预热和软化处理在木材进入热压机高压环境之前，会在木材内部产生关键的物理状态变化。这个过程确保木材达到其玻璃化转变温度，将其从刚性材料转变为可塑性材料。没有这种热处理，致密化所需的高压将导致木材细胞破碎而不是压缩。
核心要点 对冷木材施加高压会导致脆性断裂和结构失效。预热可确保木材发生塑性变形，使其达到目标压缩比，同时保持材料完整性并增强机械性能。
致密化的物理学
达到玻璃化转变温度
预热（例如浸泡在沸水中）的主要目的是将木材的内部温度提高到其玻璃化转变温度（Tg）。
在环境温度下，木材处于“玻璃态”，这意味着它坚硬、刚性，并且在应力下容易开裂。
通过加热和加湿，木材会转变为橡胶态、弹性状态。这种热软化是任何成功的致密化过程的前提。
防止细胞损伤
如果尝试在未先软化的情况下致密化交叉层压木材（CLT）层板，细胞结构将无法适应体积变化。
在高压下，冷木材细胞会发生脆性断裂。这会有效地压碎纤维结构，破坏木材的强度，而不是增强它。
软化可使细胞壁以可预测的方式屈曲和折叠，而不会断裂，从而保持纤维的连续性。
实现塑性变形
热压的目标是塑性变形——在不破裂的情况下发生永久性形状变化。
一旦木材处于弹性状态，压机就可以将材料压实到所需的密度。
这将产生一种稳定、高性能的材料，具有改善的机械性能，而不是一种损坏、不稳定的复合材料。
化学成分的作用
软化无定形聚合物
木材是一种复合材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
虽然纤维素提供刚性增强，但半纤维素和木质素是无定形聚合物，充当基体或“胶水”。
预热针对的是这些无定形成分。当它们达到玻璃化转变温度（在压机中保持在约140°C）时，它们会流动而不是断裂。
促进压力下的流动
当木质素和半纤维素软化时，它们会润滑纤维素纤维的移动。
这种内部润滑使得木材层能够紧密地滑动和压缩在一起。
这将产生一个统一、致密的、具有卓越结构完整性的产品。
理解权衡
软化不足的风险
如果预热过程仓促或温度过低，木材将保持部分玻璃态。
对部分玻璃态木材施加压力会导致微裂纹。这些内部缺陷可能不会立即显现，但会显著降低最终CLT面板的承载能力。
精确控制的必要性
仅靠热量是不够的；必须控制加热过程。
虽然预热可以制备木材，但实验室压机必须保持稳定的温度（约140°C），以在整个压缩循环中将木材保持在该塑性状态。
未能维持此温度窗口可能导致木材在压制过程中过早重新硬化，从而导致致密化不完全。
为您的项目做出正确选择
为确保高质量的致密化CLT层板，请在制定加热方案时考虑您的主要目标：
- 如果您的主要关注点是材料完整性：确保预热时间足够长，以便热量能够渗透到层板的核心，保证整个横截面都达到玻璃化转变温度。
- 如果您的主要关注点是最大密度：在压机内保持精确的温度控制（约140°C），以使木质素和半纤维素保持橡胶态，最大限度地实现塑性流动而不损伤纤维。
成功的致密化不是靠力量；而是靠热学制备材料，使其能够承受力量而不破裂。
总结表：
| 阶段 | 木材状态 | 物理效应 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 无预热 | 玻璃态/刚性 | 脆性断裂和细胞破碎 | 结构失效和强度低 |
| 预热后 | 橡胶态/弹性 | 塑性变形和细胞屈曲 | 高密度和增强的机械性能 |
| 木质素软化 | 粘性流动 | 内部润滑和纤维滑动 | 卓越的结构完整性 |
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参考文献
- S.C. Pradhan, William Nguegang Nkeuwa. Optimizing Lumber Densification for Mitigating Rolling Shear Failure in Cross-Laminated Timber (CLT). DOI: 10.3390/constrmater4020019
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
