名贵硬木家具设计与尺寸稳定性改善

作者:未知

  摘 要:深色名贵硬木多为高档木家具及制品材料,其尺寸稳定性严重影响着制品的质量和价值。本文阐明了深色名贵硬木的尺寸稳定性提高的方法并对家具设计时应该注意的问题进行了说明。
  关键词:深色名贵硬木;尺寸稳定性;木材改性;热处理
  随着人们对生活质量要求的提高,实木家具和地板等产品深受消费者的喜爱。尤其是深色名贵硬木家具及制品,因其材色、纹理美观,强度和硬度极高而深受广大消费者的认可。但名贵硬木密度大,干燥困难,尺寸稳定性较差,在家具制造及使用的过程中常常出现离缝、开裂、变形等问题,造成客户及企业的损失。因此,深色名贵硬木家具设计时要在考虑尺寸稳定性的前提下综合其他因素来进行。
  1 深色名贵硬木
  深色名贵硬木是指QB/T 2385-2008《深色名贵硬木家具》中所述,产于热带、亚热带地区的一类商品木材的统称。这类木材材质有光泽、具特殊香气、硬重、细腻、强度高、密度大、花纹美丽,是制作家具、地板及木制工艺品的优良材料。
  但木材具有吸湿性,其含水率随着环境湿度的改变而增减,同时伴随着木材的干缩与湿胀。木材的干缩与湿胀具各向异性,轴向的干缩湿胀小,弦向的干缩湿胀最大,因此经常会引起木材制品的尺寸变化。制作好的家具会出现变形,甚至产生离缝、开裂、翘曲等问题。
  2 木材尺寸稳定性改善方法
  随着木材科学技术研究的发展,人们已经发明了多种物理、化学或生物的方法来改善木材的性质,提高其尺寸稳定性,延长使用寿命。具体方法包括真空浸渍处理、涂漆、化学改性和表面涂层处理等,[1]这些方法大多使用化学试剂,产品在生产和使用中会产生有毒物质,对环境和人体有害。而木材热处理工艺简单,处理后木材不会对人体和环境产生危害,是一种绿色、环保的木材改性技术。
  2.1 木材稳定性的影响因素
  木材的干缩湿胀是由于水分渗到微纤丝间使其间隙膨胀,从而影响了木材的尺寸变化。因此,通过向木材细胞间隙内添加某种物质,使其在水分降低时不能完全恢复到原来的状态,这样可以提高其尺寸稳定性。此外,减少或除去木材中的亲水羟基,降低木材的吸湿能力,同样可以提高木材的尺寸稳定性。[2]
  2.2 干燥处理提高尺寸稳定性
  木材经过干燥可以提高其加工质量和尺寸稳定性。木材干燥方法很多,按照木材中水分排出的方式分为热力干燥、机械干燥和化学干燥等。热力干燥包括常规窑干[3]和其他特种干燥。[4,5,6,7,8]木材高频真空干燥在低温条件下干燥木材,干燥效率高、质量好。[4,5,6,7]此外,冷冻干燥过程木材中的水由固态冰直接升华为气态,能够较好地保持木材的微观构造。[8,9,10]生产中针对不同材性、加工工艺及质量要求,木材的干燥方法和工艺也不相同。
  2.3 热处理提高尺寸稳定性
  木材高温热处理又称木材炭化。处理温度通常为160℃~250℃,导热介质有蒸汽、氮气或导热油。经高温热处理一段时间后,木材的组成成分发生各种物理化学变化,缓解木材内部生长应力和干燥应力。[11]
  木材热处理始于20世纪早期。芬兰最早采用蒸汽热处理木材,发展至今,其木材热处理生产技术已经比较成熟,市场上应用也最为广泛。德国的热处理技术的介质为热油,这样可以避免空气中的氧气与木材发生接触,且传熱效率较高。热油处理的缺陷是处理过程中木材吸走了大量的热油,不利于其后续机械加工。此外,成本高及废油循环利用环保处理等问题也有待解决。[12]
  法国研发了“Torrefaction”和“Retification”两种工艺。“Torrefaction”技术利用蒸汽来直接处理生材。“Retification”技术以氮气为保护介质,在含氧量低于2%的氮气处理容器内将木材加热至210℃~240℃。但是这项技术对温度的控制要求较高,处理后木材颜色变深,MOR降低约40%,且脆性增加。[13]
  日本最早研究了木材熏烟热处理技术。该技术是燃烧废弃木材,利用在不完全燃烧的状况下释放出来的烟气所携带的热能和多种热分解生成物对木材进行热处理。熏烟热处理工艺可以提高木材的尺寸稳定性、耐久性及其他物理力学性能,且处理材颜色变化相对均匀。[14]
  荷兰的Shell研究开发了“Plato”处理技术,该工艺分为三个阶段:水热解阶段、调整含水率阶段、热处理阶段。处理后木材弦向胀缩率可降低15%~40%,抗弯强度降低5%~18%。其缺点是工艺复杂,处理周期长。[15]
  综合上述热处理技术可知,水蒸气为传热介质最为方便,被广泛应用;而油作为传热介质能达到较高的热处理温度;氮气热处理则要求能够精确地控制热处理温度。这些热处理技术的不利之处是处理后木材强度损失及材色变化较大,处理材的应用受到一定限制。
  2.4 化学处理提高尺寸稳定
  木材化学改性总体上分为细胞壁非反应型和细胞壁反应型两种。细胞壁非反应型改性是在一定条件下,存在于细胞腔和细胞壁内的改性剂自身发生缩合反应,反应物填充细胞间隙。其中石蜡改性、热固性树脂改性和有机单体改性属于这类。细胞壁反应型改性是改性剂与木材细胞壁的组成成分发生化学反应并形成化学键,从而改善提高木材的各项性能。包括乙酰化、糠醇化和氮羟甲基酰胺类化合物改性等。[16]化学处理提高尺寸稳定性需要添加各种化学试剂,对人体和环境都具有一定的危害。
  2.5 其他处理方式
  木材注蜡改性自古就有,在故宫的史料中也有记载。木材注蜡就是将木材放入蜡中熬煮,被煮的木材要全浸泡在蜡里面,在熬煮的过程中,蜡将木材中的水分和部分油脂置换出来后逐步渗透到木材内部。处理后的木材不仅能达到烘干的效果,还能将木材定型。注蜡技术可以显著提高木材的尺寸稳定性,延长时间可以获得较好的处理效果。
  3 家具设计与木材尺寸稳定性   木材的干缩湿胀是影响家具变形、开裂的主要因素。因此,在开展家具设计时要充分考虑材料的自身性质,特别是在家具结构尤其是实木家具结构设计时要重点考虑。针对嵌板、大断面腿足等较宽、较厚的实木零件设计时不仅要在结构设计上限制其收缩,同时要在设计说明里要求采用热处理木材来加工。此外,在家具受力结构处的材料选用上也应该考虑变形和开裂的问题,适当采用改性木材来加工。深色名贵硬木价值高、密度大、因此,这类家具设计时更要注意材料选用和材料的高其尺寸稳定性。
  参考文献:
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  作者简介:姜文静(1997—),女,本科生,主要从事木材干燥预处理研究。
  通讯作者:刘祎,男,讲师,主要从事生命周期评价方面的研究。
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