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【干货】如何预防木材变形、开裂

木材变形、开裂是木材的一大缺陷。造成木材变形开裂的原因虽然比较复杂,但归纳起来主要有两点:一是内因,二是外因。

一、内因

木材变形开裂的发生与木材构造有密切关系。因为木材在构造上是一种非均一的有机体,既具有向异性,又具有多孔性。木材的这种性质,是由构成木材细胞的形状、构造和排列方式造成的。


木材细胞内含物的含量很少,约为总含量的2-3,仅影响着木材的颜色、气味或耐久性等,对木材的变形、开裂等重要物理性,则影响甚微。就木材细胞的形状来看,长、宽相差很大。如针叶材的管胞,其长度平均约为宽度的75-200倍。


构成木材细胞的大量而主要的部分是细胞壁,约占绝干木材重量的96%,主要由纤维素、木素和半纤维素等高分子有机物所组成。细胞壁则又由更小的分子单位—微细纤维所组成。细胞壁中的微细纤维,大多数又是和细胞的长轴方向排列一致。


基于上述原因,就形成了木材在构造上的异性不一致,同时,也就形成啦木材-系列的物理、力学性质上的向异性。以干缩为例、木材的纵向全干缩率平均约0.1-0.3%;横纹径向约为3-5%;横纹旋弦向约为6-10%。


造成木材变形开裂的原因,还与木材的多孔性以及亲水性有关。木材中的孔隙不仅在细胞腔和细胞间隙中大量存在,而且在组成细胞壁的微细纤维中,也存在一定数量的孔隙。其孔隙都为水分所占据。存在于细胞腔和细胞间隙中的水分,称为自然水分;存在细胞于细胞壁微细纤维的水分,称为胞壁水。


在木材进行干燥时,最容易并首先蒸发的是自由水。在自由水蒸发完毕之后,才开始蒸发胞壁水。当自由水蒸发完毕,细胞壁微细纤维中的胞壁水尚在饱和状态时,称为纤维饱和点这时的含水率约为23-33%,平均约为30%。


当含水率在纤维饱和点以上时,水分的增减变化只发生在细胞腔内或细胞壁间隙间,木材的形体不发生变化。只有纤维饱和点以下,木材中水分增加或减少时,才会造成木材的膨胀或收缩。此时,木材中水分增减变化是发生在细胞壁内。当细胞壁水蒸发而减少时,由于构成细胞的微细纤维相互靠拢、收紧,而使细胞壁薄,细胞体积缩小,因而引起木材整体的变小—干缩,直到胞壁中的水分全部蒸发完,木材达到绝干,收缩才告终止。相反;在纤维饱和点以下的木材,当吸收水分时,随着水分不断的渗入细胞壁微细纤维间,使微细纤维涨开,则胞壁变厚、细胞体积变大,从而造成木材整个体积变大,形成木材湿胀。


从以上分析可以看出;1.细胞壁微细纤维间的孔隙设计胞壁水存在的场所,而胞壁水的增减变化,则是引起木材细胞以及整体变形包扣膨胀、收缩以及弯曲、开裂等的原因;2.木材细胞的构造、形状和排列方式,是造成木材横向收缩显著大于纵向收缩,并常沿纵向开裂的原因。


二、外因

导致木材发生翘曲、开裂的原因,除与木材本身的构造特点有关外。还与一定的外届环境条件有很大关系。例如,把湿的中薄板材宽面放近火炉,只进行单面烘烤时,这些板材很快就发生弯曲形;远离火源的板材则不会这样。又如,在露天烈日高温暴晒下存放的木材,容易变形开裂,但在室内存放时,则不容易发生变形开裂。


另外,营设备良好的窑干燥木材,不仅可以缩短木材干燥的时间,而且可以保证木材干燥的质量。相反,若把木材放在大气中进行气干时,不仅干燥时间长而且质量差。


此外我们还可以看到,生长期间的树木,当局部树皮发生偏枯时,久之则会在干枯的部位发生开裂。


从以上大量事实说明,引起木材不均匀干燥、不均匀收缩的条件,是造成木材变形与开裂的外因。因此,原木进行露天存放时,若不去皮,可防止材身纵裂;当端部涂刷某些防水涂料时如沥青、重油混合涂料,桐油、石灰混合涂料,聚醋酸乙烯乳液等,则可以预防上部木材变形开裂。


有些立木的裂纹也可能由其它原因引起,如分布于东北原始林区的白皮榆,在离地面一米高的干形内,由于凸凹及夹皮关系,可形成纵横交错的各种条纹俗称大花脸。


三、木材弯曲开裂表现形式及其规律

木材弯曲开裂,既有一定的表现形式又有一定的表现规律。主要表现在以下几个方面;


(一)与材种的关系

1.一般来说,硬度大容积重大的木材硬度低、容积重小的木材容易变形开裂。这主要是因为容积重大的木材胞壁比较厚,收缩性比较大的缘故。如针叶材中的落叶松、蒙古栎、榆树,都是容易发生变形开裂的树种。但据有人研究,这一关系对有些树种出入较大,如椴木的容积重虽比桦木小3分之1,其收缩都和桦木差不多。


2.木射线是由薄壁细胞组成的薄壁组织,比较脆弱。因此,木材干缩时很容易在这里开裂。这种现象在柞木上表现最甚,存放时间较久的原木端面,尤为明显。


3.几种木材常识针叶树种木材容易变形开裂


4.开裂很容易沿年轮交界处发生,端头尤其如此


(二)与木材部位的关系

1.心材部分较边材部分容易开裂


2.节子较正常部位的木材容易开裂


3.同一根原木和同一块制材(包括去皮后的原木)。越靠近端头和表面的部分,越容易开裂。规格越大的木材,这种现象表现程度越厉害


4.弦切面较径切面容易变形的开裂


(三)与材种、规格的关系

1.原木:带皮原木一般只发生端裂(主要为轮裂和径裂);去皮原木,除可发生端裂以外,也常发生的纵裂,具有扭转纹的原木,则可发生斜裂(扭转变形)


2.材质(成材或锯材):小尺寸的板(薄板和比较薄的中板)、方才(小方),在干燥过程中不容易开裂,但干燥不当,造成不均匀收缩时,容易变形。在小方中,最多常见的为长向(纵向)顺弯或不规则的弯斜;在薄板和较薄的中板中,最常见的变形有顺弯、横弯、卷瓦形弯曲(又称翘弯),以及在同一平面上的变形等。


(四)与木材结构、纹理关系

木材变形的方式以及开裂时裂纹的走向,都与木材的结构,特别是木材的纹理关系甚密。


1.由于组成木材的细胞中,除木射线细胞在树干中呈横向排列外,其他绝大多数细胞都呈纵向排列。因此,去皮原木材身及制材表面多为纵向开裂


2.原木和制材容易产生端部轮裂和径裂。不仅制材轮裂沿木纹向纵向开裂很长,即是带皮原木,轮裂有时也很严重,。制材径切板一般为纵向裂纹;弦切板除产生纵裂外,还常沿纹理呈斜向开裂、抛物线形开裂。在节子周围,还常发生乱纹开裂、涡纹开裂、环节开裂,以及裂纹和板材纵长垂直的横向开裂。某些容易发生开裂数种的弦切板,当开裂严重时,板面木纹裂纹和端而轮裂可联通一起,形成层状开对木材危害极大。另外,具有扭转纹的去皮木原木,常沿扭转纹开裂。


3.具有偏宽年轮、扭转纹、乱纹、涡纹构造的板材(主要是中薄板),干燥时容易产生不规则的翘扭变形


(五)与贮存、干燥方式的关系

阳光暴晒、风吹雨淋、时干时湿,在不良环境条件下零乱置放,都会发生开裂变形。


四、预防木材变形开裂的方法

(一)选择适宜树种

(二)选用结构良好、纹理正常的木材

(三)加工采用径切板径切板收缩变形较小。板材越窄时越不容易变形开裂。因此木产品避免使用过宽的板面。利用加工中产生的变形开裂,而且提高了木材利用率,节约了大材、好材。

(四)注意加工方法:加工包括原木加工和大规格方材加工。科学的加工方法应当是

1. 避免造成人为斜纹

2.已开裂和夹皮严重的原木(大方材),可采取集中剔除的下锯方法,便裂纹、夹皮(尤其是内夹皮)集中在个别或少量的板面上,切忌块块都有裂纹

(五)注意干燥方法,搞好贮存管理


1.木材尽量贮存于棚内,若在屋外存放时,可在材垛顶部与周围进行遮掩,避免日晒和风吹雨淋。为了预防材身开裂,长期露贮存时最好不去皮。但对已遭受病虫侵害的原木和不易开裂的树种,为了较快的干燥,可采用留苇皮的办法(只把树干表面的木栓层剔去,留下柔软的苇皮);对于某些树皮透水性很差,干燥困难,又容易腐朽的树种,也可以采用斑状剥皮法(在原木上每隔一定的距离,剥去一部分树皮,使留在树干上的树皮成网状、条状)在原木两端留10-375px的树皮圈,则可减少端部开裂


2.注意码垛。无论是制材或原木都应保持材垛整齐,并具有一定的高度。这样既能提高贮存能力,同时又能缩小木材外露的部分,较小木材开裂变形。为防止木材发霉变质,板材垛内隔一定层数。


3.铁丝捆扎和防裂器法。用粗铁丝(一般为8号铁丝)将木材两端捆紧即可。此方法简单实用,尤以跳板、枕木用者颇多。原木和大方材除可用铁丝捆扎两端外,还可将“S”或“C”形铁质防裂器钉入木材端头,也可防止木材端头,也可以防止也可以防止木材端部裂开


4.端面涂刷防裂剂。在木材端面涂刷某些防裂涂料,如石蜡、沥青、重油混合涂料,桐油、石灰混合涂料等,能防止木材端面水分发生变化而产生开裂。但此法一般只用于一些珍贵木材。


5.高温处理木材。将木材(成材)进行窑干,使其含水率降至5-6%。但这种木材仍以及时使用或短期防潮贮存为好。


6. 涂刷油漆。木制产品涂刷后在表面形成一层薄膜保护,可以隔绝木材和大气的接触,减小木材的吸湿和干燥。但涂刷油漆的木器必须干燥,否则涂刷油漆后会发生脱漆


(六)利用胶合板、纤维板、刨花板代替木板。

三板由于组织结构大改变、木材的吸湿性和胀缩性等都有很大的改善,具有不易变形开裂的优点,是木板的良好代用材


(七)水贮法及其原理。

贮不仅可以防止木材贮存期间发生开裂变形,而且经较长时间水贮后,干燥容易,不易开裂变形


(八)用树脂和其他化学物质处理木材

用加压寖注以及涂刷等方法,将某些合成树脂和其他化学物质处理材,使这些物质充入细胞,取代细胞壁中的水分,或使干燥的木材表面形成化学物质薄膜,防止木材中的水分变化,从而使木材胀缩变小,不发生变形开裂。例如用酚醛树脂,便具有这种性能。若将干燥至含水率6-8的薄板,用酚醛树脂或脲醛树脂后,并将这些薄板叠在一起,经高温压成为木材层压塑料。这种材料既不开裂变形,又有很高的强度和硬度,不仅具有耐磨性和防磁性,而且还可用于纺织以及代替金属,制造轴、瓦齿轮、螺旋桨、造船等。将聚乙二醇,笨乙烯甚至液态合金(如铅,铋、镉和锑的合金)用压力注入木材,也可以到稳定尺寸,防止开裂变形效果。


(九)加强木材周转更新,避免木材长期贮存预防


欲变家具,木材闯三关


第一阶段:干燥窑

因为针叶材和阔叶材的密度不同,材质和结构有差异,采用不同的干燥基准。


针叶林采用较硬的干燥基准表和较快的干燥方法(针叶材一般密度小,材质软,结构均匀,纹理直,干缩量不大,水分传导性能好,因此容易干燥,干燥过程中含水率梯度和内应力都不会过大,不易产生开裂和变形等缺陷)

阔叶林采用较软干燥基准表和较缓慢的干燥方法(其特点是密度大,材质坚硬,干缩量大,水分移动得慢,容易出现较大的含水率梯度和较大的内应力,在干燥过程中,容易产生开裂、变形或水分不均等缺陷),加长干燥周期,虽然干燥费用提高了,但是能保证木材干燥质量。


第二阶段:木材养生

经过干燥窑后的板材需要一段时间的自然时效养生,只有经过养生过的木板,才是韧性最强的。


方法是板材按干燥堆垛的方法堆积,放置在干板棚内陈放,养生期与树种、厚度、干燥软硬基准等因素有关,一般用于实木家具生产的硬木养生期宜在20天以上,以去除板材内部残余应力,进一步平衡木材内的含水率(国家标准规定放置2~7天是最起码时间,但要求干板库内湿度控制在40%~50%,温度控制在35~40度)。

第三阶段:平衡窑

木材在加工之前,经过干燥窑,自然养生后,还要在干燥窑内进行强制含水率平衡(二次干燥处理)。可减少成品的翘曲和开裂,使整窑木材含水率偏差控制在家具要求的2%左右。


平衡窑工序不仅仅用于进车间的板材,对拼板车间加工好的实木拼板和集成材也进行强制的含水率平衡处理,可有效防止因水份不均造成的部件变形开裂。


平衡时窑内干球温度控制在50度左右,温度过高易开裂,湿球温度应根据木材的最终含水率而定。


平衡时间根据木材的厚度与含水率情况等而定(对于30mm厚的硬阔叶材,处理时间一般为72小时)。


木材进行加工之前经过干燥,养生,平衡这三道最最重要的工序,保证了家具的稳定性。



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