木材是一种历史悠久的包装材料,在包装材料众多的今天,由于木材所具有的优点:可就地取材,质轻且强度高,有一定的弹性,能承受冲击和震动,容易加工,具有很高的耐久性且价格相对低廉等,因此,在当今的包装工业中仍占有很重要的地位。木材的缺点是:组织结构不匀,各向异性,易受环境温度、湿度的影响而变形、开裂、翘曲和降低强度,以及易腐朽、易被白蚁蛀蚀等。下面介绍木材的结构与性质等相关内容。
包装用木材的主要性能包括:压缩强度、拉伸强度、弯曲强度、剪切强度、硬度、弹性模量等。
1.压缩强度
根据木材受力方向与木纹的关系,可将木材的压缩强度分为顺纹和横纹压缩强度。横纹压缩强度又分为径向(直径方向)和弦向(圆周方向)压缩强度。
木材顺纹压缩强度极限大且较稳定,是木材使用的主要形式,常用的木材顺纹压缩强度极限为30~70MPa。顺纹抗压试件的破坏,主要是由于细胞壁被压,失去稳定性而弯曲,使木质纤维挠曲甚至折断。硬质或干燥的试件,在弦切面上破坏呈一定的倾斜度,一般是略大于45。倾斜角的斜线;在径切面上呈水平的波纹状。软质或潮湿的试件破坏时常在端部被压皱并向侧面突出。
木材横纹压缩强度极限远小于顺纹压缩强度极限。针叶树的顺纹压缩强度极限均为横纹的10~15倍,而弦向压缩强度极限约为径向的1.5倍。阔叶树的顺纹压缩强度极限约为横纹的3~7倍,具有粗大髓线的树种(麻栎、青冈等)径向为弦向的1.5倍。其他树种并无显著区别。
2.拉伸强度
木材顺纹拉伸强度较压缩强度大2~3倍,通常可达100~150MPa。由于抗拉制品端部接合处受到拉力时,常先破坏于横纹受压或剪切,因而目前还无法充分利用木材的顺纹拉伸强度。
横纹拉伸强度极小,约为顺纹拉伸强度的1/20~1/40,所以木材通常不用作承担横纹受拉的制品。
3.静力弯曲强度
木材具有优良的静力弯曲强度。一般木材的静力弯曲强度极限为50~110MPa,约为顺纹压缩强度极限的1.5~2.0倍。
当木质制品承受弯曲静力时,由于其拉伸强度极限大于压缩强度极限,制品的受压区域首先发生皱折,然后在拉力区折裂。
4.冲击弯曲强度
木材是很好的抗冲击弯曲的材料,常用作承受横向冲击载荷的制品。凡春材与夏材区别明显的树种,其径向冲击弯曲强度比弦向高。阔叶树中的散孔材,其两个方向的冲击弯曲强度无甚差别。一般阔叶树的横向冲击弯曲强度比针叶树约大0.5~2.0倍。
5.剪切强度
木纹对木材的剪切强度有极大影响。顺纹剪切强度极限最小,并随剪切面与年轮夹角的大小而改变。一般树种顺纹剪切强度受年轮方向影响不大。而具有粗大髓线的树木,其弦向的剪切强度较径向大10%~30%,顺纹剪切强度极限一般为4~15MPa,约为压缩强度极限的15%~25%。
横纹弯曲破坏的剪切面多与木材纤维平行,其强度极限远高于顺纹,一般为顺纹强度的3~7倍。但在实际使用中,由于制品先被横纹受压所破坏,所以利用价值不大。木材各强度若以顺纹压缩强度极限为1。
6.硬度
木材的硬度也是随纹向而不同,如针叶树横切面的硬度较纵切面硬度约大35%,阔叶树约大25%。一般树种径切面和弦切面的硬度大致相同,但具有粗大髓线的树种的弦切面硬度大5%-10%。
7.弹性模量
木材的弹性模量较金属材料低,并与纹向有关,这是木制品容易变形的主要原因之一。木材顺纹的拉伸、压缩弹性模量(E),比横纹大7~30倍,剪切弹性模量(G)约为正的1/10~1/3。