（机械设计及理论专业论文）微米木纤维切削功耗计算理论及mfhb形成机理.pdf

摘舞 摘要 在木材工业中，人造板和造纸过程中木纤维加工消耗功率较大问题一直是困扰本行 业的一个瓶颈。本着节能降耗的原则，通过对传统纤维加工方法及功耗分析将微纳米 技术、木材细胞学、超精加工理论、仿真技术等一系列现代分析手段运用到木纤维的形 成过程中，木材的细胞直径相对较大，从现有的技术水平和实际应用的意义上讲，木材 加工的多数领域只能达到微米或亚微米水平。 本文以微米作为研究应用的主体，提出了微米木纤维的切削理论，提出了微米木纤 维切削降低能耗的理念。由于微米木纤维的尺寸量级已经小于传统木材切削机械系统的 间隙允许范围，利用传统的木材切削机械系统已经不t 叮能充成这些f e 务。通过微米术纤 维数学模型的建立和计算机仿真，模拟细胞加工的切削过程，并以此作为设计加工原理 性实验台以进行实验验证的基础数据，为最终指导工业化提供实验数据。并通过数学模 拟和计算机模拟，将微米木纤维的研究上升到了微观结构的研究中，并通过对纤维切削 方式和形状的变化来分析切削力的变化，科学地解释传统木纤维加工消耗的能源高、产 生的纤维质量差的本质原因。并以示例对微米木纤维的加工功率进行计算，将其与传统 加工方法的功率进行对比，得出以微米级机械法加工木纤维耗能远远低于热磨法，且可 以加工出质量较高的微米级长丝木纤维。 本文还提出利用微米木纤维，在普通设备上压出密度超过1 9 c m 的高密度和高强度 板的具体构成机理，研制成功具有我国白手知识产权的超高强度微米长纤维定向商密度 人造板( 简称m f h b ) 。利用木材细胞学剖分理论进行m f h b 计算机模拟，研究形成微米 木纤维的劈裂机理，利用纳微米技术解决m f h b 强度提高的问题。创建m f h b 和人造板在 复合材料力学和各向异性条件下的强度参数计算的公式及理论，用木材细胞学和微观力 学的方法对人造板强度参数进行描述，形成新的人造板微观力学强度计算理论。 关键词微米木纤维切削m f h b 功率 a b s t r a c t i nw o o di n d u s t r y ，t h em a j o rb o t t l e n e c kp r o b l e ma b o u tw o o df i b e rc o n s u m e dp o w e rd u r i n g w o o d - b a s e dp a n e la n dp a p c r m a k i n gp e r s e c u t e si t so w np r o f e s s i o n sa l la l o n g t h i sp a p e ri s a i m e da tt h ep r o b l e mo fh i g he n e r g yc o n s u n l ei nt h ep r o c e s so ft h em a d eo fw o o df i b e ri nt h e w o o d - b a s e dp a n e li n d u s t r y i nt h el i g h to fe c o n o m i z eo ne n e r g y ；p u tf o r w a r dt h et h e o r yo nt h e w o o df i b e ro f t h em i c r o nc u r i n ga c t i o n i nt h i sp a p e r , b ym e a n so f t h ea n a l y s i so np o w e rw a s t e t ot h et r a d i t i o np r o c e s s ，u t i l i z e das e r i e so f a n a l y s i sm e a s u r es u c ha sc y t o l o g y ，s u p e rp r e c i s i o n w o r kt h e o r ya n df i b e ra n ds oo nt ot h em i c r o m e t e rw o o df i b e rf o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n dp u t f o r w a r dt h ec o n c e p t i o no fw o o df i b e ro fm i c r o nc u 技i n ga c t i o n u t i l i z et h et r a d i t i o n a lw o o d c u r i n gm a c h i n et oc o m p l e t et h e s em i s s i o n sh a sb e e ni m p o s s i b l e ，o w i n gt om i c r o nw o o df i b e r s i z ei sa l r e a d yl e s st h a nt r a d i t i o nw o o dc u t t i n gm a c h i n e r ys y s t e m i cc l e a r a n c e sp e r m i t t e db a n d t h r o u g ht h ef o u n d a t i o no fm i c r o nw o o df i b e rm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o n ，s i m u l a t e c e l lp r o c e s sc u t t i n gc o u r s e , a n du s ei ta sd e s i g np r o c e s sp r i n c i p l ee x p e r i m e n tt a b l ef o r e x p e r i m e n tz i n g v a l i d a t e db a s e d a t a , s u p p l y i n ge x p e r i m e n t a l d a t af o r s u p e r v i s i n g i n d u s t r i a l i z a t i o n t h i sp a p e re x p l a i n e dt h er e a s o no f t h ew o o df i b e rd e f e c t i o nm a d ei nt r a d i t i o n m e t h o d ，a n dw a s t el o t so f e n e r g yi nt h a tm e t h o d t h ep a p e rs t u d i e dd i v e r s i f i c a t i o no ft h ep o w e r i nt h ec u f f i n gp r o c e s so nm i c r o c o s m i cs e a r c h t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ec o m p r e s s i o nh i g hd e n s i t ya n dh i g hs t r e n g t hw o o d - b a s e dp a n e l w h i c hd e n s i t ye x c e e dlg c m 3u t i l i z em i c r o n - m e t e rw o o df i b e ra tc o n v e n t i o n a le q u i p m e n t ， s t u d y i n gt h em i c r o nf l a k ef i b e rh i g hs t r e n g t hb o a r d ( f o rs h o r tm f h b ) s u c c e s s f u l l y ，w h i c ho w e s n a t i o n a li n d e p e n d e n c ep r o p e r t y s i m u l a t i n gt h ef o r m e dm e c h a n i s mu t i l i z et h e o r yo fw o o d c y t o l o g y t h a ts e to u tt h eb o r l e n e c kp r o b l e mo fm f h bi n t e n s i t yi se l e v a t e dl a r g e l y t h i sp a p e r p u tf o r w a r dt h et h e o r ya n df o r m u l a eo fi n t e n s i v ep a r a m e t e ri nb o t hm f h ba n dw o o d b a s e d p a n e lm a t e r i a lu n d e ra n i s o t r o p i cc o n d i t i o n so fm e c h a n i c sa n dc o m p o s i t em a t e r i a l p r e c e d e t h e o r yi n n o v a t i o nb ym e t h o do fc y t o l o g ya n dm i c r om e c h a n i c so f fw o o d b a s e dp a n e li n t e n s i v e p a r a m e t e r , f o r mn e w c a l c u l a t i o nt h e o r yo nm i c r om e c h a n i c ss t r e n g t ho f w o o d b a s e dp a n e l k e y w o r d s m i c r o - m e t e rw o o df i b e r c u r i n g m f h bp o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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 壅韭签些蠢鲎或其他教育 机构的学位或证书雨使用过的材料。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：杨痞箍签字日期：彻7 年月力曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞韭签些盘茎有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权壅韭签些盘堂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： 槲 签字日期：肋) 年月弘日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期少年月叫日 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 国内微米木纤维理论研究的现状 纳米技术之所以受到国际上的广泛重视，是因为科学家们发现很多新的现象都只在 纳米尺度下即l 1 0 0 纳米的尺寸范围内发生，而这些现象将会改变许多原有的技术手 段，也就是说，纳米技术的发展可能使许多领域产生突破性的进展f l2 0 “l 。因此，众 多行业纷纷丌始研究本行业中可能的纳米技术应用方向，术材i 业也顺应这历史潮 流，加入到了纳米技术应用的领域中去。 由于木材的细胞直径相对较大，从现有的技术水平和实际应用的意义上讲，木材加 工的多数领域只能达到微米或甄微米水平。因此，纳米技术在木材工业的应用上。主要 以微米作为研究应用的主体。尽管纳米技术还未豇接心f _ 于多数木材加i 领域。f f 是它 具有闽接的影莉力i s , 训。从本材期ij ：j | j 的1 j t 、涂坛奉寸科剑加，6 法岱签等力瓶， 都越来越多地带有纳米技术的印配1 7 i 。 木材是典型的天然多孔材料，并广泛应用于建筑、家具、乐器、门窗、运动器材等 领域。随着细胞理论的发展，我们可以从细胞结构区分不同树种、不同树龄、早材晚材 等，细胞形状差别会导致断面弹性模量等参数的不同，虽然从宏观细胞学理论中有许多 解释，但从细胞尺寸和细胞材质密度的变化分析这些材性的变化，彳有可能从根本 ：解 释这些细胞材性差别变化的本质原n t 引。 北京林业大学的赵广杰教授在2 0 0 2 年t 北京林业大学学报上发表的“木材中的 纳米尺度、纳米木材及木材无机纳米复合材料”中，为将纳米科技导入木材科学与技 术研究领域，把本材科学、木材无机复合材料学研究水半提升剑纳米尺度的研究阶 段。基于木材细胞壁层的构造及其辛成分的堆积模刹，提出了木材1 1 1 的纳米审隙构造 纳米构造单元，纳米术材等新概念，j = 尝试性地讨论了纳米术卡于的制备办法一“o i 。 东北林业大学马岩教授从1 9 9 8 年丌始进行了术材细胞模型的研究，在冻村细胞形状 分布对力学性能的影响中，用数学的方法进行木纤维的数学描述。2 0 0 1 年马岩教授存 林业科学上发表的微米科学技术在木材工业的应用觚景展望的文章i | j 提出了微 米技术在木材工业中的应用方向。2 0 0 2 年马岩教授在! l i 物数学学撤卜发表了木材 横断面六棱规则细胞数学描述理论研究的论文，文巾提出了木材细胞数学模型的建 立。同年在生物数学学报上发表的微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解 理论研究的论文中完成了木材细胞系统数学模型的建立，提出了利用微米木纤维定向 重组技术形成m f h b 的细胞裂解理论研究的方法。近年，又陆续发表微纳米和微米纤 维理论研究的现状与工业化前景、微米纤维切削形成机理初步研究、微米纤维切削 加工功率的分析理论研究，微米纤维细胞视频变换及最构办法分析、微米纤维i 冬| 像 的模拟再现理论和应用研究、m d f 纤维定向分布及j k 缩变化的虚拟加，i j 、微米纤维 切削加工功率的理论计算方法与效益分析、纳米木粉在木材上业的应用前景展燮、 纳米木粉形成1 ：艺和尺度计算疗法等论文。将术纤圣俘锓微结构、微米切削、功睾e 分 析以及计算机模拟再现等研究1 i 作更加深入。从布乍成数学模掣建0 ：成像的微米术纤 维的视频图像，从下艺和计算机模拟l ：形成m f h b 。这吩研究成果使得微米加t 技术在 木材工业领域的理论应用达到了个新的水甲。 东北林业大学李峰教授在2 0 0 3 年的东北林业人学学撤上发表的纳米科技及其 在木材科学中的应用前景( i ) 及纳米科技及其在木材科学中的应用前景( 1 1 ) ，综合 介绍了近年来纳米粉体材料和纳米复合材料的制备对木材无机纳米复合材料研究进 展进行了评述。并通过纳米材料在木材、塑料、涂料等领域的应用，提出了纳米材料在 木材科学与技术中的应用前景和发展趋势。1 ”1 2 i 1 2 国外微米木纤维理论研究的回顾及发展趋势 国外学者已对木材高分子力学性质的检测和分缴做了大量研究。比较实用且有发展 前景的有机械应力分级、应力波检测，超声波检测等。这些检测方法都是利崩实测小材 的物理力学性能指标并根据木材的物理力学性能指标j 术材耩本，j 学中k 质的棚天天系推 算出实际成丰于的力学强度i f i 进i j ：分缎和分等。近儿年i 奉学者 始从细j 胞变异角度讨 论木材弹性模量的变化，解释弹性模量的变化原因，将木材力学的研究深入到了微米水 平 在描述细胞断面实际细胞形状的模型结构的理论分析中，m a e k a w a t a l 脱用细胞模 型的中两个尺寸分析几种材种的细胞横向排列的数最1 1 3 l ，d i a o e t a l 通过麻用力学光谱 分析来决定细胞断面细胞形状1 1 4 1 ，这些分析是坦际微观细胞理沦分析的最新成就。日 本学者在1 9 9 9 年完成了木材7 种细胞形状的数学分类，导出了细胞几何尺寸和密度的 定量关系。在同本学者的研究中，测量了七种细胞早材的正切方向弹性模量，并通过尺 寸分析，用细胞学测试了七种树种标本的典型细胞模型，计算细胞模型的弹性模量，并 与实验值进行比较。a d y ap s i n g h 研究了细胞壁的纤维分布，对s 2 层次f 擘的细胞结 构进行了深入研究i ”i 。 闩本学者渡边宇外将六梭外形的6 条斜边包络的域建市了细胞的数学模型。按渡 边字外的理论。细胞壁的密度是木材材性评价的最主要指标，他经过实验在2 0 c 和 6 0 r h 条件下得到了验证理论的数值。s i n g h ，a p 和l a d o n a l d s o n 也讨论了本卡于横截 面蜂窝内平面的细胞结构，并建议：以蜂窝的结构建移方程，计算细| j 色! 模型的币切弹件 模量1 1 6 1 。他们利用术材周长方向细胞壁的轴向和弯曲弹性模量分别计算了轴向和弯曲 变形结果。并提出轴向弹性模量是出一个完全受剪切限制的双细胞壁模型决定的。弯曲 弹性模量是利用同一双细胞壁模型在对称薄片理论基础上计算出的。渡边字外用于细胞 实验的七种细胞的树木年轮直径为2 8 6 m m 。弹性模量和密度的测试是按每一树种准备2 0 个1 n l n l x 2 m m x 3 m m 的标本在6 0 r h 和2 0 条件下放霄约1 0 d 。标本川r j 弹性模鼋 的测试，通过利用施加强迫振动方法给杯本施加力、跨距、频率和温度。测试后，立即 用电子天平和移动显微镜来测重量和尺寸。从而获得细胞模型结构测试弹性模量e t 和密 度t ，每种材种取三个中日j 数值作标本的实验值。用这蝗实验值构筑细胞模犁。，实验 中，他们从标本中裁下1 0 个小块( 1 m m x 2 m m l r a m ) 浸入燕馏水q l ，然后谯浸入松脂， 依次进行脱水，切f 2 1 - | m 厚的横切i 酊，然后f j 桃红染色后订! 娃微镜f 钎i j ! c 形成的细胞 图像。这些显微图片通过影像传输扫描器输入到计算机中，从影像传输中形成多种影像 拷贝，这砦影像为2 0 x 2 0 的细胞排卸，然后将这螳影像转换为j 自2 5 5 神j 0 的灰色值。大 约每一树种有4 0 0 0 个细胞被用于随后的尺寸分析。每一细胞的重心将通过这个一进制的 档案资料拷贝获得，每一树种的典型细胞模型都是山这一结果来构筑的。 只本名古屋大学木村教授一直进行微米木纤维的加i j 机理的研究，他的撼 谜 r 了近5 年 的研究，但他们的微米纤维加工最终失败，加工的纤维长度没有超过l c m 。在2 0 0 2 年，东北林 业大学林业与木工机械工程技术中心邀请他访华探讨微米木纤维的加工时，他对我们的微米 加工实验可以使纤维长度超过3 c 嚷示惊讶。 1 3 微米长薄片木纤维高强度人造板的开发意义 构造高强度结构型人造板，在特定场合( 绝缘、绝磁、保温、轻结构、各向片性、 有天然纹理要求等场合) 替代实木，在未来小可再乍的矿物资源原料楠竭之时特代小町 再生的天然材料，一直是现代木材和人造板加工技术的i i i 沿课题。利用微米纤维重组理 论，提出一种新型的人造板“微米长薄片状纤维高强度人造板”简称：微纤板，定义英 文缩写：m f h b ，( m i c r o nf l a k e f i b e rh i g hs t r e n g t hb o a r d ) “。微米长薄片状纤维 高强度人造板它是以通过微米级切削得到的微米小纤维为原料，通过热，k 的j i ：艺，得到 一种密度超过l g c m 的一种新型人造板。 2 0 0 4 年，我国人造板的总产量高达5 4 6 6 4 9 万n ，同2 0 0 3 年相比增长率为 1 9 6 l ，市场饱和仅仅是时间问题。在人造板市场一旦饱和时，产品的特色和成本就是 板种生存的关键。微米长薄片状纤维高强度人造板( 简称m f h b ) 所需的木材是最酱通 的废劣木材，所以资源根本不成问题。同时，这种人造板的j r 发和椎7 “l l 仃政变未来人 造板格局的意义，它的丌发具有强劲的q 三命力。这种人造板一儿普及率超过5 以后， 就会冲击我国人造板市场的产量，它的优势就可以显示出来。如果我们研究的新型人造 板达到这样的指标和投资成本及生产成本，我困大鬃的废弃木材就可以得到很好的利 用。因此，用低价小径材、日j 伐材加：i = 成m f h b 具有f 1 大的经济和 会效益，为对我 国国民经济和社会发展将起剑蓖要的推动作1 t j 。m f h b 的研究成功u ，以确口4 个新的人 造板品种，将带动整个木材科学的各个研究领域的新发展。充分利用我国现宵的人工林 作为i v l f h b 的资源，符合我国现有的资源条件。 1 4 微米长薄片纤维高强度人造板产品的优良性能 m f h b 产品的优越性将体现在以下几个主要方面。一是高强度利用微米长薄片纤 维在实验室研制出的高强度的m f h b 样晶的弹性模鼍超出原来同树种实木的弹性模 量，是目前所有其它人造板板种所达不到的高强度。我们实验的红松在眶成lg c m 的 密度以后，弹性模量可以达到5 1 7 l m p a ，握钉力最大值可以达到1 9 3 3 n 。因此，可以在 较大的范围内用来替代实木和其它人造板。= 是木本色，木材是人们最先使_ l j 的材料之 ，对木材人类彳】着本能的依赖感本材的颜色和纹胛对人类彳f 檄人的心理影响f ：j h 。 m f h b 原科谯生产过程l i 没仃经过反复的商温幽j i , ：f l ! t l j 也术采川的其它化j ：原料，因 此，实验产品呈现木材固有的本色。三足投资低，m f h b 的制备改变了备料致备和刨 花板比较，它把削片机和刨片机合为一体，整机功率消耗会减少，投资会下降，强度提 高很多。和m d f 相比，强度提高，握钉力丈幅度增加，投资会人幅度f 降，没有蒸汽 东北林业人学i 雌i j 学他论卫 加热等装置，力板材表面是木本色的，和油漆的亲合会有定的改善，板材成本自然会 下降。 1 5m f h b 的主要用途 1 5 1 替代传统- 昨和刨花扳 m f h b 的最主要用途将是替代传统m d f 和刨花板。在m d f 质量 i 趋f 降的今 天。m f h b 技术将以它优良性能成为发展速度最快的人造板新技术足必然的。近几年， 我国每年纤维扳的年生产量超过1 5 6 0 jm 3 。刨化扳的年生产鞋超过6 4 2 9 2 万m 3 ，这 些人造板6 0 应用到家具行业。刨花板在家具行业除了价格低以外没有其它优点。 m d f 握钉力满足不了家具的要求，颜色和着色性能都不好。o s b 有强度和握钉力，但 成本高、表面平整度不好。m f h b 可以达到刨花板的成本，玎以实现术本色和优良的油 漆亲和性能，可以有接近实木一样的挥钉力义有m d f 一样的表i 斫乎艳度，觅服了 o s b 表面质量不好的缺点。 1 5 2 替代实木应用到建材行业 按我国m d f 的质量情况，根本无法应用到建材行业上，我国传统m d f 中的7 0 应用到家具和室内装修中。开发室外建材行业应用的m d f 一直是我们行业科研的攻关 课题。刨花板由于强度问题很难应用到建材行业，特别是室外应井j 的场合，刨花板更不 行。在建材行业中，主要应用的是胶合板和实木。我们创新的板材，需要的是低档的 人工林闯伐材和“三剩”材，压出的是1g c m 的密度、弹性模量可以达到接近实木， 完全可以替代m d f 。m f h b 将进一步改进胶的品种，替代现在的实木和人造板是非常 有的途的 1 5 3 木本色优良表面质量的低价材料 微米长薄片纤维高强度人造板的最大特点之一是木本色的表面和优良的表面质量， 而且价格低廉叭蚓。新装饰材对于木本色和油漆的亲合力要求很高，在要求木本色和喷 漆工艺简单的场合，m d f 往往不能应用。选用m f h b 是显商易见的。在建材和装饰材 料中木本色年产m f h b 将会成为最受欢迎的材料。发展木本色m f h b 技术将已经成为 木材加工技术的一个新的分支。 1 5 4 高强度人造板可以在结构材中发挥作用 在m f h b 技术中，出于在微米切削的过程中消除了节予等缺陷，因此材料的强度 会大幅度提高，从而使m f h b 可以作为结构材进行推广。采用实木方面应用的场合进 行m f h b 是最佳的髀代材料这样将降低了该实术产锚的成本。对r 安木材料的应用 场合采用m f h b 替代传统m d f 町以充分发挥这种人造板的优点，发挥它的术本色、美 感、保温、绿色消费、寿命高、没有节于一类缺陷、防止变形等方面的优势。 1 0m f h b 的应用前景预测 在3 项国家自然科学基会的资助f 。从微观研究术材强度午人造扳的新板种的创新 缔论 方面两“，m f h b 彻底解决m d f 色差小好、强度低手l l 掷钉h 小的问题改变了刨 花板变形大、表面质量不好和易损坏的现状“”1 ，弥补了重组本表面质量差、内应力释 放困难的问题。是我国推出的具有自由知识产权的新板种。 1 6 1 大幅度降低产品成本和投资 利用微米加工的优势，借用刨花板乍，“线的乍产方式，町以人幅度降低m f h b 的产 品成本，节约优质实木材料，使其具有面向市场的基本条件，扩大其市场占有牢 实现人造板最优的加工效益，最终在中国真萨普及m f h b 。本文先以基础理论的实验研 究为基础，在理论分析、软件分析方法都完成之后，将臆用这种方法加1 ：需要的成套实 验设备。然后，以杨木为例进行利月j 杨木，卜产m f h b 的实验期i | ：按各种类犁加l ： 法的优点形成新型的人造板，对未来m f h b 的1 1 - j “舰 l t 和特自l 进ij ：允分的】，解以后， 得出一套适合中国国情的m f h b 最佳加工工艺方法。由于摹本生产模式是借用刨花板 的生产方法，因此，生产线的投资和刨花板近似，在生产这样优质板材的生产线中其投 资可能是最低的。 1 6 2m 咖投入市场的优势 ? h b 从基础理论研究之仞就是我国自主研究的，是具有我国自主知识产权的第一 个人造板新品种。这种新型人造板主要用途是在新型建材、家其和装修上的应用，其次 是可在建材中大量使用，m f h b 主要是针对这个市场。m f h b 生产线是以传统刨花板生 产线改造而成，以便减少资金周转时日j ：用普通废劣木材作为m f h b 材料降低原聿 成 本，合理利用森林资源；用陶产刨花板，卜产线代擀霞新投资，减少牟i i 助原料和敬备投资 费用。由于m f h b 是近似木制材料，力f ：价格低，市场需求毓会十f 1 “人闪此m f h b 有较好的投资j i 景，具备形成1 业化的基本条件。 1 6 3 为开拓国际市场创新具有自主知识产权的人造板 大规模生产国际先进水平的多用途人造板的目的就是耍丌拓阳际市场，麻按照闻际 市场的发展方向调整我国新型人造板的消费结构和，虹品品种，加大我国m f h b 的生产 规模，提高m f h b 生产的自动化程度，在满足国内需求的同时丌发我们具有优势的项 目加入国际市场的竞争。 1 。6 4 为小规模高质量人造板打开投资市场 m f h b 生产线特别适合以木制品f l i 产为t 的食, i k - 手ij 私营食业投资，m f h b 乍产i l ，以 作为大型木材生产单位的附属企业，解决臼l 三的原料剩余物和充分利j 玎l 三有的刨花板生 产线。也特别适用于年产锯材3 万m 3 以上制材，。的后续产晶再加工。m f h b 宵m d f 的表面质量，有o s b 的强度，有刨花板的生产成本，有实木的颜色和性能，有小规模 人造板的投资优势。 1 7 微米长薄片纤维高强度人造板对环境的影响 随着人们生活水平的提高，对绿色消费和古朴典雅风格的居住环境需求越来越离， 5 m 开m 将是我国广大消费者和投资者能够接受的产品，在我国被消费者所接受的产 品，都可能形成工业化的生产规模。m f h b 能够充分地利用人工林i b j 伐资源，促进我国 木材产业的发展。在m f h b 加工的过程中，没有蒸汽的加热，没有湿法排出的废水， 如果采用无毒胶。就可以生产清洁人造板。生产新型m f h b ，符合国家科技攻关向深加 工方向发展的方针。 我国是世界上最大的人造板生产国，人造板生产线的条数、总产量和出几鼍都居世界i ； 列。2 0 0 4 年，世界m d f 总产量4 6 7 4 万矿，我国胁f 总产量1 6 2 1 9 0 万盯r ，占世界生产总额 的l 3 强，2 0 0 5 年增长率为1 5 。我国现有的中高密度纤维板q ：产线5 0 0 多条，总，i i 产能力 1 8 5 0 万m 3 a ，总设计生产能力达2 0 0 0 万h i a 。但我闭人造板1 ：q p 产品品种少技术龠量 低，深加t 和商新技术产- 铺和特殊j 途产：龋比率小，心j | j 范i 嘲窄，氽q p 乍广：鼢睽小，多数氽 业技术水平低，缺乏技术j i ：发和创新能力，产品质量及卧保标准落后，在产：品质量、能耗， 劳动生产率、自动化程度及对粉尘、噪声、污水的控制等方面落后于发达幽家，缺乏i 鲴际竞 争力。本文提出的微米木纤维形成方法从本质上改变了纤维的形成方法，从节能降耗、减少 污染等方面都具有良好的社会和经济效益，用微米木纤维制成的m p l j b 这种高密度扳具有广泛 的应用前景，必将逐渐代替传统m d f 占领现有市场。 本文提出的微米木纤维是靠木材的纵向切削来实现的。木纤维是木材中的主要物 质，在造纸和人造板的加工中，分离木纤维是生产中的主要工序。传统热磨制木纤维长 度在l 3i w f l 左右。当量直径在0 1 6 0 7 5 帆之间。雨一般木材细胞的当最圆直径在 1 0 1 0 51 1m 之间。由于人造板木纤维当量直径远远大于木材细胞的肖量圆直径，致使 大多数木纤维的细胞胞管在热磨过撑中没有破坏，胞管内的糖牲化合物、胶质等杂质摊 不出来，导致杂质太多和纤维板变色。在造纸j 二业l f i jl 好冉通过化学制浆的厅法将杂质 排出来，由于引入化学制剂又造成了污染。热磨切削方式的小合理也是导致木纤维太 短、太耜和功率消耗太大的问题之一在微米木纤维加工过程中。所有细胞管大部分箭 分，管胞内杂质可以全部排出。因此，本文定义微米纤维的切削厚度在1 0 8 0uf f l 之 间，切下的纤维长度在3 8c m 左右，宽度在3 1 0m i l l 的范围内的术纤维为微米小纤 维。实现微米纤维以后，机械制浆法可以在没有污染的条件下实现造纸生产的小型化， 解决原来小造纸的污染问题，促进我国造纸工业的普及，也是解决造纸和纤维板工业能 量消耗大，浪费及污染严重的主要技术途径，具有良好的工业化前景”。 i v l l ：t i b 加工工艺方法与成套设备研究是未来纤维板研究的主要内容，它的出现将使 木材工业又增添了一个新的科研方向从它的未来发展趋势看，将在木材工业，上产中产 生巨大的经济效益。m f h b 的应用与其生产和销售彳j 衔切关系，m f h b 的应用技术l - 口j 题 直接关系到该产品的效益。到目前为止，国内的m d f 主要用途是家具，直接在建材及 装饰材料和需要高强度场合应用的m d f 很少，m f h b 在国外也没有，现在研究丌发新 的m f h b 产品应用技术是具有中国特色的新技术j i 发。 由于可以根掘家具需求和按结构材需求确定乍，扣成 | l 类型，m f h b 可能获得较大利 润的产品是家具产品。m f h b 的握钉力和灶度人j f 统m d f ，m f h b 作为传统m d f 和 刨花板的替代品，他们可以傲到成本低于传统m d f ，因为传统m d f 的投资高于刨花板 生产线。生产成本高于刨花板，m f h b 产品是以刨花板生产线作为改进对象其成本和 刨花板相近，因此，竞争力自然高于传统m d f 。由于m f h b 设备适应性强、利润相对 较高，因此，用于m f h b 的原料消耗量、设备投资、资会周转时问、流动资会投入、 耗电量都应该少，可见m f h b 产尘的经济效益相当大是由于这蝗闪素的结合产q 三的。 用m f h b 可以替代木材直接应用的场合，小论性能和外观，它和术材基奉相似。由j 二 可以降低原料成本、用国产设备代替进口设备，相对减少辅助原料费用，用刨花板生产 线改造成m f h b 生产线可以降低设备投资，因此，提高了产品的利润率。另外，m f h b 还可以用于生产本来应该由木材制造却被塑料、会属所代替的产品。m f h b 小一于一般 的传统型m d f ，由于它的颜色是木本色、承蕈能力强、力学住能好，冈此，由实木加 工的产品和传统m d f 加i ：的产品都u r 以用m f h b 术代棒。j ：m f h b 琏较好的实本 替代材料。加上价格低，市场需求量会丰f i “1 人凼此，投资m f h b f 较好的d h 景。 1 8 微米木纤维生产的未来市场分析与效益预测 本文提出的微米木纤维的切削理论，是通过纯物理的机械切削力法。通过纵向的顺 纹切削达到切出微米级长丝纤维的效果。在纤维切削时纤维厚度加i 到微米级并针对 不同树种选取不同切削厚度( f i 州树种的细胞当量直径柏差极人) ，使纤维的八梭形结 构在切削加工时基本破坏。顺纹切削又是木材切削中较为省力的一种方式，它消耗的功 率仅仅是纤维切断消耗功率的5 1 0 ，而且切削的又是微米级纤维，切削厚度极小， 消耗的功率自然不大，所以根据切削力和切削厚度的定性关系分析可以得出，采用微米 顺纹切削可大幅度降低切削功率。 我们未来丌发的! d f l l b ，匕产线，其囡产化率可以达到9 5 ，生产产品的利涧牢超过 2 0 ，工业化生产成品率高于9 5 ，工业化生产精度可以达到0 2 0 m ，m fm f h b 的价 格不高，市场将可以很快丌发出来。如果市场占有率达到5 ，全国的年产量就是3 3 万 矿。我们按5 的市场丌发率计算是非常现实的。仅按5 的丌发率就需要这样的7 t - 产线 2 2 0 条。实际e ，它的潜在市场的丌发率应该在3 0 以卜，即j 3 2 0 条生产线，其年销售 额就高达2 l 亿元。如果保守地估计。我们每年丌发5 的市场就是近3 6 亿元的潜在 市场。 2 传统木纤维与微米木纤维的形成理论比较 2 1 传统木纤维的形成过程介绍 2 1 1 传统木纤维加工方法 传统的木纤维形成是靠热磨机的机械纤维分离法和化学分离i 上实现的。它足将预热 后的木片送入热磨机的磨盘中，使其受压缩、拉伸、剪切、扭转，冲击、摩擦和水解等 多次重复的外力作用，最终导致纤维分解。为了让纤维素和本质素分离以及促进纤维得 率的增加，人们往往加入化学药品促进分解。 在热磨机中，纤维所受的压缩一剪切、扭转一剪切和拉伸都不足独立进i j 的。i f i 足 混合进行的。纤维的分离也不是一次受力就能完成的，而是千百次反复受力的结果。这 就是纤维分离的松弛理论。 大量木片或纤维束在磨片中不是纯切向分布的。木片切削方向分布是随机的。因 此，纤维除了沿磨片轴向旋转外，也由于离心力作用沿磨片作径向运动，同时还绕其自 身轴线旋转和扭转。纤维在磨片中，是一种多维复杂的空闯运动，纤维所受诺力多沩动 载荷或冲击载荷“” 纤维在受到压力、剪力、扭转及拉伸等诸力作用下会产生变形。作用力小时。纤维 产生纯弹性变形，当外力消失后，变形随之迅速完全消失，纤维恢复原状。作用力再大 到纤维产，皇塑性变形时，即使外力消失，纤维也4 i 能恢复原状，犯然要分离纤维必须使 其达到塑性变形的程度。纤维分离常肘的疗法行机械法和爆破法两人类，其中机械法义 分为加热机械法、化学机械法和纯机械法三种。 2 1 1 1 加热机械法 加热机械法又称热磨纤维分离法，它的主要理论基础是：充分利用植物纤维胞问层 本质素含量高、木素软化点低的特点，用饱和蒸汽将原料加热到1 6 0 至1 8 0 ：使纤 维胞间层软化或部分溶解，利用木质素的热塑性，即木质素受热软化，冷却后又硬化。 所以，必须在加热软化的同时通过机械外力作用而分离成纤维。 2 1 1 2 化学机械法 化学机械法是先用少量化学药品对植物原料进行预处理，使胞问层软化和胞问层中 木素、半纤维素受到一定程度的破坏和溶解，从而削弱纤维之间结合力，再经机械外力 作用而形成纤维。此法纤维得率低“ 于耗费化学用品，使成本增加，制得的纤维还乓 有一定酸碱性，使纤维处理。j ：艺更加复杂，敝 r 维板乍j j 1 i 般小采川此法。 2 1 1 3 纯机械法 纯机械法是将纤维原料用温水浸泡后直接密成纤维。根据原料不同，又分为磨木法 和木片磨木法。i ；i 者加工的对象为木段，后者加工的对象为木片。木片磨木法又称商速 磨浆法，是纯机械法制浆的一个新发展，它将木片先用热水浸泡，使木片膨胀和软化， 然后直接进入高速旋转的磨盘问磨制成浆料。 2 1 1 4 爆破法 爆破法是将植物纤维原料簧入高压密闭容器中，用高温高压蒸汽进行短时问处 理，使纤维b j 的胞日j 层软化、糖类部分水解，之后突然起阀降压，纤维原料的内部水分 瞬b j 汽化膨胀，并借助于高压蒸汽的作用，从容器口高速冲出，使木片与出口产生高速 摩擦而爆破成棉絮状纤维或纤维束。此法的纤维得率较低，纤维颜色较深，对设备要求 也较高，因此较少采用。 上述几种纤维分离方法财各种原料的适应性小i 亓j ，所用设备及纤维质蟹也小 样。无论是纤维质量还是经济效益，加热机械法比较好。高速赡浆法虽然耗电量较大。 但在常压下工作，设备结构简单，纤维得率高，浆色浅淡，纤维分离度较高，无需精 磨，总的动力消耗并，i i 很人。 2 1 2 传统木纤维的形成方式 目前，在旧f 生产中存在的问题主要是能耗高，热磨切削过程理论不成形，没有成熟和 实用的理论，热磨机的参数都是靠经验确定的，缺少过程分析存在着，”重的理论缺陷。而 且热磨法进行纤维分离是一种多维复杂的空间切削运动。纤维所受诸力是多维动载荷或 冲击载荷以及转动磨片和固定磨片运动产生的复合变载应力，加工过程中有绝大部分作 用力做的是无用功，有人估计无用功在9 0 9 5 左右。这样。有相当人的功率消耗在 非纤维切断上，纤维切断所需消耗极大功率，这对纤维分离的切削方向上讲是无用的方 向，因此浪费了大量能源。圳 2 2 微米木纤维加工方式 在微纳米尺寸范畴内，木材的材料特异件、k 、 效心及其变化机胖。以 乏术村故件 的显微结构天系1 i r 能使术材利川披术f l ；现突破住进腱。 利用木材纤维是人们利用木材的主要方式之一，现存纤维板和造纸是利用本纤维的 主要领域。利用木纤维织布、梅造食品、加工饲料等等是木材纤维发展的新方向。 木材加工到微纳米级别以后，木材原来细胞将被切丌，可能弓木材在毫米级尺寸上 被加工时所表现出的物理力学性能完全4 i 同。阂此，可利用木材细胞破坏以后的自组装 方式形成新力学性能的木基复合材料，提出的m f h bi l ：是在此方向k 的一种尝试。 在造纸业中，利用木材的微纳米加工技术进行微米长薄纤维加工，机械法的高得浆 率优势可以得到实现。我们可以不须用化学的方法分离纤维，从而大幅度降低化学制浆 法造成的污染和能源、水、出浆率的浪费，形成利用微纳米技术提高造纸业高得浆率的 方法。同时，又可以解决小造纸的污染问题。零污染的木材造纸技术研究可能在这项微 纳米技术的实现后出现突破。 2 3 微米纤维的应用方法及前景 2 3 1 微米纤维与纳米木粉相关工艺联系 木粉加工是木材利用的义一主要方向。当木粉肺一l ：至微纳米级的粒度以后原束术 材理化指标都将发生变化，纳米木粉可以创造许多新的奇迹。以木材液化为例现在术 材液化的成本非常高，几乎没有工业价值。而且传统木材液化的方法基本是以酚或多元 醇在高温高压下进行，有时还要以酸、碱等为催化剂，会造成相当严重的污染。如果将 木粉加r ：到微纳米以膈，术材原来细胞的结构将傲破上1 ：蟓术的材作发乍了奉质变化 纤维素、半纤维索、木质索在加上的过程中“以用机械的方法分离j r 来，在细粉状态f 木材液化的f ：艺和成奉将被简化和降低，从i j i 叮使木材液化真l f ：1 3 1 1 , 化。 采用r p m 技术直接年j j j ! j 微纳米术粉形成复杂小雕制d ，i r 以外牌一”新的术材利 用领域。在术彬复合十于的川发l j 纳水本粉“，以实脱舅j 喇科的粒叟十1 | 1 1 4 ，从而很霹易实 现注塑和眶塑。纳米木粉材料的上业化i i 途c 经明朗，廉价批量生j m 纳米木粉材料的 商业化环境有望很快形成。可以说微纳米技术在木材工业上的突破将从纳米木粉的人规 模生产刀：始。f n 纳米木粉尾依赖微米纤维加t 而成。 2 3 2 林产品微纳米化学及其它领域的应用前景 林j “- 谒的微纳米化z 技术f l j f 究址微纳水投术n ：小+ 于l ：q k 领域i , ；0 1 j 发臌碰仃l 讨途的j “ 业之一，使川机械 、簖科、物雕法制造以术材为昧科的乍，奈喇iq kj f j 佻化刺”r 以彻戚解 决生产过稚的污染1 u j 题：，h 微纳米木纤维及术粉化产的木壤胶粘剂1 1 t 能代许含叶 醛的有 毒胶。实现胶械剂的缘色尊命；小丰于微纳米胶仑化学的心刚也媳f i - 年1 。1 的l ：q t 前景：本 材微纳米摩擦学的衷祉j 枪测技术也将成为术材微纳米技术的新力向，为术材摩擦学j r 创新的研究领域；微纳米阻燃材料u j 。能成为 矗廉价的木材涂饰材料脊涂饰卡于料解决木 材的阻燃j u j 题；木耩磁材