蠕變柔量隨熱處理時間增加而逐漸增大，熱處理2，4和6h的減速蠕變時間分別為加載后1，16和10h。在恒定蠕變階段，熱處理4和6h的竹材蠕變柔量變化較為接近，熱處理4h竹材變形速率大于2和6h熱處理。根據Poncsák和Awoyemi的研究結論，當熱處理溫度達到220℃時，一方面，纖維素和半纖維素會產生降解，細胞壁變薄，呈網狀疏松狀，導致竹材的密實度降低，進而引起力學強度的下降;另一方面，熱處理過程中隨著溫度的升高，半纖維素被大量降解，同時作為骨架物質的纖維素也發生降解，塑性降低。因此，在熱處理溫度為140℃時，蠕變柔量隨熱處理時間的增加而下降;當熱處理竹材溫度超過160℃時，纖維素中的木聚糖與甘露聚糖出現了結晶化，導致結晶度增大，竹材內部結晶區晶層距離變小，結晶區變大，結晶結構變得更為緊湊［12］，因而其蠕變變形速率和蠕變柔量均出現了增大現象。

2．2熱處理溫度對竹材蠕變柔量的影響圖3為不同熱處理時間和熱處理溫度下竹材蠕變性能測試結果。由圖3(a)(b)可知，熱處理2和4h時，竹材的蠕變柔量隨熱處理溫度增加而降低，熱處理180和220℃的竹材蠕變柔量相比140℃時下降較大。熱處理溫度為140℃時，竹材熱分解速度緩慢，綜纖維素、α－纖維素和酸不溶木素含量相對于未處理材變化大不;當溫度高于180℃時，綜纖維素和α－纖維素含量呈逐漸下降趨勢［12］，而綜纖維素、α－纖維素與失重率呈顯著相關;熱處理溫度在120～160℃之間，失重率增加緩慢;隨著熱處理溫度的升高，在160～220℃，失重率顯著增加［13］。因此，溫度高于180℃時熱處理2和4h。由于纖維素的降解、熱處理后的失重會降低竹材塑性，竹材的蠕變柔量相比140℃熱處理時降低較大，并隨溫度升高逐漸降低。由圖3(c)可知，當熱處理6h時，竹材的蠕變柔量隨熱處理溫度的升高而增加，與圖3(a)中熱處理2h相比，低溫熱處理時蠕變柔量隨熱處理時間增加逐漸減小，而高溫熱處理時竹材的蠕變柔量在前2h增加較快，繼續高溫熱處理，其蠕變柔量緩慢增加。在熱處理6h時，隨著熱處理溫度的升高，竹材內部的化學成分發生降解。在半纖維素中，尤其是多糖醛發生化學反應生成聚合物，半纖維素在細胞壁中的粘結作用減弱，削弱了纖維素與木素之間的連接強度;同時纖維素分子鏈受熱易形成醚鏈，降低纖維素的結晶度，木質素開始降解，逐漸失去對纖維素強度的支撐作用［14］。因此，在220℃熱處理后期蠕變柔量緩慢增加。

3結論

(1)當熱處理溫度為140℃時，蠕變柔量隨熱處理時間的增加而減少。在250N載荷下，熱處理2和4h時彈性變形階段較為接近，減速蠕變時間在加載后3～5h;而熱處理6h，減速蠕變時間為8h內。當熱處理溫度為180℃時，蠕變柔量由140℃隨熱處理時間增加而降低，向220℃隨熱處理時間增加而增加轉變過渡;當熱處理溫度為220℃時，蠕變柔量和蠕變變形速率均隨熱處理時間的增加而增加。熱處理2，4和6h的減速蠕變時間分別為加載后1，16和10h，在恒定蠕變階段，熱處理4和6h的蠕變柔量變化較為接近。(2)熱處理時間為2和4h時，蠕變柔量隨熱處理溫度升高而降低。而熱處理時間6h時，蠕變柔量隨熱處理溫度的升高而增大。熱處理時間2和4h時，熱處理180和220℃的竹材蠕變柔量相比140℃時下降較大。低溫熱處理時蠕變柔量隨熱處理時間的增加逐漸減小，而高溫熱處理時竹材的蠕變柔量在前2h時增加較快，繼續進行高溫熱處理，其蠕變柔量則緩慢增加。(3)根據竹材蠕變特性分析，熱處理溫度180℃，熱處理時間4h較適用于竹制品熱處理改性。該工藝是由竹材彈塑性下降導致蠕變柔量降低，轉變為熱處理過度引起竹材脆性增加導致蠕變柔量反彈升高的轉折點，既達到熱處理調色目的，又保證了其仍具有一定黏彈性。

作者：章衛鋼 謝大原 李延軍 張宏 金敏 單位：浙江農林大學 浙江省木材科學與技術重點實驗室 浙江大莊實業集團有限公司