谈谈木材和人造板的蠕变

从事人造板质量检验工作，不仅要熟悉有关产品标准的内容，更重要的是要多知道一些制订标准的理论依 据，只有这样，才能在实际工作中发现问题、分析问题和解决问题，从而不断提高质检工作的质量和人造 板行业的标准化水平。随着我国人造板行业的快速发展，结构用人造板的品种、产量和质量都在提高。新 标准陆续出台、新的质量指标和新的检测方法随之出现，有针对性的科技论文以及涉及的新知识和新概念 也多了起来。这里就较为重要的一个概念一一蠕变，谈一些个人看法。1 蠕变的概念蠕变在力学上不是一个新概念，但在人造板行业和学科领域中还算一个比较新的问题，而且难免会造 成一些误解。什么叫蠕变？对高分子材料而言，蠕变系指固体高分子材料在恒定应力长时间作用下，形变 随着时间的增加而逐渐增加的现象。蠕变的出现，是柔性链高分子聚合物在外力作用下，链段和大分子热 运动取向重排的结果。而这种取向重排，因受分子间相互作用力阻碍，不能瞬时完成而需要经过一定的时 间，由此表现出的松弛过程。脆性固体材料，如陶瓷、玻璃和石材等，研究的重点是他们在外力作用下， 裂纹的产生、扩展、失稳和最终导致材料破坏的过程。这些脆性材料，在人们的目光已能感受到的外力作 用下的微小形变出现之前，可能早就破坏了，因此也就毋需去研究蠕变问题。不少金属材料在恒定应力长 时间作用下，形变也会随着时间的增加而增加，但有关金属键的理论虽有多种，其本质可能还是一个多中 心的共价键的理论。它不同于高聚物的强度理论，也就是不能用高分子材料的力学响应来解释金属材料的 蠕变。木材和人造板是相当典型的高分子材料，高分子化学和物理学的基本内容都能在木材和人造板学科研 究中加以参考和引用。纤维素大分子是线形大分子，半纤维素大分子是有少量支链的线形大分子，而且支 链之间似乎没有化学连接，木素大分子好比是枝丫繁茂的一丛灌木，分枝之间虽存在有化学联接，但出现 的概率甚低，木素大分子和半纤维素大分子常常复合在一起，形成高分子物理学中所谓的“共混高聚物”结 构。由此可见：组成木材的3种大分子的原子在空间的排列而形成的构型和构象以及他们的聚集态结构， 与我们前面介绍的蠕变现象的成因完全相符。当然，蠕变的发展，虽主要取决于外加作用力的大小，以及 分子间相互作用能与热运动能之间的比值，而且还与时间、温度和含水率完全相关。这些研究成果在高分 子物理学中都有详细的论述。在多年前的一项人造板蠕变研究中，我们还发现，当人造板使用环境的相对 湿度在发生变化的过程中，蠕变的发展速度将会加大，而且是无论相对湿度是由小变大还是由大变小，都 是这样。这可能是木材和人造板蠕变规律有别于大多数合成高聚物蠕变的不同之处。对该现象的发现，定 性的理论分析似乎并不困难，但要建立较为完整的数学模型，就不是那么容易了。还必须要做一些脚踏实 地的艰苦的研究工作。20多年前，人造板的蠕变研究曾经风行一时，但要开发出抗蠕变能力很强的人造板 产品的前景并不明朗。2 关于蠕变的问题下面谈几个在蠕变研究中容易忽视和误解的问题。问题之一，蠕变和塑性变形不是一回事。用一个简单的蠕变实验就能解释清楚。实验装置与静曲强度 测定类似，只不过在试件中间加一个恒定的载荷，载荷的大小一般为该试件的弹性极限的三分之一，可以 是挂一个砝码，也可以直接使用力学试验机的加荷头施加恒定的载荷。随着时间的增加，试件的挠度将会 逐渐增加（在极端情况下，甚至可以折断，这当然要具备几项必要的前提）经过一段时间后，如果突然卸 去载荷，可以发现试件的挠度会瞬时减小一些，然后随着时间的增加，挠度还会慢慢变小，直至减小到某 一程度后不再改变，但不可能恢复到原来的平直状态。这说明，蠕变包含有瞬时弹性恢复、推迟弹性恢复 和不可恢复的塑性变形。所以，试件的蠕变，即有弹性变形也有塑性变形。而且各种变形的大小，通过测 量可以分离出来。问题之二，蠕变和应力松弛是不同的两个概念。蠕变的定义前面已经说过。所谓应力松弛，就是在恒 应变下，观察到的试件的内应力随时间的增加而衰减的现象。现在的力学试验机可很方便和很精确地对其 进行测定。人们在进行家具的弯曲木构件加工时，把经过软化处理的试件，在模具上弯曲和固定，经过一 段时间的定型处理后，卸去模具的约束，被弯曲的试件可以与模具保持完全的一致，也可能出现一些弹性 恢复，这与加工工艺条件有关，这就是典型的应力松弛，但不能说是蠕变，因为试件是在恒应变的状态下 完成加工过程的。应力松弛现象的出现，同样是高分子链段和大分子热运动取向重排的结果，前者体现在 应变上，后者体现在应力上。问题之三，建议不再使用“应力释放”的提法，“应力释放”的提法可能是从英文文献中直译而来，但经 查阅高分子物理和高分子力学的专著，没有发现使用“应力释放”的提法。因为当使用“应力释放”一词时，人 们会问，应力释放到哪里去了？ “应力释放”难道瞬时完成了吗？从上面的简单介绍，我们知道，所谓的“应 力释放”只是高聚物链段和大分子热运动取向重排的过程，不存在“释放”的问题，所以用“应力松弛”的提法 更为确切。从热力学角度分析，可以解释为体系的熵的改变。