（木材科学与技术专业论文）浸渍法生产竹木复合强化单板层积材工艺研究(1).pdf

摘要 随着天然林保护工程的实施，高质量、大径级的木材资源愈来愈少，尤其是能够用 于建筑结构材的木材资源更少，如木结构房屋、桥梁等，取而代之的是速生丰产人工林。 本研究的目的是利用我国资源最多的毛竹( p h y l l o s t a c h y sp u b e s c e n s ) 和人工林杨木 ( p o p u l u ss p p ) 为原料，采用水溶性低分子量酚醛树脂浸渍技术，开发能够替代优质木 材利用的结构用竹木复合强化单板层积材。论文研究了酚醛树脂对杨木单扳和竹帘的浸 渍处理工艺技术，探讨了不同组坯工艺、热压工艺对板材物理力学性能指标的影响，分 析了扳坯在热压过程中的传热规律和竹木复合强化单板层积材物理力学性能指标的变化 规律，得出优化的竹木复合强化单板层积材生产工艺。通过研究得出以下结论： l 在常温常压和压力两种工艺下对不同浸渍时问的研究表明，单板浸渍量随着浸渍时间的 延长而增加，浸渍时问在2 h 内浸渍量增长速度快。在加压条件下药液浸渍量快速增加。 综合考虑生产效率和成本问题浸渍法生产竹木复合强化单板层积材建议采用加压浸渍 工艺。 2 施胶量相同时，对比浸胶与涂胶两种方式生产的单板层积材性能，结果表明，两种方 式生产的单板层积材的密度相同，而浸胶方式生产的单板层积材与涂胶方式的相比弹 性模量( m o e ) 和静曲强度( m o r ) 提高了2 0 1 7 和4 4 7 4 ，2 4 h 吸水厚度膨胀率 ( t s ) 降低了2 1 7 6 。 3 不同浸渍量单板生产的单板层积材密度、m o e 、m o r 随着浸渍量增多而增大，t s 随 之减小。单板浸渍量为1 6 8 时生产的单板层积材，密度为o ，6 6 9 c m 3 ，m o e 、m o r 为 1 5 3 4 g p a 和1 3 5 3 1 m p a ，分别达到和超过了日本结构用层积材标准1 4 0 e ( 1 4 g p a ) 和 1 8 0 e 特级( 6 7 5 m p a ) 标准。 4 通过对浸渍方式生产竹木复合强化单板层积材的热压传热规律研究表明：施胶量相同 时，与涂胶方式相比浸胶方式的板坯芯层传热速度较快；并且随着单板浸渍量的增加 板坯传热速度加快。浸渍量1 3 0 ，热压温度为1 5 0 ，热压压力1 0 m p a 时，1 8 m m 厚板坯热压时：卷层温度达到酚醛树脂( p f ) 固化温度( 1 3 9 。c ) 时的热压时间为1 8 m i n 。 5 对竹木复合强化单板层积材的8 种不同组坯方式研究表明：竹帘位置愈靠近表层竹木 复合强化单板层积材力学强度愈大；随着竹帘层数增多，产品密度增大，而m o e 、 m o r 和t s 有所下降。浸渍量为1 3 0 厚度为2 0 r a m 单板在表层为竹帘组坯方式f 生 产的竹木复合强化单板层积材与纯单板层积材相比m o e 、m o r 分别提高了1 6 和3 3 。单板厚度对层积材性能影响的方差分析结果表明单板厚度对所考察的竹木复合强 化单板层积材性能指标影响不显著。 6 热压工艺参数对竹木复合强化单板层积材性能影响情况表明：热压温度越高、热压时 问越长、压缩率越大竹木复合强化单板层积材的力学强度越高。综合考虑各种条件， 采用浸胶法生产竹木复合强化单板层积材时建议热压工艺参数为：热压温度1 4 0 1 6 0 。c ，热压时问为1 2 1 6m i r d m m ( 板厚) ，压缩率为1 5 2 5 ，可根据设备条件和 生产能力以及对产品最终性能的要求进行选择。 关键词：竹木复合，强化，单板层积材，浸渍，热压工艺 a b s t r a c t a sp r o t e c t i n gn a t u r ef o r e s tp r o j e c ti m p l e m e n t e d ，t h e r ew e r el e s sa n dl e s ss u p e r i o r - p r o p e r t y a n db i g s i z ew o o di nm a r k e t ，e s p e c i a l l yw h i c hc o u l db eu s e di nc o n s t r u c t i o ns u c ha sw o o d b u i l d i n ga n db r i d g ee t c ，w h i c hw e r er e p l a c e db yf a s t g r o w i n gp l a n t a t i o nw o o d t h eo b j e c t i v e o ft h i s p a p e rw a st oe x p l o r el o w d e n s i t ya n ds u p e r i o r - p r o p e r t yb a m b o o w o o dc o m p o s i t e s t r e n g t h e n e dl a m i n a t e dv e n e e rl u m b e r ( b w c l v l ) w h i c hu s e dm o s ob a m b o o ( p h y l l o s t a c h y s p u b e s c e n s ) c u r t a i na n dp o p l a r ( p o p u l u ss p p ) v e n e e ra sr a wm a t e r i a lb yl o w - m o l e c u l a r - w e i g h t w a t e r - s o l u b l ep h e n o l f o r m a l d e h y d e ( p f ) r e s i ni m p r e g n a t i n gp r o c e s s t h i sp a p e rs t u d i e dv e n e e r a n db a m b o oc u r t a i ni m p r e g n a t i n gt e c h n o l o g y , i n v e s t i g a t e dt h ed i f f e r e n ta s s e m b l ep a t t e r n sa n d h o t - p r e s s i n gp r o c e s se f f e c to nb w c l v lp r o p e r t i e s i ta l s or e v e a l e dt h em a th e a t t r a n s f e r r i n g r u l e sw h e ni nh o t - p r e s s i n gp r o c e d u r e ，a n dg o tt h eo p t i m i z e dp r o d u c i n gp r o c e s so fb w c l v l a f t e rs t u d y i n g ，w eg o tc o n c l u s i o n sa st h ef o l l o w s ： 1t h ei n v e s t i g a t i o no fe f f e c to fi m p r e g n a t i n gt i m ei n d i c a t e dt h a ta st h ei m p r e g n a t i n gt i m e p r o l o n g i n gg a i n e dr e s i na m o u n ti n c r e a s e d t h ep r e s s u r ep r o c e d u r ec o u l di m p r o v et h e g a i n e d - r e s i na m o u n ts i g n i f i c a n t l y c o n s i d e r e dp r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n dt h ec o s tw h e n p r o d u c e db w c l v lt h ep r e s s u r ep r o c e d u r ew a ss u g g e s t e d 2w i t ht h es a m ea d h e s i v ea m o u n t ，c o n t r a s t i n gt ot h el a m i n a t e dv e n e e rl u m b e rp r o p e r t i e sw h i c h m a d eb yg l h es i z i n ga n di m p r e g n a t i n gm a n n e rw eg o tt h a tb yt w om a n n e r st h ep r o d u c th a d t h es a m ed e n s i t nc o n t r a s tt ot h el a m i n a t e dv e n e e rl u m b e rb yg l u es i z i n gm a n n e r , m o ea n d m o ro fl a m i n a t e dv e n e e rl u m b e rw h i c hm a d eb yr e s i ni m p r e g n a t i n gm a n n e rw e r ei n c r e a s e d b y2 0 1 7 a n d4 4 7 ，a n dt h i c k n e s ss w e l l i n gd e c r e a s e d2 1 7 6 3 a f t e rs t u d y i n gp o p l a rv e n e e ri m p r e g n a t e d r e s i na m o u n te f f e c to nl v l p r o p e r t i e sw eg o tt h a t ： a st h ei m p r e g n a t e d r e s i na m o u n ti n c r e a s e d ，l v ld e n s i t y , m o e ，m o ri n c r e a s e da n dt s d e c r e a s e d w h e nt h ea h s o r b e dr e s i na m o u n tw a s1 6 8 t h em o ea n dm o ro fl v lw e r e 1 5 3 4 g p aa n d1 3 5 m p a ，w h i c hr e a c h e da n de x c e e d e dj a p a ns t r u c t u r a ll v ls t a n d a r d 14 0 e ( 14 g p a ) a n d18 0 e ( 6 7 5 m p a ) r e s p e c t i v e l y 4 t h eb w c l v lh e a t t r a n s f e r r i n gr u l ei nh o t - p r e s s i n gr e v e a l e dt h a tf o rt h er e s i nd e n s i f i e d a c t i o n ，w i t hs a m ea d h e s i v ea m o u n t ，i nr e s i ni m p r e g n a t i n gm a n n e rt h em a tc o r el a y e rh a d f a s t e rh e a t t r a n s f e r r i n gs p e e dt h a na d h e s i v es i z i n gm e t h o d ，a n di n c r e a s i n ga sv e n e e r i m p r e g n a t e d r e s i na m o u n ti n c r e a s e d w h e nr e s i ni m p r e g n a t e da m o u n t13 0 ，h o t - p r e s s i n g t e m p e r a t u r e w a s l 5 0 。c ，h o t p r e s s i n g p r e s s u r e w a s l 0 m p a ，t h ec o r e l a y e r t e m p e r a t u r e r e a c h e dt op fr e s i ns o l i d i f yt e m p e r a t u r e l4 0 cn e e d e d18 m i n 5 a f t e rs t u d y i n gt h eb w c l v lp r o p e r t i e si n8k i n d sa s s e m b l ep a a e r n st h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ep r o d u c th a ds u p e r i o rp r o p e r t i e sw h e ns u r f a c ew a sb a m b o oc u r t a i n a sv e n e e r t h i c k n e s sw a s2 0 m mw i t hs u r f a c ew a sb a m b o oc u r t a i n b w c l v lm o ea n dm o r i n c r e a s e db y1 6 a n d3 3 c o m p a r e dt ol v l t h e p o p l a rv e n e e rt h i c k n e s sd i d n th a v e n o t a b l ei n f l u e n c eo nb w c l v lp r o p e r t i e s 6 t h eh o t p r e s s i n gp r o c e s se f f e c to nb w c l v li n d i c a t e dt h a tw i t ht e m p e r a t u r ea n d h o t p r e s s i n gt i m ea n dc o m p r e s s i n gr a t i oi n c r e a s e dt h ep r o p e r t i e so fb w c l v li m p r o v e d a b o v ea l lt h ec o n d i t i o n s ，w h e nm a n u f a c t u r e db w c l v lb yr e s i ni m p r e g n a t i n gm a n n e r , s u g g e s t e dt h eh o t p r e s s i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e r sw e r eh o t p r e s s i n gt e m p e r a t u r e l 4 0 1 6 0 。c ； h o t p r e s s i n g t i m e l 2 - 1 6 m i n m m ( p r o d u c t t h i c k n e s s ) ；c o m p r e s s i o nr a t i 0 1 5 2 5 a n d i t c o u l db ec h o s ea c c o r d i n gt oe q u i p m e n tc o n d i t i o na n dt h ep r o d u c tl a s tu t i l i z a t i o nr e q u e s t k e y w o r d s ：b a m b o o w o o dc o m p o s i t e ，s t r e n g t h e n e d ，l a m i n a t e d v e n e e rl u m b e r i m p r e g n a t i o n ，h o t p r e s s i n gp r o c e d u r e 图表目录 表目录 表1 - 11 9 9 5 2 0 0 5 年北美l v l 产量表 表2 1 杨木单板参数指标“ 表2 - 2 性能检测项目表。1 3 表3 1 浸渍处理工艺与浸渍量的关系1 7 表3 - 2 物理力学性能表1 9 表3 3 方差分析表1 9 表3 4 不同浸渍工艺条件下竹帘浸渍量2 3 表3 5 竹木复合单板层积材性能指标2 3 表3 - 6 方差分析表一2 4 表5 1 变量因子及其水平表3 5 表5 2 竹木复合强化单板层积材工艺研究j 下交试验方案表3 5 表5 3 性能指标表3 6 表5 - 4 方差分析表3 7 表5 5 不同组坯方式的竹木复合l v l 性能4 0 表5 - 6 方差分析表4 l 表5 7 单板厚度不同时竹木复合强化单板层积材的性能4 5 表5 8 方差分析表4 6 表5 - 9 热压温度对竹木复合单板层积材性能影响4 8 表5 1 0 方差分析。4 9 表5 1 i 热压时间对竹木复合单板层积材性能影响一5 l 表5 1 2 方差分析表5 2 表5 1 3 压缩率对竹木复合单板层积材性能影响5 4 表5 1 4 方差分析表5 5 图目录 图3 1 树脂浸渍量对杨木单板层积材性能影响 图3 - 2 竹帘浸渍量对竹木复合强化单板层积材性能影响2 4 图4 1 竹帘对竹木复合强化单板层积材芯层传热的影响2 8 图4 2 施胶方式对表、芯层传热的影响2 9 图4 3 浸渍量对表、芯层传热的影响3 0 图4 - 4 热压温度对芯层传热速度的影响3 l 图4 5 热压压力对芯层传热速度的影响3 2 图5 1 层合板几何标志图3 8 图5 2 组坯方式图3 9 图5 3 组坯方式对竹木复合强化单板层积材m o e 的影响4 l 图5 - 4 组坯方式对竹木复合强化单板层积材m o r 的影响4 2 图5 5 组坯方式对竹木复合强化单板层积材密度的影响4 2 图5 6 组坯方式对竹木复合强化单板层积材t s 的影响4 3 图5 7 单板厚度对竹木复合强化单板层积材m o e 的影响4 7 图5 8 单板厚度对竹木复合强化单板层m o r 的影响4 7 图5 9 单板厚度对竹木复合强化单板层积材密度的影响4 7 图5 1 0 单板厚度对竹木复合强化单板层积材t s 的影响4 7 图5 1l 热压温度对竹木复合强化单板层积材m o e 的影响4 9 图5 1 2 热压湿度对竹木复合强化单板层积材m o r 的影响4 9 图5 一1 3 热压温度对竹木复合强化单板层积材密度的影响5 0 图5 1 4 热压温度对竹木复合强化单板层积材t s 的影响5 0 图5 1 5 热压时间对竹木复合强化单板层积材m o e 的影响5 2 图5 1 6 热压时问对竹木复合强化单板层积材m o r 的影响5 2 图5 1 7 热压时间对竹木复合强化单板层积材密度的影响一5 3 图5 1 8 热压时问对竹木复合强化单板层积材t s 的影响5 3 图5 1 9 压缩率对竹木复合强化单板层积材m o e 的影响5 5 图5 2 0 压缩率对竹木复合强化单板层积材m o r 的影响5 5 图5 2 1 压缩率对竹木复合强化单板层积材密度的影响 5 6 图5 2 2 压缩率对竹木复合强化单板层积材t s 的影响5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：同期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的 规定，中国林业科学研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国林业科学研究院可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 年月日 学位论文作者毕业联系方式 工作单位： 联系电话： 电子邮件： 通讯地址、邮编： 导师签名： 年月日 1 1 前言 第一章绪论 我国森林资源贫乏，而人工林本材和竹材资源却相对丰富。杨树是我国主要的人工 林树种之一。我国杨树人工林面积已达8 0 0 万公顷，无论是杨树种植面积还是蓄积量均居 世界首位【1 瑚。但由于人工林杨树生长周期短，其木材密度低( 基本密度o 3 5 9 e r a 3 左右) 、 材质松软，机械强度低，不宜做工程结构材料，主要应用于包装、一次性筷子和建筑用 木桩等，产品附加值较低。以人工林杨木为原料采用新技术和新方法开发能够替代优质 木材利用的结构用和功能型人造板对提高人工林杨树木材利用率及扩大其使用范i 羽等都 具有重要意义。竹材是我国的特色资源，无论其面积，还是种类和产量均居世界首位。 竹材具有生长快、强度高、韧性好、耐磨等优点，但也存在径级小、出材率低、表面光 洁度差、不易加工的缺点。以我国资源丰富的竹材和人工林木材为原料，采用新工艺和 科学的生产方法生产的竹木复合材料可充分发挥竹材和木材各自的优点，性能上具有比 强度大、弹性模量大、力学强度高等特点，能够替代优质木材被应用于结构建筑、家具、 交通运输等领域。因此对竹木复合材料的开发和利用不仅实现了小材大用、劣材优用， 对缓解我国优质木材供需矛盾、促进生态建设、提高农民收入等也具有重要意义1 3 叫。 由于人工林木材本身密度小、材质较软，竹材施胶性能差的缺点，采用常规涂胶方 法生产的竹木复合材料在使用过程中会出现尺寸不稳定、竹材和木材胶合性能不好等现 象，所以需要特殊的生产方法来改善竹木复合材料的使用性能。采用低分子量酚醛树脂 浸渍处理竹帘和单板并按纹理相同方向组坯再经热压胶合后生产的竹木复合强化单板层 积材，其在结构由单板平行组坯保留了实木天然的结构特性，同时在单板旋切和裁剪过 程中又去除了木材本身的节予等缺陷，再加上浸渍树脂的密实作用以及竹帘的增强效果， 与常规方法生产的单板层积材相比竹木复合强化单板层积材相比表面硬度、力学强度和 尺寸稳定性都得到呢显提高，可应用于木结构建筑和桥梁、船舶甲板等强度和尺寸稳定 性要求高的领域。到目前为止国内外对竹木复合强化层积材有了较多的研究，但是对浸 溃法生产竹木复合强化单板层积材的研究还鲜有报道。因此，本论文在相关研究的基础 上探讨了竹帘和杨木单板的浸渍处理工艺，竹木复合强化单板层积材在热压过程中传热 第一章绪论 规律，重点研究了树脂浸渍量、组坯方式、单板厚度、热压时间、热压温度和压缩率等 对其物料力学性能的具体影响情况，目的是探讨竹木复合强化单板层积材的优化的生产 工艺参数，丌发结构用竹木复合强化单板层积材。 1 2 单板层积材的研究和应用 单板层积材( l a m i n a t e dv e n e e rl u m b e r ，简称l v l ) 是由多层单板沿顺纹方向( 也可 以加入横纹) 组坯热压而成的一种板材。单向组坯平行热压的尘产方式使得单板层积材 与实木相比具有结构均匀、强度高、尺寸稳定性好等优点，能够满足木结构建筑、桥梁、 家具和交通等领域的使用要求。利用小径级低质速生材旋切的单板生产的单板层积材来 代替大径级原木的使用，不仅可以实现劣材优用、小材大用，实现速生材的高效利用并 拓宽了其应用领域，同时对缓解木材短缺所带来的矛盾也具有重要的意义。国内外对单 板层积材都有较多的研究。尤其北美等国家将单板层积材广泛应用于木结构建筑等领域。 1 2 1 单板层积材生产原料 用于生产单板层积材的原料树种很多，大致分为两类：非结构型单板层积材用树种 通常密度一般在o 2 9 0 9 c m 3 o 6 9 3 c m 3 ，如杨木，桦木，鹅掌楸，山毛榉，红桦等，在 北美主要有白杨和美国鹅掌楸，密度都在o 3 9 0 0 5 0 0g c m 3 ，与北美针叶树种的密度相 当。欧洲也用于l v l 制造的阔叶材树种主要有：杨木( p o p u l u ss p p ) 密度为0 4 2 0g c m 3 ， 土耳其橡木( q u e r c u sc e r r i s ) 密度为( o 7 2 0e j e m 3 ) ，白桦木( b e t u l av e r r u c o s a ) 密度为 o 6 4 9 c m 3 ，及山毛榉( f a g u ss i l v a t i c a ) 密度为0 7 2 7g c m 3 。结构型单板层积材用树种 通常包括落叶松、马尾松、湿地松、云南松、思茅松、辐射松、黄松、花旗松、樟子松 等针叶材闭。 1 2 2 单板层积材的分类 由于单板层积材在其规格、强度性能等方面的优势，因此具有非常广泛的应用范围， 根据其用途可分为结构用单板层积材和非结构用单板层积材两种。结构用单板层积材一 般用于瞬间或长期承受载荷的结构部件，如大跨度建筑设施的梁或柱，木结构房屋、车 辆、船舶和桥梁等承载结构部件；非结构单板层积材一般用于家具和室内装饰装修等， 如木制品、门、门窗框、室内隔板等。 2 第一章绪论 1 2 2 1 结构用单板层积材 目前在北美有9 0 的住宅建筑都是木结构，因此单板层积材( 主要是结构用单板层 积材) 成为北美发展最快的人造板材之一，在北美市场上有6 l 的单板层积材被用作工 字型楼板托梁，3 l 被用作桁架和梁柱等，8 被用作枕木、承重墙等 8 1 。2 0 0 5 年北美单 板层积材产量达到2 5 6 4 0 力m 3 ，比2 0 0 4 年上升了5 。最近几年北美单板层积材的生产 量如下表所示。 表1 11 9 9 5 2 0 0 5 年北美l v l 产量表 t a b 1 - i1 9 9 5 - 2 0 0 5n o r t h a m e r i c al v l o u t p u t 美国作为最大的建筑l v l 生产和消费国，目前已有多家建筑用l v l 公司生产托梁等， 其中t r u sj o i s tm a c m i l l a nl i m i t e d 公司注册了商品名为m i e r o l l 跚m 的l v l ，主要被用作 桁架和工字型楼板托梁。加拿大目前有3 家公司生产结构用l v l ，其中d u r a n d - r a u t e 公 司最早开发了采用指接或斜接的方式生产大规格的l v l ，并注册商品名s e l e c t e m ， 年产量达1 9 0 0 0 m 3 【9 1 。在亚太地区，l v l 的生产能力以年均1 0 的速度增长。印尼有2 条l v l 生产线，新西兰有l 条生产线；日本神户大地震之后大量推广木结构房屋，将成 为仅次于美国的第二大建筑用l v l 生产国，其生产能力约为加拿大的2 倍，共有l v l 全套生产线4 条；到目前为止，在法国和芬兰也都有以法国杨木为原料的单板层积材的 工业化生产。我国从1 9 8 5 年开始了单板层积材的研究工作，但到目前为止结构用单板层 积材还没出现大规模的生产和应用。 当今在北美生产l v l 原料主要为中低密度( 0 2 9 o 6 9 3 9 e r a 3 ) 的树种，其中9 5o , 都为针叶材，主要有北美的松木和冷杉，以及智利南洋杉等；到目前为止，在北美三家 企业利用黄杨、桦木等阔时材为原料生产单板层积材，有关利用密度较高的树种如桉树 单板来生产l v l 的研究较少。1 9 8 8 年h s u 【l o 】等首次提出了利用不同树种单板生产l v l 的方法，结果发现表层为密度较高的桦木单板与芯层为杨木单板复合而成的l v l 强度比 纯杨木单板层积材有明显提高，有关其它树种之间复合的研究尚未开展。1 9 9 5 年k i m m e l i t l 等人首次将超声波应用到单板分等技术上来，使单板在生产l v l 过程中得到充分的利 用。1 9 9 6 年，c o l l i n s 【1 刁等开始了利用密度较高的澳大利亚桉树( 密度大于o 7 k 叭0 ) 来生 第一章绪论 产l v l 的研究，结果显示：单板的旋切和l v l 胶合强度是生产高密度树种l v l 亟需解 决的重要问题。因此，开发利用小径级人工速生阔叶材以及多种单板复合来生产强度高、 性能好的结构用单板层积材还有待进一步的研究。 我国南京林业大学己研发了以毛竹和马尾松为原料的竹木复合层积材，被国际集装 箱界公认可作为龙脑香集装箱底板的替代品。2 0 0 0 年南京林业大学许斌等【1 3 1 研究了竹 木复合层积材横纹静摩擦系数，结果表明：竹木复合强化单板层积材最大静摩擦系数大 于大多数木材，在板材的横向( 竹材横纹方向) 防止所载物体惯性移动方面优于红松。2 0 0 2 年徐咏兰，华毓坤等1 1 4 对单板层积材蠕变特性、弹性模量以及静曲强度进行了研究，研 究表明：l v l 的蠕变特性曲线同木材的相似；通过提高l v l 的密度和合理组坯是改善其 力学性能和蠕变特性的较好途径。 1 2 2 2 非结构用单板层积材 单板层积材除了被用作结构材之外，还大量的被用于家具、室内装饰、楼梯、地板 和体育器材等等。目前亚洲对非结构用单板单板层积材的使用较多，在北美和欧洲市场 上所占的比例较少。非结构单板层积材以日本市场最具有代表性，其占市场的7 7 ，其 中5 l 被用作建筑的装饰柱、楼梯扶手和地板等，7 被用作家具领域和4 2 被用作其 它领域。我国单板层积材的研究和利用较少，山东凯林人造板工业有限公司生产的单板 层积材，主要被用作包装箱板和车厢底板等。针叶材和阔叶材都可以用来生产非结构单 板层积材。 国内外对在家具和交通运输领域应用的非结构单板层积材进行得研究较多。早在 1 9 8 3 年日本w a t a n u k i 等就研究了橡树、云杉单板层积材在框式家具上的利用i ”】。1 9 8 7 年 h o o v e r 等从结构性能、经济效益和l v l 的回收利用探讨了红橡木、橡胶木和黄杨单板层 积材用作框式家具零部件的可行性1 1 6 1 ，结果表明：在家具领域单板层积材不论在美观上 还是性能和经济效益上都完全能够代替实木使用：并且制定了家具零部件设计规范。1 9 9 9 年鲍甫成、傅峰等以3 个无性系实体杨木和由3 种不同厚度杨木单板分别组配的单板层 积材为对象研究人工林杨木用途实木或单板层积材的选择：并以人工林杨木为对 象研究了实木材性对单板层积材强度的贡献率【1 7 a s 。 1 2 3 单板层积材的新工艺、新方法 利用中低密度的树种生产的单板层积材，在用作室外建筑构件、地板及车厢底板过 第一章绪论 程中，都会出现表面硬度和强度低，尺寸稳定性和耐腐耐候性能差等问题，不能够满足 使用要求。因此，在利用树种浸渍处理术材提高其尺寸稳定性的基础上，目前在国内外 都出现了有关利用树脂浸溃单板的方法来生产表面硬度高、尺寸稳定性好、具有一定的 耐腐耐候性能的强化单板层积材的研究。 1 9 9 4 年加拿大新不伦瑞克大学的m h s c h n e i d c r 【19 】和1 9 9 7 年r 本的中用欣作、杉本 英明、井上雅文等口0 】都进行了利用酚醛树脂浸渍处理的方法生产强化单板层积材的研究。 结果表明，用经过浸渍处理的单板胶合而成的单板层积材具有较好的尺寸稳定性，以花 旗松为原料的纯顺纹密度为1 3g e m 3 的单板层积材力学强度是其平行胶合木的2 7 倍。 2 0 0 5 年中国林科院木材工业研究所张占宽、刘君良等【2 ，采用抽真空加压方式，对杨 木单板进行酚醛树脂浸渍处理，制成硬度、抗弯强度、耐水性、尺寸稳定性等指标均远 高于普通单板层积材的密实型杨木单板层积材。2 0 0 5 年中国林科院木材工业研究所王小 青以浸渍酚醛树脂的杨木单板和竹帘为原料制备了竹木复合强化单板层积材。结果表明： 该材料的m o e 和m o r 均达到或超过了只本农林水产省告示第2 3 7 号日本农林标准的结 构用单板层积材的相关规定1 2 2 l 。单板厚度、树脂浓度、压缩率对m o e 、m o r 有显著 影响，但各个因素对材料的具体影响情况没有更深入的研究。因此，尽管目前国内外都 有采用树脂浸渍的方式来提高单板层积材的性能，但具体的增强机理和采用其它方法来 生产强化单板层积材也有待进一步的研究。 1 2 4 单板层积材的市场前景和发展趋势 随着北美等国家木结构建筑的发展，在未来十年用来生产桁架、梁柱和工字型粱的 结构用单板层积材在北美市场上仍占有绝对优势；我国对单板层积材的研究利用还处于 萌芽阶段，但从建筑领域来看，我国仅城乡住宅建设每年消耗的木材就占全国总量的2 0 ，据测算，到2 0 1 0 年我国城乡建筑木材总用量将达8 5 5 0 万o ，再加上家具、建筑、 桥梁和运输等行业的发展，能够代替优质木材利用的单板层积材在国内外将会有广阔的 市场前景。 结合国内外森林资源和木质材料的利用现状，笔者认为单板层积材将会有以下发展 趋势： 1 ) 以针叶材为原料生产建筑和桥梁等行业利用的大规格结构用单板层积材，在北美市 场上仍将占很大优势。 第一章绪论 2 ) 随着优质木材的同益减少，利用人工速生林生产单板层积材将会越来越受到重视。 3 1 利用多种树种复合的方式生产强度较高的单板层积材，如表层为强度较高而芯层为 强度低的单板复合的单板层积材也将成为单扳层积材的发展趋势。尤其我国竹类资源相 对丰富，利用竹帘或竹席作表层单板为芯层的竹木复合型单板层积材在我国将有很大的 发展潜力。 4 ) 采用新工艺、新方法来生产满足特殊场合使用的功能型单板层积材( 如耐腐和耐 候性能好的单板层积材) 也将是单板层积材的发展方向。 1 3 竹木复合材料的研究和应用 1 3 1 国内竹木复合材料的研究和应用 我国目前对竹材的森林培育、生长特点、内部构造、化学成分以及物理力学性质都 有了深入的研究，同时还丌发了多种竹木复合材料产品。如以张齐生院士为首的南京林 业大学竹材工程研究中心的研究人员，研究的竹木复合集装箱底板可作为阿必东胶合板 底板的理想替代品，并获得中国发明专利2 3 1 。同时其研究的覆膜竹木胶合混凝土模板具 有吸水厚度膨胀率低，脱膜吸附力小、表明光滑等优点，被用于大型桥梁、高速公路立 交桥等大型建筑工程。朱一辛等f 2 4 】人研制了用于汽车车厢底板竹木复合层积材( l v l ) ，并 且许斌等测试了其横纹静摩擦系数，发现竹木复合层积材的横纹静摩擦系数大于红松， 可以作为火车平车底板使用。南京林业大学的王思群等人探索并深入研究了以毛竹和杨 木为原料的竹木复合定向刨花板( o s b ) 嘲，探讨了胶种，刨花厚度，竹材所占比率，板密 度，板坯结构，施胶量等诸因子对板材强度性能的影响。同时还研究使用低浓度硝酸， 氢氧化钠处理竹材和木材刨花的方法对竹木胶合性能进行了改掣2 6 1 。 福建林学院的许若璇等人为了充分利用胶合板生产中产生的碎单板，以提高资源利 用率，研究了碎单板竹片平行胶合板【2 7 1 。西南林学院吴章康等人对竹木复合中密度纤维 板工艺条件进行了深入的研究1 2 8 1 。探讨了竹木纤维混合比，压缩比和纤维筛分值等工艺 条件对竹木复合中密度纤维板性能的影响。结果表明：在合适的工艺条件下，可以生产 出具有优良性能的竹木复合中密度纤维板。 浙江林学院钱俊，福建省尤溪县林业科技推广中心的余昌茂等人曾研究了杉木厚度 变化对竹杉复合板性能的影响f 2 9 1 。通过竹黄蔑与杉木的胶合实验探索了不同的竹黄蔑与 6 第一章绪论 杉木厚度比对胶合后复合板性能之影响。中南林学院的赵仁杰也曾介绍了长条竹木复合 地板的结构与性能及其生产工艺流程与工艺要点0 0 。 为了更进一步的提高竹材的利用率，并充分发挥竹材和木材在竹木复合人造板中的 作用，目前就竹木复合材料的优化设计等也进行了较多的研究。南京林业大学的卢晓宁【”j 等人为了更好的预测和分析竹木复合层积材的力学性能，对杨木单板的横纹、顺纹和单 板面内剪切模量建立了预测模型，对预测整个层合板的刚度值以及整个结构的设计提供 了理论基础。张晓冬等人在此基础上，运用复合材料层合梁经典理论和一阶剪切变形理 论预测了竹木复合层合板的有效弹性模量、跨中正应力和挠度；并运用有限元分析的方 法对竹木复合层合板的弯曲性能进行了分析。蒋身学等人f 3 2 】运用对称层合板的弯曲刚度 理论对竹木复合层积材进行了结构设计与试验。结果表明竹木复合层积材在合理的结构 条件下，其力学性能能够满足铁路平车地板的特殊要求，是良好的铁路运输车辆用的工 程结构材料。张- t l , 安 3 3 j 等人对竹材增强单板层积材的动态与静态弯曲性能进行了分析， 发现在动态弯曲试验中竹材增强l v l 的动态弯曲强度值比静态的大，且杨木l v l 上下表 层为一层竹帘的动态弯曲强度大于中间为一层竹帘的杨木l v l 。王戈【3 4 j 根据层合梁的基 本理论研究了不同的层积形式对竹杉复合材料的力学影响规律，利用毛竹和杉木材料的 模量值推算和预测复合后材料的模量，并利用数字散斑的方法和理论研究不同层积材复 合形式的竹杉材料的静力弯曲过程的形变状态。 1 3 2 国外竹木复合材料的研究和应用 除中国外，日本和印度等国家也具有资源丰富的竹材。竹类在民族文化，城乡建设 和日常生活中都发挥着积极的作用。日本竹类工作者在开发竹类资源和竹材利用方面的 研究活动异常活跃，也进行了一些竹木复合方面的研究。1 9 9 4 年日本京都大学木材研究 所以柳安木、黄麻、竹材以及甘蔗渣复合制造复合纤维板，并对其各种性能进行了研列”j ， 同时还开展了采用竹材和木材纤维为原料，来生产竹木复合纤维板的研究工作。以不同 比例混合，分析了不同纤维混合比对板材物理力学性能的影响。结果表明：增加竹纤维 的混合比例有助于m o r 和m o e 的提高。z h a n gm “3 6 等人还运用有限元方法对三层竹 木复合板的性能进行了应力分析，结果发现：板材的应力及其分布与竹材与木材纤维的 表、芯层分布比率有密切的关系。日本s h i n m a e 大学将竹子和黄麻加入到木单板中以制 造强化胶合板，对用竹材和黄麻强化的胶合板的力学性能进行了探讨 3 7 1 ，通过引入竹材 7 第一章绪论 或黄麻进行复合，对于增加板材的抗弯和抗剪性能是一种有效的强化方法。在某些情况 下，竹材在4 5 0 方向强化效果良好，尤其是在这个方向的剪切刚度显著提高了。黄麻布在 所有胶层中的胶合性能良好，但不及竹材在4 5 0 方向剪切刚度提高得那么显著。 同本l h a ks u m a r d i d 等【3 8 】研究了竹片板( s t r a n d b o a r d ) ，探讨了生产工艺参数对无定 向竹片板物理力学性能的影响。树脂固体含量对板材性能的影响进行了重点的研究。 印度研究人员用稻壳和竹帘复合制造水泥模板【3 叭。板材结构是稻壳板材作芯层，表 面覆贴竹帘。采用酚醛胶( p f ) 为胶粘剂。这种水泥模板的性能也作了简要描述。1 9 9 3 年印度林业研究所的j a i n j d 等1 4 0 人以胶合板为面层，竹材为芯层制造竹木复合板，并测 试了其抗压和抗弯性能以及吸音性能。结果表明：这种结构的竹木复合板具有质量轻， 高强度以及优良的吸音性能。 t h a i l a n ds a l i mh i z i r o g l u 【4 l 】等研究了竹