CN109711014A - 一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法 - Google Patents

一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水热‑微波联合软化处理后木材弯曲挠度（即三点弯曲的位移量）y定量调控的方法。所述方法包括以下步骤：首先是对不同密度x 1 的木材进行水热软化处理（在不同的温度x 2 、不同的时间x 3 条件下）；其次是对其进行微波软化处理（在不同的功率x 4 、不同的时间x 5 条件下）；最后构建水热‑微波软化联合软化处理后木材弯曲挠度定量调控数学模型，得到y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）。所述方法能够实现水热‑微波联合软化处理后木材弯曲挠度的定量调控，操控性好，准确性高，适用面广。

Description

一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建 方法
技术领域
本发明属于木材弯曲挠度定量调控技术领域，具体涉及一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法。
背景技术
对于木材的弯曲处理，木材的软化处理是一个关键的环节。在对木材进行加工利用过程中为了防止破坏的产生，就必须现对木材提前进行软化处理。常温下或未处理状态下木材三大素（纤维素、半纤维素及木质素）均处在玻璃态。若外界给予一定条件使得木材达到玻璃态转化温度或改变微纤丝的排布结构就可以实现对木材的软化。木材的软化处理主要可以分为物理软化（如：水煮、汽蒸、微波、高频介质加热处理等）及化学软化（液氨、气态氨、氨水、联氨、尿素以及碱处理等）两类。物理软化方法主要在于通过温度使木材达到玻璃态的转化温度，在一定的温度范围内给予木材一定的水分及温度，可以使木材的玻璃态转化温度明显降低而又不会对木材本身的基质产生降解。化学软化方法主要是通过无机软化剂的渗透，与木材的纤维素结晶区及纤维素、半纤维素、木质素的非结晶区产生可逆结合，使之膨胀而产生木材的润胀作用，这种化学试剂的润胀效果是水无法达到的。
木材单位体积内的细胞壁实质物质的量越少，软化就相对越容易，反之则困难。木材细胞壁的实质物质的量因树种变化而不同，因此传统的软化方法一个树种或一类性质相近的木材只对应一个特定的软化工艺，没有一套适合绝大多数木材的软化工艺。木材弯曲挠度是指，对木材进行三点弯曲过程中，木材试件在垂直方向上位移量。弯曲挠度值可以直接反应木材的软化效果，即相同木材的弯曲挠度大则软化效果好，小则软化效果较差。因此，构建一个适用于绝大多数弯曲挠度（y）与不同密度（x1）木材在不同水热温度（x2）下处理不同的时间（x3）及不同微波功率（x4）处理不同时间（x5）的软化模型y=f(x1,x2,x3,x4,x5)，将是本发明的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法。
本发明的目的是这样实现的，包括以下具体步骤：
A、预处理：将试验木材试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理，接着在负压状态下保压2-3小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压2-3小时，如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面；
B、水热软化处理：取经过步骤A处理的木材，对不同密度x 1 的木材进行水热软化处理，所述的水热软化处理的温度为x 2 、水热时间为x 3 ，得到经过水热软化处理的木材；
C、微波软化处理：取经过步骤B处理的木材，采用防水膜将木材包好，然后进行微波软化处理，所述的微波软化处理的功率为x 4 ，微波时间为x 5 ，得到经过水热-微波联合软化处理后的木材；
D、构建模型：将步骤C得到的木材进行径向弯曲试验，获取弯曲挠度y，通过回归获取多元回归方程，得到y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所述调控方法能够实现水热-微波联合处理后木材弯曲挠度y的定量调控，工艺流程简单，操控性好，设备通用性强，调控结果准确可靠，树种适用面广，成本经济可控，特别适用于工业化推广应用。
2、本发明将不同木材密度、不同软化工艺条件与木材弯曲挠度y的关系，量化不同木材密度、不同软化工艺条件与木材弯曲挠度间的关系，从而确定适合所有木材弯曲挠度y的软化的工艺条件，为工业生产提供理论指导。
3、本发明构建的回归方程（模型）有效实现木材弯曲挠度的定量调控，在所限定的范围内，任意地给出5个参数的值，那就可以得到一个弯曲挠度y的值；或者反过来，我们给定一个挠度y，还可以倒推出它的工艺条件；从而实现水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的定量调控。
附图说明
图1为本发明实施例1中弯曲挠度y的模型值与实测值之间的关系图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，包括以下具体步骤：
A、预处理：将试验木材试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理，接着在负压状态下保压2-3小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压2-3小时，如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面；
B、水热软化处理：取经过步骤A处理的木材，对不同密度x 1 的木材进行水热软化处理，所述的水热软化处理的温度为x 2 、水热时间为x 3 ，得到经过水热软化处理的木材；
C、微波软化处理：取经过步骤B处理的木材，采用防水膜将木材包好，然后进行微波软化处理，所述的微波软化处理的功率为x 4 ，微波时间为x 5 ，得到经过水热-微波联合软化处理后的木材；
D、构建模型：将步骤C得到的木材进行径向弯曲试验，获取弯曲挠度y，通过回归获取多元回归方程，得到y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）。
进一步的，所述的密度的范围为0.2-1.0 g/cm3。
进一步的，所述的木材的尺寸为轴向100-600mm、弦向10-30mm、径向10-30mm。
进一步的，步骤B中所述的水热软化处理的温度为70-150℃、水热时间为80-240min；步骤C中所述的微波软化处理的功率为400-800 W，微波时间为1-6min。
进一步的，所述的防水膜为2~10层聚氯乙烯薄膜。
进一步的，所述的径向弯曲试验依据中华人民共和国国家标准《木材抗弯强度试验方法》GB1936.1-2009 测试。
进一步的，所述的y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）的具体方程式如下：
y 1 =α0 –α1 x 1 +α2 x 2 +α3 x 3 +α4 x 4 +α5 x 5 ，
其中α0 ~α5的计算值作为系数。
进一步的，所述的y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）的具体方程式如下：
y=34.442-46.382*x 1 + 0.08497*x 2 + 0.02827*x 3 +0.01856*x 4 +0.0302*x 5 （R2=0.9015）。
进一步的，所述的模型构建方法还包括步骤E显著性检验：对步骤D中得到的多元回归方程进行显著性检验，先对弯曲挠度y的多元回归方程拟合效果进行评价，保证5个因子和常量对弯曲挠度y的回归系数均显著。
进一步的，步骤D中所述的多元回归方程在水热-微波联合软化处理后木材挠度的定量调控中的应用，所述的应用具体为取待软化木材，给定x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 的参数值，代入多元回归方程，即可得到待软化木材的弯曲挠度y的模型值；或者给定待软化木材的弯曲挠度y的模型值，即可推算出其水热-微波联合软化处理的工艺条件；从而实现木材挠度的定量调控。
实施例1
实验材料与方法：
A预处理：将试验试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理。负压状态下保压2-3小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压2-3小时。如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面。
B 水热软化处理：
1） 试样树种：白木香、人工林柚木、香椿、天然林柚木、水青冈；不同密度的木材有白木香（Aquilaria sinensis）（气干密度0.40g/cm3）、人工林柚木（Tectona grandis）（气干密度0.50g/cm3）、西南桦（Betula alnoides）（气干密度0.60g/cm3）、天然林柚木（气干密度0.70g/cm3）、水青冈（Fagus longipetiolata）（气干密度0.80g/cm3）；
2） 试样尺寸：长度方向即木材试样的轴向为300mm、宽度方向即木材试样的弦向为20mm、厚度方向即木材试样的径向为20mm。
3） 木材初始含水率：10%
4） 绝对压力：0.01-0.02MPa
5） 处理温度：90～120℃，处理时间120～240min。
6） 处理设备：可控温水浴锅、高压锅。
表1 水热-微波联合处理工艺条件（正交试验）
Tab1. Hydro-thermal treatment processes
。
C 微波软化处理：在B的基础上
1） 试样树种：同上
2） 试样尺寸：同上
3） 木材初始含水率：B后的含水率
4） 绝对压力：0.01MPa
5） 处理功率：400～600W，处理时间4～6min。
6） 处理设备：微波沪。
D 水热-微波联合软化处理后弯曲挠度y的测定：
1） 试样树种：B和C处理后的试样
2） 试样尺寸：同表1
3） 木材初始含水率：C后的含水率
4） 横向弯曲试验依据中华人民共和国国家标准《木材抗弯强度试验方法》GB/T1936.1-2009测试。
实验结果：
通过对木材弯曲挠度y与不同密度x 1 、不同的温度x 2 、不同的时间x 3 、不同的功率x 4 、不同的时间x 5 的分析，得到木材弯曲挠度y关于不同密度x 1 、不同的温度x 2 、不同的时间x 3 、不同的功率x 4 、不同的时间x 5 的多元回归方程（见表2），以实现水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的定量调控。
表3为表2中弯曲挠度y的多元回归方程拟合效果的评价。从表3中可以看出：木材弯曲挠度y关于不同密度x 1 、不同的温度x 2 、不同的时间x 3 、不同的功率x 4 、不同的时间x 5 的多元回归方程中各参数的回归系数均显著。因此，上述多元回归方程可以很好地预测出不同木材的软化效果。
表4为弯曲挠度y的试验值与模型值相互一元回归方程，从回归方程的决定系数上看，说明模型值与试验值之间存在着极显著的直线回归关系。
回归模型构建前：一次试验只能获取一个木材试样的弯曲挠度y的评价。
回归模型构建后：只要给出任意木材密度，就可以对它的弯曲挠度y进行数值上的评价和预测，无需进行大量的试验工作。
由上述实验结果可知，采用本发明所述的方法能在进行大量的试验的条件下，对水热-微波联合软化条件下木材的弯曲挠度y进行精确的设计与控制，模型值与实验值拟合度高，准确可靠。
表2 木材挠度y关于不同密度、不同的水热温度和时间、不同的微波功率和时间的多元回归方程
Tab.2 The multiple regression equation of wood deflection on differentdensity, different hydrothermal temperature and time , different microwavepower and time.
表3 挠度y的多元回归方程拟合效果评价
Tab.3 Evaluation of the fitting effect of multiple regression equationfor deflection
表4 弯曲挠度y的实验值与模型值相互一元回归方程
Tab.4 Regression equations between experimental and model values of thedeflection
实施例2
一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，包括以下具体步骤：
A、预处理：将试验试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理；负压状态下保压2小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压2小时；如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面。
B、水热软化处理：取经过步骤B处理的木材，对不同密度x 1 （0.2-1.0 g/cm3）的木材进行水热软化处理，所述的水热软化处理的温度为x 2 （70-150℃）、水热时间为x 3 （80-200min），得到经过水热软化处理的木材；所述的木材的尺寸为轴向200mm、弦向10mm、径向10mm；
C、取经过步骤B处理的木材，采用2层聚氯乙烯薄膜将木材包好，然后进行微波软化处理，所述的微波软化处理的功率为x 4 （400-800 W），微波时间为x 5 （1-6min），得到经过水热-微波联合软化处理后的木材；
D、构建模型：将步骤C得到的木材分别进行横向弯曲试验，所述的横向弯曲试验依据中华人民共和国国家标准《木材抗弯强度试验方法》GB/T 1936.1-2009测试，获取挠度y，通过回归获取多元回归方程，得到：
y 1 =α0 –α1 x 1 +α2 x 2 +α3 x 3 +α4 x 4 +α5 x 5 ，
其中α0 ~α5的计算值作为系数；
E、显著性检验：对弯曲挠度y的多元回归方程拟合效果进行评价，说明5个因子和常量对挠度y的回归系数均显著；
F、定量调控：取待软化木材，给定x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 的参数值，代入回归方程，即可得到待软化木材的弯曲挠度y的模型值；或者给定待软化木材的弯曲挠度y的模型值，推算出其水热-微波联合软化处理的工艺条件。
实施例3
一种水热-微波联合软化处理后木材挠度的模型构建方法，包括以下具体步骤：
A预处理：将试验试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理；负压状态下保压3小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压3小时；如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面。
B、水热软化处理：取经过步骤A处理的木材，对不同密度x 1 （0.2-1.0 g/cm3）的木材进行水热软化处理，所述的水热软化处理的温度为x 2 （70-150℃）、水热时间为x 3 （80-240min），得到经过水热软化处理的木材；所述的木材的尺寸为轴向400mm、弦向30mm、径向30mm；
C、取经过步骤B处理的木材，采用10层聚氯乙烯薄膜将木材包好，然后进行微波软化处理，所述的微波软化处理的功率为x 4 （400-800 W），微波时间为x 5 （1-6min），得到经过水热-微波联合软化处理后的木材；
D、构建模型：将步骤C得到的木材进行横向弯曲试验，所述的横向弯曲试验依据中华人民共和国国家标准《木材横纹抗压试验方法》GB/T 1936.1-2009测试，获取挠度y，通过回归获取多元回归方程，得到：
y=α0 –α1 x 1 +α2 x 2 +α3 x 3 +α4 x 4 +α5 x 5 ，
其中α0 ~α5的计算值作为系数；
E、显著性检验：对弯曲挠度y的多元回归方程拟合效果进行评价，说明5个因子和常量对挠度y的回归系数均显著；
F、定量调控：取待软化木材，给定x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 的参数值，代入回归方程，即可得到待软化木材的弯曲挠度y的模型值；或者给定待软化木材的挠度y的模型值，推算出其水热-微波联合软化处理的工艺条件。

Claims (10)

1.一种水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于包括以下具体步骤：
A、预处理：将试验木材试件置于真空罐内，注入没过试件的常温清水，利用真空泵抽真空处理，接着在负压状态下保压2-3小时后迅速卸压，再通过空压机加压并保压2-3小时，如此往复，直至试件彻底饱水，不再漂浮于水面；
B、水热软化处理：取经过步骤A处理的木材，对不同密度x 1 的木材进行水热软化处理，所述的水热软化处理的温度为x 2 、水热时间为x 3 ，得到经过水热软化处理的木材；
C、微波软化处理：取经过步骤B处理的木材，采用防水膜将木材包好，然后进行微波软化处理，所述的微波软化处理的功率为x 4 ，微波时间为x 5 ，得到经过水热-微波联合软化处理后的木材；
D、构建模型：将步骤C得到的木材进行径向弯曲试验，获取弯曲挠度y，通过回归获取多元回归方程，得到y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）。
2.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的密度的范围为0.2-1.0 g/cm3。
3.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的木材的尺寸为轴向100-600mm、弦向10-30mm、径向10-30mm。
4.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于步骤B中所述的水热软化处理的温度为70-150℃、水热时间为80-240min；步骤C中所述的微波软化处理的功率为400-800 W，微波时间为1-6min。
5.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的防水膜为2~10层聚氯乙烯薄膜。
6.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的径向弯曲试验依据中华人民共和国国家标准《木材抗弯强度试验方法》GB1936.1-2009 测试。
7.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）的具体方程式如下：
y 1 =α0 –α1 x 1 +α2 x 2 +α3 x 3 +α4 x 4 +α5 x 5 ，
其中α0 ~α5的计算值作为系数。
8.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的y=f（x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ）的具体方程式如下：
y=34.442-46.382*x 1 + 0.08497*x 2 + 0.02827*x 3 +0.01856*x 4 +0.0302*x 5 （R2=0.9015）。
9.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的模型构建方法，其特征在于所述的模型构建方法还包括步骤E显著性检验：对步骤D中得到的多元回归方程进行显著性检验，先对弯曲挠度y的多元回归方程拟合效果进行评价，保证5个因子和常量对弯曲挠度y的回归系数均显著。
10.根据权利要求1所述的水热-微波联合软化处理后木材弯曲挠度的定量调控方法，其特征在于步骤D中所述的多元回归方程在水热-微波联合软化处理后木材挠度的定量调控中的应用，所述的应用具体为取待软化木材，给定x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 的参数值，代入多元回归方程，即可得到待软化木材的弯曲挠度y的模型值；或者给定待软化木材的弯曲挠度y的模型值，即可推算出其水热-微波联合软化处理的工艺条件；从而实现木材挠度的定量调控。
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