（木材科学与技术专业论文）玻璃纤维增强圆筒形单板层积材的性能研究.pdf

摘要 作为一种新型的木质工程材料，圆筒形单板层积材( 简称圆筒l v l ) 符合未来经济 可持续发展的需要。首先，圆筒l v l 加工方法简单，生产效率高，能够实现木材的有效 利用，缓解当前木材的供需矛盾。其次，圆筒l v l 为中空结构，与原木相比具有质量 轻，抗弯强度高，工程性能均匀等优点。在国外研究经验的基础上，针对我国的常见树 种开发出自己的产品，对我国经济的可持续发展有着重要的意义。 本研究是以速生树种杨木和桦木为研究对象，以木质旋切单板为基体材料，玻璃纤 维为增强材料，采用拼板胶和异氰酸酯胶粘剂分别对其进行胶合，制得了复合型圆筒 l v l ，旨在提高圆筒l v l 的工程性能。通过比较研究玻璃纤维增强后的层积材和圆筒 l v l 的性能，从层积材的吸湿性能、尺寸稳定性、胶接强度、抗弯强度以及圆筒l v l 的抗压强度和抗压弹性模量等角度，采用实验与理论推导相结合的方法，探讨了不同树 种、不同胶种以及玻璃纤维添加层数对圆筒l v l 性能的影响。 不同纤维倾角的交错构造单板层积材的抗拉实验结果显示，不同纤维倾角的层积 材，其抗拉弹性模量随纤维倾角的增大而减小，但当纤维倾角小于l o 。时，层积材的弹 性模量减小幅度较小，因此在制作圆筒l l 时，其缠绕角应以不大于1 0 0 为宜。 研究结果还表明，圆筒l v l 的吸着等温曲线与n e l s o n 模型拟合良好，并且圆筒 l 、，l 仍保留着木材的吸湿滞后特性。 圆筒l v l 的尺寸稳定性测定包括：2 4 小时吸水厚度膨胀率( t s ) 、吸水率( w a ) 以及吸湿线性膨胀率( l e ) 。t s 、w a 、l e 受玻璃纤维添加层数的影响均较大，随着玻 璃纤维添加层数的增加，t s 、w a 和l e 呈明显降低的趋势，说明玻璃纤维可以增强圆 筒l v l 的尺寸稳定性。 抗弯强度的测定结果显示，随着玻璃纤维层数的增加，层积材的抗弯强度总体上呈 增大的趋势，其增大的程度因树种和胶种的不同而异。 通过测定圆筒l v l 的顺纹抗压强度和横纹抗压强度得知，圆筒l v l 的顺纹抗压强 度远大于横纹抗压强度，添加玻璃纤维后的圆筒l v l 横纹、顺纹抗压强度均有不同程 度的减小，但横纹抗压弹性模量有明显增加的趋势。 关键词圆筒形单板层积材，玻璃纤维，理论模型，力学性能，尺寸稳定性。 a b s t r a c t c y l i n d r i c a ll a m i n a t e dv e n e e rl a m b e rf c y l i n d r i c a ll v l ) i san e w l yd e v e l o p e de n g i n e e r e d s t r u c t u r a lm a t e r i a l d e v e l o p i n gt h i sm a t e r i a lf i t sf o rt h er e q u i r e m e n to fe c o n o m i cc o n t i n u a l d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y c y l i n d r i c a ll v lc a nu s el o w q u a l i t ym a t e r i a l ss u c ha ss h o r t e r w o o dv e n e e r sa sr a wm a t e r i a l ，s oi tm a k e su s eo fw o o dm o r ee f f e c t i v e l y t h u s ，d e v e l o p i n gt h i s n e wp r o d u c tc a nh e l pm i n i m i z et h ec o n f l i c tb e t w e e n s u p p l ya n dd e m a n df o rw o o dm a t e r i a l o n t h eo t h e rh a n d ，h o l l o wc y l i n d r i c a ll v la l s oh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dt ow o o dl o g ，s u c h a s l i g h t - w e i g h t ，h i g hb e n d i n gs t r e n g t h ，a n du n i f o r ms t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e t h e r e f o r ei ti s h i g h l yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h i sn e wp r o d u c tu s i n gl o w - q u a l i t yf a s t - g r o w i n gs p e c i e si no u r c o u n t r y i nt h i ss t u d y , c y l i n d r i c a ll v lw a sm a n u f a c t u r e df r o mp o p l a ra n db i r c hv e n e e r su s i n ga p i a n di cr e s i na d h e s i v e s i no r d e rt oi m p r o v et 1 1 es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e so fc y l i n d r i c a ll v l g l a s sf i b r ew a su s e d 嬲r e i n f o r c e dm a t e r i a l t l ee f f e c t so fa d d i t i o nl a y e r so fg l a s sf i b e r , w o o d s p e c i e s ，a n dr e s i nt y p e so nt h ep r o p e r t i e so fc y l i n d r i c a ll v lw e r ed i s c u s s e d t h em o i s t u r e s o r p t i o np r o p e r t y , d i m e n s i o ns t a b i l i t y , b e n d i n gs t r e n g t h ，c o m p r e s s i n gs t r e n g t h ，a n de l a s t i c m o d u l u sw e r ee v a l u a t e d i no r d e rt o i n v e s t i g a t et h es u i t a b l ew i n da n g l eo fc y l i n d r i c a ll v l ，w em e a s u r e da n d a n a l y s e dt h el v l st e n s i l ee l a s t i cm o d u l u st h r o u g he x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lm e t h o d s t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h et e n s i l ee l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s e dw i t ht h e , i n c r e a s eo ft h ea n g l eb e t w e e n t h ei n t e r l o c k e dg r a i n s a st h ea n g l ew a sl e s st h a n1 0 。t h et e n s i l ee l a s t i cm o d u l u sr e d u c e dl i t t l e ， w h i l ei ts i g n i f i c a n t l yd e c r e s e da sa n g l ew a sb i g g e rt h a n10 。t h i si n d i c a t e dt h a tt h ea n g l e s h o u l db el e s st h a n1 0 0i nt h em u n u f a c t u r eo f c y l i n d r i c a ll v l as o r p t i o nh y s t e r e s i sw a so b s e r v e df o ra l lm a t e r i a l st e s t e d n e l s o n ss o r p t i o ni s o t h e r m m o d e lr e p r o d u c e da c c u r a t e l yt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fg l a s sf i b e r - r e i n f o r c e dc y l i n d r i c a ll v l t h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo fc y l i n d r i c a ll v lw a se v a l u a t e da c c o r d i n gt oa s t md1 0 3 7 o fu s as t a n d a r d i ti n c l u d e st h i c k n e s ss w e l l i n g ( t s ) ，w a t e ra d s o r p t i o n ( w a ) a n dl i n e a r e x p a n s i o n ( l e ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg l a s sf i b r eh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt s ，w a ，a n d l e t s ，w a ，a n dl ed e c r e a s e dw h e nt h e1 a y e r so fg l a s sf i b r ei n c r e a s e d t h i ss h o wt h a tg l a s s f i b r ec a ni m p r o v et h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t yf o rc y l i n d r i c a ll v l t h er e s u l to fb e n d i n gp r o p e r t i e ss h o w e dt h a tb e n d i n gs 订e n g t hi n c r e a s e dw h e nt h e a d d i t i o nl a y e r so f g l a s sf i b r ei n c r e a s e d ，a n dt h i si n c r e a s ew a sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n ts p e c i e sa n d r e s i n s t h er e s u l t so fc o m p r e s s i n gs t r e n g t hs h o w e dt h a tt h el o n g i t u d i n a ls v e n g t hw a sh i g h e rt h a n t h ea l t i t u d i n a lv a l u e b o t hl o n g i t u d i n a ls 仃e n g t ha n da l t i t u d i n a ls t r e n g t hs h o w e dad e c r e a s i n g t r e n df o rn o nr e i n f o r c e dc y l i n d r i c a l 【l - w h i l et h ec o m p r e s s i n ge l a s t i cm o d u l u so fg l a s sf i b r e r e i n f o r e e dc y l i n d r i c a ll v lw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d i i k e y w o r d sc y l i n d r i c a l l a m i n a t e dv e n e e rl u m b e r , g l a s sf i b r e ，t h e o r e t i c a lm o d e l ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d i m e n s i o n a ls t a b i l i t y 1 1 1 1 绪论 1 1 开发木质工程材料的必要性 1 绪论 木结构早在3 千年前就已经成为古代埃及和希腊梁柱的基本结构形式，在古代中国 的千年文明中，木结构更是中国建筑史上最主要的建筑方式，直到近代随着钢铁工业的 发展和混凝土技术的产生，才出现了钢结构和混凝土结构。但随着人们环保意识的不断 增强以及对居住质量要求的不断提高，最近几十年里木结构又重新登上建筑舞台，并且 越来越受人们的青睐。尤其是在日本以及北美等地，木结构房屋及各类木质建筑随处可 见，并占据整个建筑业很大比例。例如，在北美，木结构住宅处于市场的主导地位， 1 9 9 7 年美国新建独户别墅约1 1 3 8 万幢，其中9 0 采用木结构，在3 3 8 万幢多层住宅 中，大多数也采用木结构。木结构还被广泛用于建造厂房、学校、旅馆、体育馆等建筑 设施( 朱光前，2 0 0 1 ) 。在加拿大，木材工业是国家支柱产业之一，其木结构住宅的工业 化、标准化和配套安装技术非常成熟。在日本，大量的住宅是利用木材、胶合木和水泥 刨花板建造的，即使在人口稠密的东京地区也是如此。目前日本新建住宅房屋中，有半 数以上是木结构。在芬兰和瑞典，民居住房的9 0 为一层或二层的木结构建筑 ( t o n e h a n s s o n ，1 9 9 6 ) 。从以上数据可以看出，人们对建筑用、高质量的木材的需求量将 逐渐增大。 另一方面，由于前人没有认识到生态平衡和森林质量对人类生存的重要性，随意地 毁林开荒，使得森林资源的消耗量大于生长量，森林质量下降，天然优质大径级木材的 供应日趋减少；并且，为了保护森林生态环境，各国都相继采取了不同的天然林资源保 护措施，我国林业也正在加速推进“以木材生产为主向以生态建设为主”的转变。西部 大开发战略的实施和天保工程等六大林业工程的建设，使天然林木材供给大大降低。 1 9 9 1 年我国木材产量为52 9 0 万m 3 ，到2 0 0 1 年我国木材产量为45 5 2 0 3 万m 3 ，1 0 年 里木材产量下降了1 4 ( 叶克林等，2 0 0 3 ) 。在这种供求极度紧张的情况下，我们急需开 发研制以速生材和小径木为原料的新型木质建筑材料。 木质工程材料是一种新兴的建筑用工程结构材料，是以木质材料为主要组分，经过 适当的处理使其与合成材料复合而成的高性能、高附加值的复合材料( 中国林科院木工 所木质纤维复合材料专题组，1 9 9 8 ) ，可作为建筑梁用材或平面板材使用。木质工程材 料主要包括o s b 、l v l 、i - j o i s t 等，研究开发这些复合材料的目的在于充分发挥材料各 组分的优点，使材料性能优势互补，改迸木材的物理力学性能和加工性能。不同的木质 工程材料，其性能各不相同。总体来说，木质工程材料与木材相比，具有诸多优点，如 干湿强度比较高、尺寸稳定性好，且可根据需要设计其形状及尺寸等；与塑料、金属等 材料相比，具有强质比高、热稳定性好、低毒、耐锈蚀等优点，并具有调节室内环境的 作用。木质工程材料是将木材与其它材料从组成、结构、工艺、性能和应用等诸多因素 进行优化，按需设计而且采用新工艺和新技术制造出的新型木质材料，将被广泛应用于 建筑等各领域，以替代原来木结构建筑中的大径级原木。木质工程材料在北美洲的近5 0 年中得到了成功的发展，尤其伴随着现代高科技和计算机产业的发展，木结构从取材、 加工、设计、安装均融入了高科技的成分。现代木结构建筑已成为传统建筑概念和高科 技技术的结合物，被广泛应用于各种建筑中。 1 2 新型木质工程材料一一圄筒形单板层积材 木质材料从早期的三板：胶合板、刨花板、硬质纤维板，发展到现在的定向刨花板 ( o s b ) ，单板层积材( l v l ) 、平行定向成材( p s l ) 、集成材( 李坚，1 9 9 5 ) ，以及近 年新研制的木陶瓷等，在一定程度上提高了木质材料的应用范畴。并赋予其更多的功 能。但是，随着速生材的增多，人们必须研制开发出用劣质速生材来加工优质工程材料 的新工艺( h s a s a k i 等，1 9 9 4 ；h s a s a k i 等，1 9 9 9 ) 。1 9 9 3 年到1 9 9 8 年间，日本学 者佐佐木光等人研究开发出一种新型的木质复合材料一一圆筒形单板层积材。圆筒形单 板层积材( c y l i n d r i c a ll a m i n a t e dv e n e e rl u r a b e r ) 简称圆筒l v l ，它是由数层单板交错 层积而成，每层单板的纤维方向均与圆筒长轴方向稍有倾角，这种结构与木材细胞壁中 s 2 层构造极为相似。因而在长轴方向上有很好的力学强度，并且消除了木材构造中的 径弦向差别( h s a s a k i 等，1 9 9 6 ) 。采用这种螺旋缠绕法生产的圆筒l v l 具有强度 高、工程性能均匀等优良性能，可应用于建筑领域( h s a s a k i 等，1 9 9 9 ) 。同时生产 圆筒l v l 时所采用的单板宽度尺寸较小，长度要求不高，有利于小材大用、劣材优 用，能够使木材得到有效的利用。因而，在森林资源日益减少、人工速生林增加的今 天，圆筒l v l 的研制开发对木材工业的发展有着重要的意义。 1 1 2 - 1 圆筒l v l 的加工方法及特点 木材作为四大材料之一最显著的特征是它具有低密度、高强度等特征，这主要是由 于它特殊的细胞结构所决定的。因此，许多飞机和太空船的结构材料都是根据木材细胞 的构造设计的。圆筒l v l 的最初设计原则也是根源于此。 1 2 1 。1 圆筒l v l 的制造方法 圆筒l v l 作为一种新型的木质工程材料，具有其独特的制造方法。其生产工艺大 至如下( h i s a s a k i 等，1 9 9 6 ) ：将木材旋切成一定厚度和宽度的单板，施胶后以螺旋 的形式缠绕在钢管( 辊芯) 上，然后经过加压胶合，最后脱模而成。通常选用2 5 衄左 右厚的旋切单板作为生产圆筒l v l 原料，将其干燥至含水率为5 时，沿垂直于单板纤 维方向缝制聚酯类胶线。此胶线一方面可对单板带进行接长，另一方面可避免由于单板 背面裂隙的存在而导致的拉伸强度的下降。研究表明，根据树种及单板厚度不同，2 4 行胶线即可提供单板足够的拉伸强度。 日本学者山内秀文通过研究曾给出单板带的宽度与钢管直径、缠绕角之间的关系 ( 山内秀文，2 0 0 3 ) 。设单板带宽度为w ，钢管直径为r ，单板带的缠绕倾斜角( 即单 板带与钢管轴之间的夹角) 为0 。则它们之间的关系式为： w 钡r c o s o 为了防止因纤维斜度太大而导致的产品长度方向弹性模量下降，在生产圆筒l v l 时， 应采用相邻单板带按顺、逆时针方向交替缠绕的层积方式。如图卜1 ： 1 绪论 图l l 圆筒l v l 模型图 根据山内秀文等人的研究，以l o 。的倾斜角缠绕单板带时，不会降低其弹性模量， 原因是这种结构与天然木材的微纤丝倾角极为相似，具有较强的物理力学性能。为了使 圆筒l v l 从内到外受力均匀，可使用快速固化型胶粘剂( 如间苯二酚树脂等) ，采用边 缠边加压的方法进行制作。当厚度达到预定的要求后，需要在产品外缠绕一层具有适当 弹性的橡胶带进行加压。另外，为了防止空气的进入而影响产品的胶粘质量，可在橡胶 带的外侧缠绕一层帆布。在胶粘剂完全固化后，向钢管内导入热风，既有利于脱模以便 取出钢管，又可促进异氰酸酯类热固性胶粘剂的快速固化，起到加热养护的作用。 1 2 1 2 圆筒l v l 的结构特点 1 ) 、圆筒l v l 加工方法简单，生产效率高，加工圆筒l v l 时，可选用纤维方向较 短的单板作为原材料，这样可有效利用单板加工后的边角料，同时也可选择小径材或速 生材作为原材料，有利于小材大用、劣材优用，从而提高木材资源的综合利用率； 2 ) 、圆筒l v l 是由数层单板交错层积而成的，每层单板的纤维方向均是与圆筒长 轴方向稍有倾角，这种结构与木材细胞壁中s 2 层的结构相似，因而在长轴方向有很高 的强度，并且消除了木材构造中的径弦向差别。另外，圆筒l v l 为中空结构，与原木 相比质量轻，抗弯强度高，可用于大型柱材，还可根据圆筒l v l 的最终产品性能选择 原材料的树种及层积数量； 3 ) 、利用螺旋缠绕法加工圆筒l v l ，其产品具有精度高、强度高、工程性能均匀等 优点，可广泛应用于建筑、外装饰等领域。同时，还可利用圆筒l v l 的中空部分作为 各种线路的管道系统，既美化环境又方便施工( 山内秀文，1 9 9 9 ) 。 1 2 2 圆筒l v l 的研究现状及发展趋势 1 9 9 3 年到1 9 9 8 年期间，佐佐木光等人完成了圆筒l v l 基本技术的研究开发； 1 9 9 6 年p y a n g 等人发表了他们对圆筒l v l 残余应力分布的研究成果：2 0 0 1 年p y a n g 等人完成了对圆筒l v l 端头强度的研究，结果表明，通过对应力的分析可估计 出圆筒l v l 与内接集成心材之间的胶接耐久性；2 0 0 1 年l m a 等人发表了针对圆筒l v l 的耐火性能的研究成果，文章指出，通过硫酸铵处理后的试件耐火性较好：1 9 9 9 年t h a m 等人完成了针对圆筒l v l 连续化生产的研究，给出圆筒l v l 生产时的压力公式并 研制出适合于圆筒l v l 生产的胶粘剂。 1 2 2 1 圆筒l v l 的端头强度 在日本，圆筒l v l 产品已经开始小批量试验性生产并进入试用阶段。在试用过程 中，发现圆筒l v l 端头处的断裂强度较低。为了提高这项力学指标，可在圆筒l v l 的 两个端头内分别嵌入长度较短的圆柱形集成材作为芯材( py a n g 等，1 9 9 9 ) 。在加工 过程中，对圆筒l v l 的外表面施加适当的压力。使圆筒l v l 的内壁与涂胶后的圆柱形 芯材充分接触、胶粘，从而使圆筒l v l 的端头强度得到增加。 为了使圆筒l v l 与集成心材胶接处的各点作用压力相同，要在圆筒l v l 的两端沿 直径方向按一定规格开槽，通常每个端头开两个槽。但这种方法会影响到产品的胶接强 度和耐久性，并且在含水率变化时会导致槽口附近的单板沿胶线剥皮。p y a n g ( 2 0 0 1 ) 等用二维有限元法建立了开槽后圆筒l v l 的应力数学模型。并选用日本柳杉 为原料，制成了壁厚和外径分别为2 5 衄、3 0 0 衄的圆筒l v l ，并在圆筒两个端口内嵌 入6 0 0 咖长、用云杉制成的集成芯材。此模型在圆筒l v l 的两端分别开出两个对称的 槽，槽的尺寸为3 6 0 0 锄。然后利用元素结合点在吸湿时产生的膨胀载荷来进行应力 分析。结果发现，含水率的变化会引起槽口处的变形。当含水率增加5 时，槽口两侧的 圆筒l v l 能够向内扭曲到相互接触，同时所产生的应力主要集中在槽口的拐角处，这将 严重影响圆筒l v l 和积层心材之间的胶接强度。p y a n g 等的研究表明，通过对槽口 处应力的分析，可估计出集成心材与圆筒l v l 胶接强度的耐久性。 1 2 2 2 圆筒l v l 残余应力的分布 圆筒l v l 在加工过程中，由于胶粘剂固化及干燥等因素的存在会导致含水率交 化，使其产生沿半径方向的收缩变形及应力。p ty a n g 等人用z - - 维有限元法模拟了产品 的变形和应力分布情况( p y a n g 等，1 9 9 6 ；h s a s a k i ，1 9 9 6 ) 。他采用日本柳杉为原 材料制戍壁厚为2 0 帆的圆筒l v l ，此圆筒l v l 由8 层单板缠绕而成，内径为2 5 0 皿， 内部用聚乙烯混合物制成的肋柱形填料进行填充，如图卜2 。为了使问题简化，他作出 了两个假设： 1 ) 、填充物的体积和塑性系数与含水率互不相关( 1 i l a 不随含水率变化而变化) ： 2 ) 、将木材的塑性系数用作圆筒l v l 的数量化分析，收缩系数随含水率的不同而 变化。 在此试验中，因为填充物与圆筒l v l 的内壁胶粘在起，而且含水率变化不影响 填充物的体积，所以填充物会抑制圆筒l v l 的收缩。圆筒l v l 在填充物表面施加的应 力大致呈“铃”形分布，即应力在肋柱点上分布较高，在偏离肋柱点时较低，如图卜 3 。 图卜2 圆筒l v l 横断面图图l - 3 填充聚乙烯后圆筒l 、，l 的应力分布图 因此。填充物对圆筒l v l 半径方向的强度起到很重要的作用。虽然这种模型建立 在假设的基础之上。但模拟的圆筒l v l 变形与实际测量值相似，这意味着这种方法链 i 绪论 准确的表达出圆筒l v l 的收缩性能。但p _ y a n g 等的研究结果仅能表达蠕变前的应力 分布，随着时间的变化，蠕变的作用将使应力减小。因此，对于蠕变后的应力分布还有 待进一步的研究。 1 2 2 3 圆筒l v l 防火处理 圆筒l v l 主要应用于室内外装修或建筑中的柱、梁等结构，所以对其防火性能的 研究具有十分重要的现实意义。提高木质材料的耐火性能有多种方法，如浸渍处理、涂 饰处理以及压密处理等，但经过耐火处理后的木质材料的强度和胶接性能略有下降。目 前，圆筒l v l 的耐火处理主要是采用浸渍的方法，即将缠绕前的单板在真空下用化学 试剂进行浸渍。 l m a 等人在研究圆筒l v l 的耐火性能时，采用了以下方法( l t v i a 等，2 0 0 1 ) ： 将单板放入真空容器中，加压保持3 0 m i n 后，向容器中加入阻燃化学试剂，陈放1 h 后 取出单板对其进行干燥处理，然后将单板加工成圆筒l v l 进行耐火测试。试验结果表 明，试件的受损区域小于日本耐火标准的1 级或2 级最大值，但所有经过耐火处理的试 件，在测试过程中均产生较多的烟雾。有多种耐火试剂能使处理后的圆筒l v l 燃烧时 间缩短，其中经硫酸铵处理后的圆筒l v l 耐火性能最好。 1 2 2 4 圆筒l 、m 规模生产的可行性研究 圆筒l v l 作为一种新型的木质结构材料，具有许多优良的性能，也将具有很广阔 的应用领域，所以它的生产效率将被越来越多的木材工业企业所重视，但以前的加工工 艺状况还不能应用于大规模的生产，急需开发出一种新型的、能用于连续化生产圆筒 l v l 的设备。为此，t h a t a 等对螺旋缠绕式生产纸筒的工艺技术进行了研究( t h a t a 等，2 0 0 1 ) 。结果表明，纸简的螺旋缠绕式生产工艺技术完全可以应用于圆筒l v l 的生 产。并给出了缠绕时圆筒l v l 的压力公式： 2 t s i n 2 口 p 2 d + 2 n ( 1 - 占) w b 式中，t 为橡胶带( 压力带) 的拉力，0 为单板带的进料角，d 为滑动进料器的直径， n 为单板层数，t 为单板带的厚度，8 为单板带的横向压应力，w b 为橡胶带的宽度。 圆简l v l 的生产工艺与普通人造板不同，其生产工艺中的带式加压系统不同于传 统的压板加压，原因是带式加压只能提供短时间的压力，所以在选择胶粘剂时，要求选 用高温下可以迅速固化的树脂胶粘剂( h y a m a u c h i 等，1 9 9 9 ) 。在以前的研究中，将 固化剂与间苯二酚树脂以i ：2 的比率混台，在室温( 2 0 ) 下可以完成快速凝胶，但 要求加压时间必须大于3 分钟，胶结强度才可达到3 8 m p a 。而t h a t a 等( 2 0 0 1 ) 的实 验表明，将两种商业用间苯二酚树脂基( d f 1 0 0 0 和d 3 3 ) 以重量比1 ：3 的比例混合 时，凝胶时间最短，在高温加压时，可在5 秒钟之内固化，并具有很高的胶接强度。 1 。2 2 5 圆筒l v l 的发展趋势 由于圆筒l v l 对原材料单板的要求较低，可以选用小径材、速生材为原材料 ( h s a s a k i 等，1 9 9 4 ) ，因而有利于木材的高效利用，以缓解木材的供需矛盾；同 时，又因其具有质轻、强度高等优良性能，圆筒l v l 将具有广阔的开发前景。但目前 对于圆筒l v i 。的研究，在国内尚属空白，而国外学者针对这方面的研究也很有限，并 主要集中在日本。作为一种新型的木质工程材料，圆筒l v l 在工程结构性能方面尚存 在许多问题，需要逐一解决。例如，作为建筑承重材料，提高其尺寸稳定性及各项力学 性能仍是目前的研究重点，以及怎样制出壁薄且强度高的圆筒l v l 也是我们将面临的 技术难题。 1 3 玻璃纤维在木质材料中的应用 玻璃纤维是人造的无机纤维，具有强度高、耐高温、原料丰富、价格便宜等特点。 它是由多种金属氧化物和二氧化硅组成的混合物( 张双保等，2 0 0 1 ) 。用玻璃纤维作为 木质复合材料的增强材料，可增强木质复合材料的物理力学性能，尤其是静曲强度 ( m o r ) 和弹性模量( m o e ) ( y y a n a g a w a 等，2 0 0 1 ) ，同时也可提高其尺寸稳定 性。在有碱玻璃纤维中二氧化硅含量达到7 2 ，玻璃纤维在生产过程中，单丝经过浸润 剂槽集束成原丝，作用是使纤维粘合集束，润滑、消除静电，浸润剂主要是以石蜡乳液 为主，它阻碍了玻璃纤维与胶粘剂的粘接，另外玻璃纤维表面结构平滑，相对粗糙度 小，树脂在其表面浸润性差，对胶粘剂吸附性低，虽然玻璃纤维表面含有少量的羟基， 但与胶粘剂产生的氢键太少，所以玻璃纤维与木质材料的胶接问题引起了国内外学者的 广泛关注，他们采用不同的方法对玻璃纤维进行表面处理，以提高其与木材的胶接性 能。北京林业大学的张双保等人采用p f 树脂对玻璃纤维和三倍体毛白杨进行胶接( 张 双保等，2 0 0 1 ) 。同时采用由有机硅烷、乙醇、水配制而成的北京林业大学b z - 2 号表面 处理荆对玻璃纤维进行表面处理。通过实验得出。只要采用适当的工艺，制备出的复合 材料其性能可以达到或超过欧共体定向结构板( p r e n 3 0 0 9 4 0 s b 4 ) 的标准要求，可作 为工程结构材料。中南林学院的喻云水等人采用添加促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂 对马尾松胶合板表面进行玻璃钢覆面。( 喻云水等，2 0 0 2 ) 通过实验证明这种方法有效 地提高了板材的静曲强度、弹性模量、表面耐磨性和表面平整性，使处理后的板材能够 作为混凝土模板使用，尤其对于钢框木胶合板模板具有独特的优势。另外，玻璃纤维复 合后的木质材料，其耐火性能有很大改善( 王国超，1 9 9 4 ) 。 通过以往的研究表明，玻璃纤维作为增强材料，可以提高木质复合材料的力学性 能，从而扩大木质复合材料的应用范畴，提高木质材料的附加值，对木材工业的发展有 着重要意义。 1 4 本论文的研究内容及意义 作为一种新型的木质工程材料，圆筒形单板层积材( 圆筒l l ) 符合未来经济可持续 发展的需要。圆筒形l v l 加工方法简单，生产效率高；它是由数层单板交错层积制成 的，每层单板的纤维方向均与圆筒的长轴方向稍有倾角，这种结构与木材细胞壁中s 2 层的结构相似，因而在长轴方向有很高的强度，并且消除了木材构造中的径弦向差别； 圆筒l v l 为中空结构，与原木相比质量轻；另外还可根据圆筒l v l 的最终产品性能选 择原材料的树种及层积数量。所以，在木材资源尤其是大径级原木短缺的今天。研究圆 筒l v l 的各方面性能是必要的，同时也是迫切的。 玻璃纤维增强的圆筒l v l 是以木质单板为基体材料，以玻璃纤维为增强材料的一种 1 绪论 木质工程材料。而力学强度和尺寸稳定性作为木质工程材料的两项重要的性能指标，是 决定木质工程材料的使用安全性和耐久性的重要因素。本研究目的在于，通过采用在圆 筒l v l 中添加玻璃纤维的方法，来提高产品的力学强度和尺寸稳定性。具体研究内容 有： 1 、原材料的物理力学性能研究； 2 、不同纤维倾角的交错构造单板层积材的抗拉强度、弹性模量的测试及理论推导； 3 、玻璃纤维增强的圆筒l v l 的吸湿特性、尺寸稳定性及力学性能的研究。 2 圆筒l v l 原材料的性能测试 作为一种新型的木质工程材料，圆筒l v l 的尺寸稳定性和力学性质是衡量其产品 质量的重要指标，而影响这两方面性能的主要因素是原材料的性能。因此掌握原材料的 物理力学性能，对原材料的合理利用以及终产品性能的设计都具有重要的指导意义。本 章重点考察圆筒l v l 的基体材料单板的吸湿特性和抗拉强度。 2 1 实验材料 本试验以我国常见树种杨木和桦木为研究对象。 随着经济的发展以及人们对大自然追求，木产品越来越受人们的青睐，同时使得我 国森林资源总量不足的问题日显突出。为从根本上缓解我国木材的供需矛盾。国家林业 局提出了建设“速生丰产用材林基地工程”的战略( 黎云昆，2 0 0 3 ) ，而杨木则是我国 速生人工林的主要树种之一，自二十世纪六十年代以来，营林面积达6 0 0 多万h m 2 ( 叶 克林等。2 0 0 3 ) 。桦木则是我国黑龙江地区的主要树种之一，其蓄积量占小兴安岭森林 资源的4 0 ( 曾春雷等，2 0 0 0 )，并且，杨木和桦木的材质较差，很少作为工程材料 使用。在工业生产中的利用率较低。圆筒l v l 对单板的尺寸和质量要求都较低，为合 理利用速生材以及提高产品的附加值提供了有效途径( h s a s a 等。1 9 9 9 ) 。 试验用旋切单板购自黑龙江省绥化市，单板厚度为2 0 r a m 。实验前将杨木和桦木单 板在室温下陈放，待用。 试验选用四种化学试剂。即m g c l 2 ，n a n 0 2 ，( n t h ) 2 s 0 4 ，c a s 0 4 ，用于调节环境 的相对湿度。 2 2 实验仪器及设备 干燥器，规格：2 4 0 m m ：体积：6 7 5 x 3 4 x 2 8 c m ； 电子天平，型号：1 7 0 2 ：精度：0 0 0 0 1 9 ； 岛津万能力学试验机，型号：a g 1 0 t a ； 电热恒温鼓风干燥箱，型号：1 0 1 2 5 ； 相对湿度测定仪。 2 3 测试方法 2 3 1 单板吸湿特性 置于一定温度与一定楣对湿度环境中的木材当外部的蒸汽压比饱和蒸汽压低，且 木材表面层的蒸汽压与外部的蒸汽压相等时，湿度达到相对平衡。在此平衡状态下的木 材含水率称为平衡含水率。表示各种不同的空气相对湿度和木材含水率关系的曲线称为 2 圆筒l v l 原材料的性能测试 木材的水分吸着等温线，根据布鲁纳尔( s b r u n a w r ) 的分类，等温吸附有5 种类型， 木材的等温吸附曲线属于s 形曲线，是多层分子的吸附，形成固体溶液。通常指在某种 条件下，木材与水蒸气相互作用的过程称为吸着；当降低气压，木材放出水的过程称为 解吸。木材的水分吸着滞后现象是指在同一相对湿度时，吸着时的吸水量低予解吸时的 吸水量( 李坚，2 0 0 2 ) 。 根据资料，不同的化学药剂在封闭的容器中，其饱和水溶液表面的蒸汽压不同，最 终形成的平衡水汽压( 或相对湿度) 也不同( 徐信武，2 0 0 3 ) 。本研究根据此原理，购 置了4 个干燥器，分别加入4 种不同的化学药剂，调制成饱和溶液，形成相对湿度系 列：3 3 ，6 6 ，8 1 ，9 8 。试验过程示意图如2 1 。 试件的制备：试件制备前，将杨木和桦木单板在温度为2 0 士3 ，相对湿度为 6 5 士1 的条件下陈放2 周，终含水率达到约1 2 。用刀片裁成尺寸为2 5 r n m ( w ) 1 2 5 m m ( l ) 的单板条，与上述相对湿度系列( 4 个水平) 相对应，将试件分成两组 ( 每组5 片) ，分别用于吸湿和解吸试验。 湿性能的测定包括吸湿和解吸两个过程。 a ：吸湿过程 1 ) 、将试件在温度为7 0 的条件下干燥2 天； 2 ) 、将干燥后的试件置于各相对湿度环境中，陈放4 周； 3 ) 、称量试件，得到各相对湿度下达到平衡状态时的试件重量( w ) ； 4 ) 、将试件置于温度为1 0 3 2 的条件下干燥2 4 小时，得到试件的绝干重( w o ) ： 5 ) 、计算试件的平衡含水率 b ：解吸过程 1 ) 、将试件置于水中直至达到平衡状态，此时试件的含水率接近纤维饱和点； 2 ) 、将试件置于各相对湿度环境中，陈放4 周； 3 ) 、称量试件，得到各相对湿度下达到平衡状态时的试件重量( w 1 ) ； 4 ) 、1 0 3 2 下干燥试传2 4 小时，得到试件绝干重( w o ) ； 5 ) 、计算试件的平衡含水率 吸湿与解吸过程中，试件的平衡含水率( e m c ) 按以下公式计算： e m c ( ) = ( w j w o ) w o x1 0 0 图2 - 1 试验过程示意图 劁 图2 - 2 顺纹抗拉试验示意图 2 3 2 单板顺纹抗拉强度 2 3 2 1 试件的制备 因地区间环境湿度存在差异，故在裁取试件前，将杨木和桦木单板置于温度为 2 0 - a ：3 ，相对湿度为6 5 士1 的条件下陈放2 周，终含水率达到约1 2 后，再从每张单板 上裁取2 5 m m ( w ) 1 2 5 m m ( l ) 的单板条。我们知道，在拉伸测试过程中，试件往 往在夹具夹持附近发生断裂，而试件的破坏横截面积通常是按照试件长度的中心位置计 算。所以，为了使试件的断裂部位与破坏横截面积的位置相符合，必须在试件中间人为 加工出一个高应力区，使试件断裂发生在该区域内部。为此，采用特殊的模具，将试件 制成两端宽，中问窄的形状，见图2 - 2 。 2 3 2 2 拉伸实验 将在不同相对湿度条件下进行调湿处理的单板试件分成若干组，每组为l o 个试 件。分别测量试件中间应力区的厚度和宽度，并将数据输入到试验机的调控计算机中。 采用岛津万能力学试验机，抗拉步进速率为4 m m m i n ，测量不同调湿处理后试件的抗拉 强度。 调湿处理所采用的相对湿度分别为3 3 、6 6 、8 1 和9 8 ，以相对湿度测定仪测 定的干燥器内相对湿度恒定为标准，确认试件达到恒重。 2 4 结果与分析 2 4 1 单板吸湿特性 表2 1 列出了杨木、桦木单板在不同环境相对湿度下的吸湿、解吸平衡含水率的平 均值，以及标准差和变异系数。图2 2 、2 3 分别为杨木、桦木单板的相对湿度与平衡含 水率的关系，即单板的吸湿等温曲线。 表2 - 1 不同相对湿度下的平衡含水率( ) 注：a d 一一吸湿( a d s o r p t i o n ) ，d e 解吸( d c s o r p t i o n ) ；括号内分别是标准差和变异系数 2 目筒l v l 原材科的性b 瞒i 试 4 0 3 0 罨 蔫2 0 始 牛 1 0 0 02 04 06 08 0 1 0 0 环境相对湿度 + 吸湿平衡含水率 4 0 3 0 廿 槲 嚣2 0 萋 1 0 0 02 04 06 08 01 0 0 环境相对湿度 + 解吸平衡含水率 图2 - 3 单板的吸湿等温曲线 表2 1 、图2 3 体现了杨木和桦木单板的吸湿特性。从以上数据可以看出，在吸湿 过程中，桦木的平衡含水率稍高于杨木；在解吸过程中，两种木材的平衡含水率几乎相 当，并且均显示出明显的吸湿滞后现象。木材吸湿滞后是因为，木材中纤维素的吸湿是 发生在非结晶区的游离羟基或新产生的游离羟基上，解吸是已润湿了的纤维脱水发生收 缩。在干燥过程中，首先是水分子间氢键断裂，这是纤维素水体系中能量最低的结 合。水分脱除后，纤维表面相互靠近，直到两个纤维素表面间仅保留一个单分子水层。 最后水分子中的- - o h 和纤维素中的- - o h 间的氢键开裂形成纤维素表面之间的氢键。 在这一过程中，由于纤维紊的网状结构的内部阻力。阻碍了自由的分子运动，被吸着的 水不易挥发，非结晶区的部分羟基重新形成纤维分子内或分子间氢键，但是氢键不是可 逆的关闭到原来状态，重新形成的氢键少了，即吸着中心多了，因而吸着水量相应较 多，产生滞后现象( 李坚，2 0 0 2 ) 。 2 4 2 单板颓纹抗拉强度 表2 - 2 和图2 4 给出杨木、桦木单板在不同环境相对湿度条件下的抗拉强度。 表2 - 2 不同环境相对湿度条件下的抗拉强度( m p a ) 7 6 1 38 7 3 2 9 5 3 26 0 2 3 杨木( 8 6 0 ，1 1 3 0 )( 1 2 7 ，1 4 5 )( 5 4 8 ，5 7 5 )( 4 1 6 ，6 9 1 ) 6 7 41 1 , 0 31 5 7 93 4 1 6 桦木( 5 7 2 ，8 8 9 )( 2 9 9 ，3 7 5 )( 7 6 1 ，8 5 2 )( 8 0 2