木材科学与工程毕业论文

本（专）科 生 毕 业 设 计（论 文）（2004 届）课题名称： 轻质刨花板热压温度和板子密度 与板子芯层温度和蒸汽压的关系 学生姓名： 何 敏 专业班级： 木材科学与工程 所在院（部）： 工程学院 指导教师姓名： 姜志宏 职称： 副教授 学历： 博士 学科： 木材科学与技术 2004 年 06 月 02 日浙江林学院本科生毕业设计（论文）1目 录中文摘要 (2)英文摘要 (2)1引言(3)1.1 问题的提出(3)1.2 国内外研究现状(3)2材料与设备(4)2.1 材料的准备(4)2.1.1 原木的挑选(4)2.1.2 刨花的制备(4)2.1.3 刨花干燥(5)2.1.4 胶的选用(5)2.2 设备准备(5)2.2.1 仪器试制(6)2.2.2 测试原理(6)3实验设计(6)3.1 材料计算(6)3.1.1 刨花的计算(7)3.1.2 胶的计算(7) 3.1.3 固化剂的计算(7)3.2 具体实验(8)3.2.1 施胶与预压(8)3.2.2 表压计算与热压(8)4结果与分析(9)4.1 热压温度与芯层温度(9)4.2 热压温度与蒸汽压(10) 4.3 板子密度与芯层温度(11) 4.4 板子密度与蒸汽压(12)5结论(14)参考文献 (14)致谢 (14)浙江林学院本科生毕业设计（论文）2摘要: 在刨花板的制作过程中,热压时的芯层温度直接影响着胶的固化,而蒸汽压决定着板子的卸压。所以，它们与刨花板的质量有着十分密切的联系。为了生产出更好的刨花板，本文通过在制造刨花板时控制不同的热压温度和板子密度，研究了它们与芯层温度和蒸汽压的关系。结果表明：在其他条件不变的情况下，热压温度越高，板子的芯层温度和蒸汽压上升得越快；板子密度越大,芯层蒸汽压就大。达到最高点后，芯层温度略有下降，其温度仍超过 100；而芯层蒸汽压则明显下降。因此，适当提高热压温度，不但能制造出性能优良的刨花板还能提高生产率，创造出更多的价值。关键词: 刨花板；热压温度；板子密度；芯层温度；蒸汽压Abstract: During the manufacturing of particleboard, the core temperature directly affects the adhesive curing, while the steam pressure decides the uploading of board. Thus, they both have an intimate relation with quality of board. In order to product better particleboard, this paper researches on relation with different hot-press temperature and board density to the core temperature and steam pressure. The results are as follows: in the same condition, the higher hot-pressing temperature was, the faster the temperature and steam pressure of the core were，and the higher the board density was, the higher the steam pressure of the core was. When reaching the culmination point, the core temperature decreased a little , but also exceeded 100，and the steam pressure of the core decreased obviously. So, promoting hot-press temperature properly contribution to not only manufacturing good characteristic particleboard, but creating more value.Key words: particleboard、hot-press temperature、board density、core temperature、stream pressure浙江林学院本科生毕业设计（论文）31. 引 言1. 1 问题的提出目前，国内家具及室内装修除用实木和胶合板外，大量使用刨花板和中密度纤维板，如板式家具主要使用刨花板和中密度纤维板。为了满足新的需求，刨花板已越来越多地用于建筑、家具、车辆及船舶制造，但在使用中尚存在一些问题。首先是板太重,普通胶合板和锯材密度一级为 0.50.6g/cm3，而普通刨花板为达到一定强度一般密度为0.70.8g/cm3，尺寸稳定性差 ,钉锯困难。 1由于刨花板和中密度纤维板密度大，用刨花板和中密度纤维板制作的家具搬运困难;另外，由于抗蠕变性差，经一段时间使用后，家具变形严重，尤其是受力部件。而轻质高强木质复合板是以不同形式的木材为原料根据受力是应力分散规律，用胶粘剂复合而成的人造板板材。与刨花板、中密度纤维板相比，它的主要特点表现为重量轻、强度大、抗蠕变性能好。它的密度及性能与同密度的高档细木工板很相似，是家具制造和室内装修的理想材料。为此强度适宜、尺寸稳定性好的轻质刨花板将有着广泛的应用前景。研究板子芯层温度的目的与意义在于确定板坯是否完全固化，做到使每块板都能达到良好的固化程度，同时也能估算出刨花板的固化时间。当芯层温度越高时，刨花板的固化时间就越短，但也不能太高，因此有必要对芯层温度进行一番研究。研究板子芯层蒸汽压的目的与意义在于确定板坯什么时候卸压最合理，当板子芯层蒸汽压没有达到所需的压力时而直接卸压的话会导致刨花板结构松散和刨花脱落等影响刨花板结构硬度的现象；而当板子芯层蒸汽压远超出所需的压力时却还没马上卸压的话，那么不仅会大大消耗能耗，严重时还会使板子结成很硬的板块，因此也有必要对芯层蒸汽压进行一番研究。 21. 2 国内外研究现状我国刨花板国家标准规定的产品密度为 0.50.85g/cm3。而国内实际生产销售的产品密度一般为 0.70.8g/cm3。此密度范围的刨花板不仅搬运加工困难，而且尺寸稳定性较差。为了满足一定的使用要求,逐步稳定和扩大刨花扳的应用范围，近年来，国外一些先进工业国致力于低密度轻质刨花扳的研制开发。日本有关单位研制开发出以柳桉材和异氰酸酯为主要原料的轻质刨花板。与我国刨花板工业目前普遍使用的脲醛胶等相比，异氰酸酯胶浙江林学院本科生毕业设计（论文）4粘剂具有胶结力强、耐水性好、无游离甲醛污染等优点，但由于其价格过高，加之固化前毒性较大，生产作业复杂，因而目前在我国尚无条件用于企业化生产。采用异氰酸酯以外的氨基树脂等胶粘剂能否制造出密度小、稳定性好、力学性能又可满足一般使用要求的轻质刨花板。经过初步试验和有关专家论证， “轻质刨花板制造工艺技术的研究”1990 年列入黑龙江省科委计划。1992 年 11 月完成了以杨树材和改性脲醛胶为主要原料的轻质刨花板的研究工作，实现了本课题组“降低密度、保证力学强度”的基本设想。 3在国内，王明光、石淑杰和包梅残等对热压温度和热压时间进行了研究，得出的结论是：力学强度基本呈示在高温区随热压时间延长而降低，在低温区随热压时间延长而提高的趋势。吸水厚度膨胀率在高低温区均呈随热压时间延长而下降的趋势。最佳效果为热压温度 185C，热压时间 8min。适当提高热压温度，15mm 厚的制品，热压时间缩短 5min，也可以制造出性能优良的轻质刨花板。 42. 材料与设备2. 1 材料的准备材料的准备包括胶的选用以及刨花制备等方面。在胶方面,我们采用工业上普遍使用的脲醛胶，在刨花的制备上，我们以杉木为原料，具体工艺如下：2. 1. 1 原木的挑选作为实验材料，刨花应具有相同或相近的性能，所以需采用单一树种作为制造刨花的原料，而考虑到杉木具有密度较低但强度不低和价格低廉的特点，我们决定选用杉木。为了使在制造刨花时，刨花不易碎裂，原木含水率控制在 4060%，同时尖削度尽量小以减少浪费。2. 1. 2 刨花的制备薄而长的刨花，表面积较大，在施胶量相同的情况下，平均单位表面积上的胶量就较少。但是，由于薄而狭长的刨花本身的抗弯强度较高，可塑性又较好，加压时刨花之间有良好的接触，因此，由它制成的刨花板有较高的静曲强度、尺寸稳定性和平整的表面。但是，如果刨花过长，施胶就不易均匀，反而会使板的强度降低，同时，过长的刨花在铺装时容易“架桥“，以使刨花在整个板面上分布不均匀，降低板的质量。刨花太细对制造优质刨花板也是不利的，它会吸收较多的树脂，还会影响刨花板的机械性能；刨花太粗则更会影响其质量。同时不规整的刨花其成板的质量也会变差。浙江林学院本科生毕业设计（论文）5因此，使用适中大小的规整刨花是最合适的。我们采用长100mm，厚0.7mm，宽5-25mm的呈片状的定向刨花，以保证板的性能达到要求。其获得方法是：在对原木进行截断和去皮之后，通过压刨机先刨出一个基准面，在用圆锯机截出长度上符合要求（10cm）的木块，然后把木块横向胶在宽20cm、长度和厚度适中的基板上。再通过压刨机压刨出所需的厚度（0.7mm） ，最后把薄的大片刨花剪切成所需的宽度(5-25mm)，这样呈片状的定向刨花就出来了。2. 1. 3 刨花干燥刨花的含水率会影响刨花板的强度、表面质量、甲醛的分离和所需的单位压力。刚制成的刨花含有较多的水分，经过拌胶后将使刨花含水率增加到过高的程度。这样会给以后热压带来一定的困难。用过湿的刨花压制刨花板，降压时很容易发生鼓泡和分层等缺陷。且热压时为了蒸发刨花中过多的水分要消耗较多的热量，同时，也会延长热压周期而降低热压机的生产率，所以，湿刨花在拌胶前必须进行干燥，使含水率降低到一定的要求。再从提高产品质量看，刨花如不经干燥，它的含水率也往往不一致，热压时蒸发水分不均匀，制成的刨花板内部产生应力不均匀，容易翘曲变形，降低产品质量。当刨花干燥到一定的含水率，内应力就可大大减少，这样能提高产品的稳定性。当然，干燥后含水率也不应过低，否则刨花容易吸收胶料，使刨花表面含胶量减少，这样，不仅浪费胶料，而且降低胶合强度。同时，刨花过干，它的塑性较差，压缩比较困难，刨花板内部容易形成空隙，降低板的强度。因此，我们通过自然干燥将刨花干燥到含水率为 11%。2. 1. 4 胶的选用脲醛树脂胶（UF）具有胶高的胶合强度，较好的耐温、耐水、耐腐蚀性能，而且色泽浅、成本低廉，因此选择固含量为 50%的脲醛树脂胶作为我们的实验材料。为了提高其在热压时的固化速度和固化程度，我们在胶中加入少许的氯化铵（NH 4CL）作为固化剂。2. 2 设备准备在实验中，主要用到的设备和仪器如下：(1)木工推台锯：MJW134 型(2)双桶布袋吸尘机：MF9030 型，参考风速为 30-40m/s(3)压力成型机：型号为 XLB-D450*450,工作液压力 20.0Mp,总压力 1000kN(4)压刨机：日本厂，最小切削厚度为 4mm,宽度150mm 时，最大切削量为 3mm;宽度为 300mm 时，最大切削量为 1mm浙江林学院本科生毕业设计（论文）6(5)电热鼓风干燥箱：101-1 型，控温灵敏度为1，最高温度 200(6)电子分析天平：TC-10K 型(7)拌胶设备：由直联式空气压缩机、电磁调速电机控制装置、辊筒和喷枪组成(8)单层热压机：型号为 QD,上海人造板厂制造(9)热压仪器：主要是 400*400mm 的铁框和 16mm 的厚度规 (10)二线制压力变送器：YYB-G 型，量程为 0-0.6Mpa,顶部是直径为 3.8mm、约30cm 长的中空高阻抗箔式针管，在距离顶端 5cm 处有一个直径为 2mm 的小圆孔。(11)数显温度仪：型号为 XMZ-102,量程为 250 (12)蒸汽压力显示仪：XMZ-105 型，量程为 0.6MPa 2. 2. 1 仪器试制图 1.测试芯层温度和蒸汽压元件示意图在目前的实验室内无现成的仪器能够测量刨花板芯层温度和蒸汽压,我们根据二线制压力变送器和数显温度仪的功能,制造出如图 1 所示的测试仪器。其中 1 为温度和汽压探头,2 为压力变送器,3 为数显温度仪和蒸汽压力显示仪。2. 2. 2 测试原理蒸汽压测量原理：蒸汽压通过传感元件 1 将蒸汽压转换成电压信号，再经过 IC 放大电路输出一个 420mA 的电流信号，由蒸汽压力显示仪显示其蒸汽压。温度测量原理：温度探头 2 是直径为 3.8mm 的空心针，其中有感温元件，温度探头把所测得的温度量转换成电阻信号，再经桥路部分对电阻信号转换成电压信号，最后由数显温度仪处理后显示其温度值。3. 实验设计浙江林学院本科生毕业设计（论文）73. 1 材料计算在决定刨花用量和胶用量之前，我们测得刨花含水率 为 11%，取施胶量 P 为10%，刨花板规格为 40040016mm。由于胶在拌胶筒上的损失较多，根据反复几次的试验，我们确定胶的损失为理论施胶量的 10%，即 =10%，以下的计算都以此为准。Y3. 1. 1 刨花的计算(31)10G()()VP其中, 为所需干刨花的量（单位：kg） ， 为刨花板密度（单位：g/cm 3） ，V 为刨花板体积，即长宽厚（单位：mm 3） ，P 为施胶量， 为刨花含水率。G= (1+ )其中 G 为湿刨花量，即压制一块刨花板所需含水率为 的刨花量。当刨花板密度 =0.5g/m3 时， =1048g10.54016()(所以湿刨花量 G=1048(1+11%)=1163g当刨花密度 =0.55g/m3 时， =1153g.G(10)(1所以湿刨花量 G=1153(1+11%)=1280g当刨花板密度 =0.6g/m3 时， =1258g.6406()(所以湿刨花量 G=1258(1+11%)=1396g3. 1. 2 胶的计算在此次实验中，刨花板内外层施胶量相同。所以理论施胶量 Y= (32)GPK其中 为干刨花的量（单位：g） ，P 为施胶量，K 取 50%。G总的施胶量 Y 总 =Y（1+ ） (33)Y其中 Y 为理论施胶量， 为胶的损失率。1.当刨花板密度 =0.5g/m3 时，理论施胶量 Y= = =210g GP1048%5所以总的施胶量 Y 总 =210(1+10%)=231g2.当刨花板密度 =0.55g/m3 时，理论施胶量 Y= = =231gK3所以总的施胶量 Y 总 =231(1+10%)=254g3.当刨花板密度 =0.6g/m3 时，理论施胶量 Y= = =252g GP12580%浙江林学院本科生毕业设计（论文）8所以总的施胶量 Y 总 =252(1+10%)=277g3. 1. 3 固化剂的计算所需固化剂 Q= Y 总 K0.5% (34)其中，Y 总 为总的施胶量，K 为胶的固含量，取 50%。当刨花板密度 =0.5g/m3 时，固化剂的量为：Y 总 K0.5%=0.578g当刨花板密度 =0.55g/m3 时，固化剂的量为：Y 总 K0.5%=0.635g当刨花板密度 =0.6g/m3 时，固化剂的量为：Y 总 K0.5%=0.693g3. 2 具体试验3. 2. 1 施胶与预压由于拌胶筒的容量较小，为了使得树脂能彻底、均匀地分布在刨片的表面，提高刨花板的质量，我们将称量好的刨花分两次施胶。过程如下：将称量好的一半刨花放入拌胶筒，把在电子天平上称量好的一半的脲醛胶加入固化剂搅匀后放入喷枪。然后打开电磁调速电机控制装置，调整好辊筒速度，用连接着空气压缩机的喷枪对着拌胶筒喷胶口均匀喷射。待施胶完毕后，将刨花均匀地洒落在一个幅面为 400*400mm 的铁框内。用平整的木板预压,待板坯基本成型后准备放入热压机。3. 2. 2 表压计算及热压24PAdmK(35)其中， 为表压力；P 为板坯的压力，取 2.5Mp；A 为板坯的面积；d 为热压机油缸直径，取 230mm；m 为热压机油缸数目，取 1；K 为压力损失系数（0.90.92） ，取 0.9。所以表压力 =10.5MPa24.50431.9热压前，先将热压机的表压力调为 10.5MPa 并加热至所需的温度（160，180，200）,把热压机的时间继电器调为 6 分钟。然后把预压好的板坯放入热压机，在两边放上厚度规中间插入测试仪器，开始加压。在热压板上升时，板坯的厚度越来越小，待压力达到预先设好的压力（即.10.5Mpa）后，时间继电器开始运行，并开始记录数据。根据时间继电器每隔 30s 记录一组数据。在这种温度和压力下热压半分钟后，把压力卸到 5Mp 左右，因为这个时候大部分的压力都作用在厚度规上，减少压力对板坯厚度的影响不是很大。浙江林学院本科生毕业设计（论文）99当热压时间达到 6 分钟后，数据记录完成，取出刨花板，进行下一块板的热压。改变热压温度、板子密度，循环进行实验，直至实验结束。4. 结果与分析刨花的大小形状及含水率对本次实验的结论有很大的影响。热压前板坯中的含水率主要来自三个方面：首先，物料在干燥后，按造工艺的要求，并不是绝干的，在物料中仍保持一定数量的水分。其次，拌胶时加入的液状胶粘剂是板坯中水分的第二个来源。板坯中水分的第三个来源是来自树脂胶固化时的缩聚反应。现象表明：热压板闭合时，板坯表面立即与热压板接触，板坯表面温度很快上升。热压开始时板坯内是室温，随着热压时间延长，蒸汽很快向中心移动，芯层温度上升，板坯表层与芯层的温度梯度逐渐减少，促使树脂很快固化。一旦板芯达到 100时，脲醛树脂胶在 30s 内就能固化。全部用片状刨花做成的刨花板，水分移动困难。芯层到达沸点后，水蒸气不容易出来，蒸汽增加，压力也增加，使水的沸点提高。蒸汽压力继续增高，直至蒸汽压力足够水分汽化，蒸发后使水分减少。蒸汽压力降低的结果，温度降到近于 100，直到恒温阶段结束，温度又重新上升。 9 4. 1 热压温度与芯层温度当板子的密度为 0.55 g/cm3时，改变热压温度后热压 6min10所测的数据如表 41 所示：表 41 同一密度不同热压温度在 6min 内所测的芯层温度0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360160 27 29 40 71 103 106 108 109 108 108 107 107 106180 28 35 53 102 106 109 108 107 106 106 105 105 104200 27 41 100 107 110 109 108 107 107 106 106 105 105根据表 41 绘制图 41时间S芯温温 度浙江林学院本科生毕业设计（论文）10图 41 同 一 密 度 不 同 热 压 温 度 在 6min内 所 测 的 芯 层 温 度0204060801001200 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360热 压 时 间 (s)芯层温度()160180200图 41 同一密度不同热压温度在 6min 内所测的芯层温度根据图 41,我们可以很明显的看出:在板子密度一定的情况下，热压温度越高,热量向芯层传递的越快,板子的芯层温度上升也就越快。当加热温度从 160升为 200时，芯层温度到达 100的时间从 2min 降为 1min，并且芯层温度达到最高值的时间减短。当芯层温度达到最高值后，板子的芯层温度虽然略有下降但基本保持在一百多度。4. 2 热压温度与蒸汽压当板子的密度为 0.55 g/cm3时，改变热压温度后热压 6min 所测的数据如表 42 所示：表 42 同一密度不同热压温度在 6min 内所测的芯层蒸汽压0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360160 1 1 1 3 13 21 29 31 30 28 25 23 21180 2 2 2 9 23 27 34 30 28 26 24 22 20200 2 2 10 26 37 37 32 27 24 21 19 17 15时间S气压kPa温度 浙江林学院本科生毕业设计（论文）11根据表 42 绘制图 42图 42 同 一 密 度 不 同 热 压 温 度 在 6min内 所 测 的 芯 层 蒸 汽 压05101520253035400 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360热 压 时 间 (s)芯层蒸汽压(kPa)160180200图 42 同一密度不同热压温度在 6min 内所测的芯层蒸汽压根据图 42，我们可以很明显的看出：在板子密度一定的情况下，热压温度越高，蒸汽压就越高且上升的越快。板子芯层蒸汽压达到最高点所花热压时间最少的是 200，其次是 180，最后是 160，所以热压温度越高，板子芯层蒸汽压达到最高点的时间最少。而过了最高点的蒸汽压后，三种热压温度下的芯层蒸汽压都在明显下降,这是由于板中的水分越来越少的缘故。4. 3 板子密度与芯层温度当板子在同一的热压温度下（温度为 180） 10，改变板子密度后热压 6min 所测的数据如下表 43 所示：表 43 同一热压温度不同密度在 6min 内所测的芯层温度0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 3600.5g/cm3 28 37 55 101 104 106 106 105 104 104 104 103 1030.55g/cm3 28 35 53 102 106 109 108 107 106 106 105 105 1040.6g/cm3 29 33 52 104 109 112 112 112 112 111 110 109 109时间S芯温密 度浙江林学院本科生毕业设计（论文）12根据表 43 绘制图 33图 43 同 一 热 压 温 度 不 同 密 度 在 6min内 所 测 的 芯 层 温 度0204060801001200 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360热 压 时 间 (s)芯层温度()0.5g/cm30.55g/cm30.6g/cm3图 43 同一热压温度不同密度在 6min 内所测的芯层温度根据图 43 可以很明显的看出：在热压温度一定的情况下，刨花板的密度直接影响着时间温度曲线,密度大的刨花板由于压得结实，蒸汽移动困难，开始温度上升得很慢，但在整个热压过程中不断地继续上升；而密度低的板坯由于较松散，蒸汽较容易逸出，芯层温度上升迅速，很快能接近水的沸点。因而板子的密度越低，芯层的温度上升越快,但最高点的温度却越低，过了芯层温度的最高点后，水分开始蒸发和继续蒸发，芯层温度虽然略有下降，但仍超过 100。4. 4 板子密度与蒸汽压当板子在同一的热压温度下（温度为 180） ，改变板子密度后热压 6min 所测的数据如下表 44 所示：浙江林学院本科生毕业设计（论文）13表 44 同一热压温度不同密度在 6min 内所测的芯层蒸汽压0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 3600.5g/cm3 1 1 2 6 16 19 19 17 16 14 13 12 110.55g/cm3 2 2 2 9 23 27 34 30 28 26 24 22 200.6g/cm3 1 2 2 12 29 43 48 47 43 40 36 33 31根据表 44 绘制图 44图 44 同 一 热 压 温 度 不 同 密 度 在 6min内 所 测 的 芯 层 蒸 汽 压01020304050600 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360热 压 时 间 (s)芯层蒸汽压(kPa)0.5g/cm30.55g/cm30.6g