（机械设计及理论专业论文）微米级木材切削理论及新型人造板材构建研究.pdf

摘要 利用徼纳米加工技术和纤维定向燕组技术等掰兴技术手段，研发新型人造板， 拓展人造板形成方法及应用领域，本论文提出了利用纾维构建新型人造板材的新思 路，并从形成理论与方法上进行了探讨。 零论文营建疆究本榜缨愁绪擒豹数学摸蘩建立方法，在瓣绩统本鸯孝凌爨瑗论燕 展的旗础上初步建立了微米缀木材切削理论和木材细胞裂解的工艺方法，改变了传 统纾绦酶形成王艺，为薪鍪纾维板磷镧提供了理论基稿。本文戮木纾维革丝强度不 弱于相同当量的钢丝纤维强度的科学设想为依据，论述了木质纤维材料之所以在宏 观上强度远邋低于金瘸材料，是由于簇内部避微结构缺陷造成的，而这些缺隔在木 质纤维制取时就已经存在了，若提高本质纤维制取质擐，并利用木纾维定向鬟组技 术改变木质纤维间的结构组成，消除( 或大大降低) 这些显微结构缺陷，将可形成 裹强度纾维投。 本论文从理论上对形成新型人造板材生产线也作了一定的阐述。 新鼙久造鞭枋祆臻论褐慧发展到实际应掰阶段，将是一个长期、复杂且艰苦静 研究过程，本论文仅仅完成了渡过程的初步阶段，距离形成完髌的可实用性的人造 材科，还有大激的研究工作癸做。 本论文是以国家壤然科学纂金顼爨“微米本纤维纲憝裂熬壤理与怒纲纾缀缨鼹 结构筑模理论”为课题来源，并得到了它的资助。 关键词：微米，切削，人造袄，构建 a b 孵r 疆 i no r d e rt ou s et h en e wa n dd e v e l o p i n gm i c r o nt e c h n o l o g yr e c e i v e di s s o lw e dt h et r a d ed e v e l o p m e n tp r o b l e mt h a tt h em a n m a d eb o a r dt r a d eisf a c e d w it h a n dt h i st h e s i sh a sb e e np a tf o r w a r dt h em i c r o ng e n e r a l l yt h o u g h to f l o n gf i b r eh i g hs t r e n g t hb o a r d a n dh a sd o n et h ed i s c u s s i o nt oh i sf r o m f o r m a t i o nt h e o r ya n dm e t h o d t h i st h e s i sf i r s t l ym 8 t h e m a t i c a lm o d e lo fr e s e a r c he s t a b l i s h m e n tw o o d c e l ls t r u c t u r ei sb e i n ge x p a n d e do nt h ef o u n d a t i o ne s t a b l i s h m e n tw o o do f m i c r o no r d e rc u t t i n gt h e o r ya n daw o o dc e l ts p t i t t i n gd e c o m p o s i t i o nt h e o r y t ot r a d i t i o n a lw o o dc u t t i n gt h e o r y ，a n dt h e np u t t i n gf o w a r dt h ew o o dc e l l s p l i t t i n gd e c o m p o s i t i o nt e c h n o l o g y ，h a sc h a n g e dt h em e t h o do ft r a d i t i o n a l f i b r ef o r m a t i o n ，f o rt h en e wt y p em a n - m a d eb o a r di sb o r n b u i l d s t h e o r y f o u n d a t i o n t h i st h e o r yi st h o u g h t ，a n dw o o df i b r em a t e r i a li n t e n s i t yi sl o w e rt h a n t h em e t a lm a t e r i a lf a ra w a yt ot h en o tw e a ks t e e lw i r ef i b r ei n t e n s it vi n t h ei d e n t i c a l e q u i v a l e n t o fw o o d e nf i b r em o n o f i l a m e n ti n t e n s i t y o nw h y m a c r o s c o p i c ，a n do w i n gt ot h ef a c tt h a tt h ef i b r ei n t e r n a ls t r u c t u r ed e f e c t c r e a t e s ，t h e s ed e f e c t s a r e h a v i n ge x i s t e dw h e nw o o df i b r es y s t e m si st a k e n ， a n dr a i s e sw o o df i b r em a t e r i a li n t e n s i t ya si fw a n t s f o l l o w i n gt oe l i m i n a t e i nt h ef o u n d a t i o nt h a tt h e s ed e f e c t s r a i s i n gw o o df i b r es y s t e mt a k e st h e q u a l i t y c a n u s et h ew o o d e nf i b r et of i xad i r e c t i o nt h e w e i g h t t e a m t e c h n o l o g yf o r m a t i o nh i g hs t r e n g t hf i b r e b o a r da f t e rt h ew o o d e nf i b r es y s t e m w h e nt h eh i g hq u a l i t vi st a k e n t h i st h e s i sh a sa l s od o n ee x p o u n d i n go ff i x e dt of o r m i n gt h el o n gf i b r e h i g hs t r e n g t hb o a r dp r o d u c t i o nl i n eo fm i c r o n t h el o n gf i b r eh i 馥s t r e n g t h b o a r do fm i c r o nf r o mat h e o r yi d e ai sd e v e l o p e dt or e a la n di sa p p l i e ds t a g e ， a n dt h i st h e s i sh a so n l yb e e na c c o m p l i s h e dt h ei n i t i a ls t a g eo ft h i sc o u r s e t h ec o m p l i c a t e da r d u o u sr e s e a r c hc o u r s et h a tw i l lb e l o n g - t e r m ，a n dt h e d i s t a n c ef o r m sc o m p l e t e l yc a nt h em a n m a d em a t e r i a lo f p r a c t i c a ln a t u r e ，a n d s t i l lh a st h er e s e a r c hw o r ko fl a r g en u m b e r st od o t h i st h e s i si sw i t ht h en a t i o nn a t u r a ls c i e n c ef u n di t e m ”w o o d e nf i b r e c e l ls p l i t t i n gd e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s mo fm i c r o na n ds u p e rt h i nf i b r ec e l l s t r u c t u r a lm o d e l i n gt h e o r y ”f o rt h e s u b j e c ts o u r c e ，a n dh a sg o ts u b s i d i z i n g o fi t k e ”o r d s ：m i c r o nt e c h n o l o g y ，w o o dc u t t i n g ，a r t i f i c i a lb o a r d ，m a n u f a c t u r e 微米级木材切削与长纤维高强度板生产理论研究 1 综述 人造板的发明在人类文明发展史上占有极为重要的地位，人造板材料同其它材 料一起为现代文明奠定了坚实的材料基础。目前，人造板形成了以胶合板、刨花板、 纤维扳三大门类几十个不同品种的人造板材料体系。在众多行业上都发挥着不可替 代的作用。改革开放以来，由于人造板的广泛使用，使中国的人造板工业发展获得 蓬勃生机，年增长率几近2 5 ，短短的十几年人造板产量就跃居世界前列o “”3 “。 然而进入2 1 世纪的今天，人造板企业发现社会对其提出了更高的要求：首先是 清洁化生产问题，同其它工业企业一样，人造板企业在生产过程中要产生一定的污 染物，对环境会造成污染，在2 1 世纪这样一个“环保世纪”，人造板生产能否清洁 化将直接关系到生产企业的生存。其次，几十年来新科技在各个领域不断涌现，能 否利用这些新科技改造已有近百年历史越来越僵化落后的人造板生产工艺，已经成 为人造板科技发展的重大课题。由于人造材料的成本低廉及其易用与方便性，很多 生产生活领域都期待着新的、具有更优越性能的人造材料出现，能否不断地利用新 技术提高生产水平、研发新的板种来满足用户的多种需求，对于人造板行业来说直 接关系到以后的发展潜力。另外，如何利用好现有的林木资源，并有效的实现资源 的可持续利用等都是摆在人造板行业面前的实际问题。 为解决上述问题，业内人士各显神通，从各种不同的角度进行研究与实践，本 论文提出了“微米长纤维高强度板”的理论构想，希望用微米长纤维高强度板这一 新的人造板材料为解决上述问题做出自己的贡献。 什么是微米长纤维高强度板? 简单地讲，微米长纤维高强度板是利用微纳米加 工技术和纤维重组技术改造传统纤维板制造工艺，而形成高强度的新型的木质纤维 人造板材料，与传统的硬质纤维板、中密度纤维板( m e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ， 缩写m d f ) 相比较其特点是：组分纤维长径比长、纤维柬成分含量高、色泽为木本色、 强度高，更适用于强度要求高的结构材领域。新型人造板的生产过程中产生的有害 废物少、污染率低。目前微米长纤维高强度板作为一个理论构想，才刚刚从理论设 想向试验研究阶段起步。 微米长纤维高强度板是微纳米加工技术和传统纤维板特别是m d f 加工技术相结 合的产物，因此，需要微纳米加工和纤维板制造技术作为其技术基础，微纳米加工和 纤维板制造技术的发展状况将赢接关系到微米长纤维高强度板理论能否实现，本章 将对目前微纳米技术的发展现状、微纳米技术在木材工业上的应用状况、传统纤维 板制造技术中的一些关键问题，即新板种需要改进的关键工序等作必要的介绍。 东j 林业大学硕士学燕论文 。1 擞纳米授术簿迷 微米翻工技术，对于金属加工镂域旱已不再箱生，金瘸龆工已经迸入到了绱米”。 爨级。但在本材加工鞭缄，微米翻王技术戮磷开始避尺实蹋阶段，露缡米翔工按术 还没有藤_ 步，仅仅 乍了少数的淫论研究“。为叙述方便麓觅。后文把这两种加王技 术统称为徽缩米加工羧术”1 。 1 1 1 纳米糕学装本的发鼹回顾1 5 , 6 , 1 3 , 1 4 , 1 6 , l 1 9 8 1 年，美国i b m 公司苏黎畿实验室发疆了字j 描隧遵穰子显微镜( s t m ) ，为在 纳米尺度上工作提供有力的显示王矮，而后i b m 加州研炎窒利用s t m 奁稳温下成功 魂将3 5 个菇( x e ) 原子在镍( n i ) 晶体静表聪上捧布成了最小靛1 8 醚商标，实现了藤予 撩纵。1 9 9 0 年7 月，在荚露的巴尔蕊黪召歼了第一螽国琢霸米辩学疆术会议，这次会 议标志麓缡米科技锈域麓正式形成。t 9 9 2 年9 其在墨谣哥豹c a n c u n 城召开的第一露 瀚际绒采结徜材擗会议上，诱式把纳洙材擗捧为辩瓣科学的一个耨的分交公布于邀。 瑟后，髓赛箨函纷纷斥巨资授入纳米及其稽关技术研究，纳米援术被越柬越多稚函 家列为国家关键技术帮竣路技术。 我圈的桶米科学技术研究基本与瞧界弼多，1 9 9 0 年中颡科学院的科学家出席了 静第鬟露际龋米秘学技术会议，1 9 9 1 荦9 翅我滔铝- 开了纳米科接发袋敞路学术研 讨会之詹将绋米材料的翩备科学与性能研究列入“八五”羹点项目，一拙国家自然 科学基金、攀登计划、强家重点科技玻关项强楣继癌动，并待别强调秘强纳米秘技 研究项鲻与圈家蕻它重大产业佬计划之闻的衔谈与统筹安捧。1 9 9 7 年，国家科技部 谣开了熟米化学香啦会议，中国秘学院各有关研究所、北京大学、清华大学、复，趋 大学、吉赫走学、青岛化工学院等革位的专家学者研讨了我嚼纳米化学的发展。2 0 0 0 霉以艨纳米技术发葳燹是方兴未艾，在许多领域酃取褥了突破髅避震，2 0 0 0 年i 2 兵朱熔蒸总璃在函家辩技教寄领导小缀举办的科技知识游康上表示：政府将积极支 祷纳米科技发襞( 竞赠g 报2 0 0 0 年i 2 胃i 5 日矗i 舨) 。 纳米技术之所以受副国际一的广泛重视，是麟为科学家们教观稷多耢魄现象移 只在缡凑尺度下鞠l l o o n m 粒尺寸范强内发生，聪这些瑷蒙将会改变诲多甄有的技 术手段，也就是说，继米技术趵发震可能使许多锁域产生突破性的透聪。众多行业 纷纷开始研究本行业中可能豹纳米技术应用方赢，两且这些行业领域的缡岽技术笈 展已经为本橱工业的纳米技术研究提供了育力的技术借繁支持与僳障，因此，木摩孝 工业也顺应这一历史潮流，加入到了缨米投术应髑的领域中蠢。 微米缀术材切削与长纤维离强度板生产理论研究 1 1 2 徽纳米技术在术材工蛾上的威用”“ 由于木材的细胞赢径相对较粗，从现有的技术水平和实际应用的意义上讲，木 书耋加工瓣多数领域只能达到微米或驻微米水平。因此，程术李孝工业麴应熙上，我镪 以微米技术作为研究成用的主体。尽管纳米技术还未直接废用于多数木材加工领域， 但是它具有间接的影响力，从本枋加工用的工具、涂层材料到研究视野鸵开阔、攘 工方法的借鉴等方面，都越来越多地带有纳米技术的印记。 弪徽纳米尺寸范畴内，本材的誊孝料特异性、尺寸效应及其变化掇理，以及本枣孝 改性的鼐微结构关系w 能使术材利用技术出现突破饿进展h 3 ： 1 1 2 1 纾维科用 利用木材的纤维鼹人们木材利用的主簧方式之一，纤维板和造纸是术纤维主要 应用领域。将本材加王到徽绒米以聪，制褥木绎维的组分将会发生变化，缍维、半 纤维素、木质素与细胞中的糖分、丹宁等在加工的过程中将被分离开来。这与毫米 级木乖孝加工时所表现燃的物理理象完全不网，困鼗，霹剥援本材纲赡的爨组装方式 形成新的木基笈合材料，新型人造扳材正楚在此方向上的一种尝试。在利用术材微 纳米制造技术将微米终维加工出来以后，枧壤剑浆高得浆搴的优点裁可实现，虞予 不须用化学方法分离纤维，必然降低因化学药剂使用而产生的污染及能源、水、出 浆率等的浪费，也由予没有饯学损伤纾缨黔强度不会降低、色泽不会发生改变，露 得到更高质量的木纤维，形成以利用微纳米木纤维的新技术产业。同时现有产业将 得到技术改造，零污染豹木材造纸技术研究可能在近期就会爨现突破。 1 i 2 2 术粉及术粉捆关利用 本粉加工楚本材利用的又一主要方向。当本粉变成擞缝米豹敉度以麓，骧来本 材理化指标都发生变化。以木材液化为例，现在本材液化的成本非常高，几乎没有 工业价德。嚣髓传绞本材滚他媳方法基本是以酚或多元酵辘髓在熹涅下遴抒的滚强 过程，有时还骠以酸、碱为俄化剂，造成相当严重的污染。如果将木粉加工到微纳 浓以后，木材原来缨臆鲍结构宠全发生了变位，本纤维、攀纾维素、本瓣素在匀鹾王 的过程中用机械的方法可以被分离出来，在细粉状态下进行木材液化可以改变术材 渡壬匕的方式季曩成本，馒本材渡佳真垂羔业化。 在复杂术雕制品的加工中，采用赢接计算机辅助制造( r p m ) 技术将盥接利用微 纳米本粉形成复杂本联制品，同时费甜一种囊兹本材加工方法。纳寒本耪材料的王 渡化前途已经明朗，廉价、批爨生产纳米术粉材料f i 句商业他环境很快就会形成。可 以说纳米技术在本材工业上的突破姆从纳米零粉款大规模生产嚣始。 东北林业大学硕士学位论文 1 1 2 3 林产品纳米化学及其它领域 林化产品的纳米化学研究是微纳米技术在木材工业发展最有前途的产业： a 使用物理法制造以木材为原料的生态型工业用催化剂可以彻底解决污染问题。 b 纳米技术生产的木基胶粘剂可能代替含甲醛的有毒胶，实现胶粘剂的绿色革 命。木材纳米胶合化学的应用前景也是相当有前景的工业， c 木材表观微纳米摩擦学的表征与检测技术也将成为木材微纳米技术的新的研 究领域。 d 纳米阻燃材料可能成为最廉价的木材的涂饰材料，以解决木材的阻燃问题。 e 木基磁材料和木基绝磁材料的研究将使磁材料和绝磁材料生产的成本下降。木 材绝磁而又和磁性材料具有良好的亲和性，因此可充分发挥木材的这种特性， 制造木基磁材料和木基绝磁材料。而木基微纳米粉的成本可能是微纳米材料中 最低的，故此，木基磁材料和木基绝磁材料的研究将使磁材料和绝磁材料生产 的成本下降。 f 发光木材的开发也将依赖木材微纳米技术得以实现。 g 木基空腔体材料和多i l 材料的制备技术也是木材微纳米技术的发展方向。 微纳米木基复合材料及其形成机理理论；微纳米无机聚合物杂化木塑复合材 及其形成理论；木材微纳米状况下和高分子材料细胞结构重组理论；木基微纳米仿 生材料形成理论等进入微纳米尺度后都有可能获得突破，都将丌创木材科学研究领 域的新方向。 木材微纳米结束研究的空间是广阔的，是一个崭新的领域，没有成型的理论可 以依托，所以提出的研究设想也就不会完全正确，有待于实践的检验与完善。 1 2 传统纤维板形成理论简介 纤维板是以植物纤维为主要原料，经过纤维分离、成型、干燥和热压等工序制 成的，目前，纤维板中以m d f 使用最为广泛，下面以m d f 为例简介纤维板形成理论。 m d f 是由木质或非木质纤维与树脂或其它合适的粘接剂，在压力和高温下，粘接 而成的板制品，第条m d f 生产线于1 9 6 4 年在美国建成，此后迅速发展，雄居诸多 人造板发展速度之首而风靡全球。m d f 的优势在于：密度适中为0 5 0 8 8 9 c m 3 ( 一 般不超过0 7 5 9 c m 3 ) ，物理力学性能好，与相同密度的刨花板相比，静曲强度、平 面抗拉强度、_ i f 面- q 侧面握钉力等性能高8 2 0 ，m d f 表面光滑细腻，适于油漆或 贴面等二次加工，机械加t i 艺性好且可雕刻、铣边，侧面密实可不封边，材性、 外观、质感等条件接近天然木材，个别指标甚至优于天然木材。m d f 用途广泛，主要 微米级木材切削与长纤维高强度板生产理论研究 用于制作家具，用量占6 5 p a 上。其次是建筑、地板、墙板、装饰、水泥模板、车辆、 船舶及家电音箱，乐器等。 m d f 制造过程有以下步骤：备料、纤维分离、浆料处理( 纤维干燥、分级) 、成 型、热压( 干燥) 、后期处理、表面加工等工序组成。 这里主要介绍纤维分离和铺装成型工序，纤维分离工序是整个m d f 生产中保证 产品质量的核心环节之一，它耗能最多，约占总能耗的5 0 6 0 铺装成型是m d f 生产中关系到成品板翘曲、分层、密度分布、厚度公差、表面粗糙度以及多项物理 力学性能影响产品质量的十分重要一环，更为重要的是新型人造板材主要是在这两 个工序与传统纤维板加工工序不同。 1 2 1 纤维分离方法 传统纤维分离的方法可分为爆破法、化学法、机械法和化学机械法等，早期纤 维分离主要用爆破法，目前已少见，化学法分离纤维也很少用于纤维板生产。机械 制浆包括磨石磨木浆( s g w ) 、盘磨机械浆( r m p ) 、热磨机械浆( t m p ) ；化学机械制 浆包括化学机械浆( c m p ) 、化学热磨机械制浆( c t m p ) 。 1 2 1 1 热磨机械制浆法 目前m d f 绝大部分采用热磨机械制浆( t m p ) 法，该方法是瑞典人a s p l u n d 发明 的，其原理是利用高温饱和蒸汽( 1 6 0 1 9 0 ) ，对含有一定水分的木片进行预热， 软化木材，使纤维牢固结合一体的木素胞间层分离，通过热磨来削弱纤维之间的结 合强度。木片预热后被送入热磨机的磨盘中，受到压缩、拉伸、剪切、扭转、冲击 摩擦和水化等多次重复的外力作用，最终导致纤维分解。为促进纤维素和木质素分 离使纤维得率增加，往往加入化学促进剂。 图卜1 中a 表示自由状态纤维的横断 面，b 为受到热磨机磨片压力f 后，开始变 形，c 图说明由于磨片转动而施加了剪力 一，使纤维胞间层结合的次生壁变得疲弱， 从而使纤维分解。纤维的物理性能，不仅受 其单位长度重量的影响，而且还受纤维横截 面外层和内层宽度的影响，纤维的这个参数 即为惯性矩，惯性矩小，纤维挺度低，柔韧 性就高。 a f f b l f 黯 f f c 圈1 - 1 纤雏热囊下的分解 f羽朔蛩厂圈 尔t 毒拳娃大学硕士学位论文 纤维也可以餐成麓一个近 默圆管，图l 2 ，在 黪爨中其鞠线沿经向分布时，如果不计滑动，幽于 纤蠛两端距磨擞中心踞离不同而存在转速差， 大丽 经纾维有按与麟纛转遮成比铡的转速绕其自身辘线 短转的趋势。遮时纤缀处于一个力偶l 的作用下， 力涡m 丈小是长度为k 黝纾维两端转速差的函数。 力瞒使纾维表聪的蓝线被扭曲成螺旋线，纤维端蘧 处豹半凝也被翘转。魏鬃取纾缀表嚣豹某个部分e 乍为自由体来腿察，边部受剪应力s ，在与剪应力呈 4 5 。角的乎西内，产生个大小与s 鞠等的压应力， 夜与压成力乎麟榴垂麓的平霹瞧，产生一个大小与 s 鞭等的按应力。剪应力s 是力疆积纤维几俺足寸 斡蕊数，可用下式表达。”。 s = 莉1 6 m d i万t 矗l d i ， 式中：d 。一一管臆内径 d ，一管腿外经 黼卜2 纤维掇转趋势示意 当平哲予纾维轴线熬剪纛力豉对翅线拉应力超 过微纤维在缨纤维集合搏内蛉结合强度时，则纤维产生平行予螺旋线的裂纹+ 从渐 馊纾维松散分离。纾缭鼹受静压渍一蘩甥，摁转一剪甥酾拉 枣鄂不是独立送行豹，瑟 趋潺合进行的。纤维黪分离魄不是一次受力就能完艘鲍，藤是予露次重复受力的缝 袋，这就蹩纾维分离的松弛理论。不少纤维还建淘予磨片切线方囱，当黪巷褥沿沿 纤维轴线邋过时，纤锻受压力和海轴线敬剪切力露蠖纾维纵自分裹、露联疆“纵自” 壤装，话楚这秘“圾趣”整浆理一缮到较惠质豢戆纾缝。大攮纾雄褒糜冀中，疑非缝 径舞分布，也 纯切肉分毒，分布是隧极的，无翅德可言。隰照纤维除瓣爨片轴线 律挺转运动羚，还由于离心 乍用也游戆片作径意运动，同时绕其囱身孝史线旋转和援 转。出予爨遗蛉佟霸，纾缝在壤冀轴氯还馋经复运动。霹见纾维在摩冀中，是一秘 多缪复杂浆空耀运动，这整运动之阉并无固定不变懿关系。其运动轨透又卡努复杂， 蘩今还难以餍数学方程热以表达= “。 纾继在瘗片中斯受努力，氇是卡分囊杂的，压溃一夔坊，熬转一势切，赘切一拉掉 等都不愚独立遴行豹，瑟是漏合进行涎，各力戆大，l 、也无鼹定戆躐数关系。纾维所 受瀣力多为动载荷或冲击载荷。 6 微米级木材甥静与长纤维离强度叛生产理论疆究 一一 终维在受到压力、剪力、扭转及拉伸等诸力 乍恩下会产生变形。作用力小时， 纤维产生纯弹性变形，当外力消失后，变形会随之迅速且完全消失，纤维恢复原状。 乍用力大到怒过纯弹性交形极限啭，纤维产生菇弹性变形，当外力消失后，纤维虽 然仍可恢复原状，但周期较长( 几秒至几分钟) 。作用力辩大到纤维产生塑性变形时， 即使外力消失，纤维也不能恢复殿状，显然要分离纤维必须使其达到塑性变形的程 度但纤维一次受力即产生塑性变形在大量生产中实现起来是很困难的，纤维质量 也达不到要求。热磨撬分褒纾维趋在对纤维撬加较小的羼力和剪力，傻葵产生弹性 变形，但在其未完全恢复变形之前，使纤维再一次承受外力，多次重复的外力每一 次都给纾维鹫下了“伤痰”，直墅纾维产生疲劳( 一般要凡子次外力豁髂用) 才最终 导致分离，纤维因蘸复多次受力而分离，是一种典型的冲击疲劳现象。还应提到的 一个重要参数“冲壹频率”，即单位时阁海憝冲壹次数，渖毒频窭增趣则滓击次数可 以减少，冲击力也可降低，纤维质量会提高。提高磨齿对纤维的冲击频率，是通过 提高热磨毒足薅盘的转速来实现戆，基蘸热廉枧磨擞转速已达2 2 0 0 t a d 轴i n 。 图1 3 表示纤维在磨齿间的受力状 态，纤维受力是由磨盘压力冲击、松弛和 旋转传递的。两磨盘磨齿相对时纤维受到 一次压力帮薅力跨毒，嚣壤盎莲淘耀对 时，纤维的压力、剪力消失( 松弛) 。这 对冲击一瀵失( 松弛) 鼓狗成了一次受力 脉冲。 热磨瓤旋予分褰纾维懿机戮戆9 e 9 5 披转化为热，压力转化失内热，摩擦 脶卜3 纤维在磨搬闻的受力状态 力转化莠势热。这璧热量搜 寻绎维瀣度上升，一曼努力瀵失，滠度又立蘩下辫。西 此伴随着纤维冲击一松弛机械脉冲的同时，还存在着纤维的升温、降温的温度脉冲。 正是因为存骜纤维的溢度脉冲，鼹以器前多数久造扳的色泽呈红褐色。 从前面的纤维运动、受力分析及纤维分离机理可以看出，热磨法比能耗高主要 有下列凡静鞭因：簇瓣及浆瓣大量熬滚动、摩攘攒失；嚣运动着瓣粳麓稚块产生静 固有的低效率机械作用：磨齿前沿沿着纤维长度方向通过造成的“纵向”磨浆等。 热磨辊械制浆法之所以在m d f 生产中被广泛慕用主要与它本身懿特点有关： a 适于多种原料制浆，除木片法外，非木质原料也可采用热磨法： b 纾维秘凝纤维酸琢褪对较少，纾维得率高； c 生产能力大，设各自动化程度高，占地面积小可大幅度提高劳动生产率。 东就袜业大学硕士学位沦文 1 2 。1 2 其它制浆法： a 化学机械法：是先用少量化学药品对植物原辎进行预处理，使胞闯鬃软化和胞 间层中木素、半纤维素受到定程度的破坏和溶解，从而削弱纤维之间结合力，再 经机械外力作鞠丽形成纤维。此法纤维得率低，耗赞化学潞，制得纤维还有定酸 碱性，纤维处理工艺更加复杂，成本离，纤维板生产中一般不采用此法。 b 纯机械法：是将纾维原料用温水浸泡后或直接凄成纤维，又分为木段磨木法和 本片磨木法。术片磨木法又称高速磨浆法，楚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，然后巍接进入高速旋转的磨盘闯磨制成浆料。 c 爆破法：是将植物野维原料置入高压密闭容器中，用旖温高压蒸汽进行短时间 处理，便纤维闽的胞闯层软化、耱类部分水解，之焉突然超阀降压，纤维原料的内 部水分瞬阻j 汽化膨胀，并借助于高压熬汽的作用，从容器口高速冲出，使木片与出 嗣产生简速摩擦而爆磁成棉絮状纤维或纤维柬。此法纤维褥率低，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对各种原料的适应性不问，所用设备及纤维质量也不 榉。相比之下无论是纤维质量还是经济效益，热磨机械制浆法都比较好。 1 2 2 传统木纤维铺装成型技术 木纤维制浆以后，经过施胶( 也有不施胶的) 工序、离温气流干燥工序以后， 就进入了锩装成型工序。出于镳装成型关系到成晶板翘盛、分层、密度分审、厚度 公差和表面粗糙发以及多项物理力学性能，所以 【卧成型工艺要求是：板坯密度均 匀稳定、薄厚致，具毒一定的密实度，劳保证达到足够的厚度取l 尺寸蛾格，以满 足产品质量的要求。根据铺装头的成型原理可分为机械成型、气流成型、机械气流 成型以及定向成型几大类。 1 2 2 1 机械成型 机械成型是利用机械作用将计量艨的纤维松教，再均匀镳装成板坯，朝由各孽申 运输帝均匀供料各种辊、刷、针刺将纤维撤松打散，在离心力和纤维重力的作用 下沉降到嘲带上，形成板坯带。 由机械成型的板坯蓬松、强度低，板坯难以高速运输，铺装后的板坯带密度小， 额压秘预热时，要排除大量空气，会嫠走不少缨j 、纤维，造成一定原擗浪费，控镪 不好会产生空气污染；纤维靠自身重力沉降速度慢，成型速度低，生产率小。但机 械镶装枧没备结均麓单，动力消耗小，调整、操作秘维修方便，糟对于气浚镇装粉 尘飞扬扩散对环境影响小，机械铺装方式适合于薄板生产。 微米级木毒才切割与殴纤维赢攫凄扳生产理沧鳞究 _-一 一 1 2 2 2 气流成型 气流成爱是指纾维缮辨气流箨掰均匀分散逾沉积在藏羹滔带上形躐羲坯的铺装 形式。真空气流铺装成型枫是借助真空负压的作罱使纤维沉降而铺成板坯。其 铺藏靛校坯密实，吴有一定鹳强度，育裂运输，预逛时捧豫筋空气嚣鞍少，不致损 坏板坯。由予纤维的沉降借助于真空负压。遗合不问厚度要求的成型。纤维的沉降 速度快，可采用较高黪锈装速度，生产率也就较高，其髓鬏大，气动褥往复杂，_ i 絮控制调整难度大。但真空气流成型方式可以比较准确、完普地控制板坯结构，产 黼葳鬣院较稳定，溺i l ：是穰遣海震量m d f 鹣主要藏塑方式之一。 摆嘴式气流成型见图卜4 ，意一定空气混合比的 二f 纤维，驭濒速气流l 通过摆嘴2 避a 成型窳4 ，摆 嘴由椎枵3 徒复推动而摆动，从面将纤维擞藩在运行 懿阐带上，成型为投珏。推杆可戳建机械传动或液压 驱动。为了保证边沿板鼷有足够的厚度和密度，攘嘴 撤藩鹩纾维宽魔，赫硕大予戒挺宽度，富余静纤维由 掰侧回收槽邀回干终维料仓。网带下蕊设鼹冀空箱， 镬网带形成负压，以利纤维辩着帮密实，并撼走出摆 鬻 一气藏式毫流瘫戮裁 嘴带来的空气。 图卜5 是戳喷气箱布 料的气淡成型机。终维气流 通j 建成獬藕2 顶都的喷气 瓣1 4 摆薅式基藏受 奄糕箱l 礴料。纾缎在成型箱虎均匀地铺予成型躁赘上。 空气与纤维的混合眈，由成型机上部的旋风分离器与干 纤维计爨鞑仓调萤。气流布辩器穗左右睡边对称分南 喷气箱，由转换阀4 产生的脉冲气流，以5 1 0 次s 的 变换率慰遴过之字形供誊喜管下糕熬纤维对囔，遗使纤线 浴宽度方向以逐渐加丈的萨弦波沉降。此时纤维的未 速，出之字鼯供料篱蛉1 0 m s 减失l m s 。 喷气箱的进气量约为之字形供料管进气爨的2 0 ， 由漏旋喷头分别供气。这种成型挽艘型效果蛞，攀机成型曼鸯每小时7 t 。一条年产 1 0 力m 。的m d f 生产线，两个成黧头串联即可。气流成型机的成型网带多为会属、乙 烯缡织，或爝两种孛苎料混合缀缎。纬线为菪辛线，减少了变形囊便予修瑾。阏疆丈4 、 羟制在0 5 m m 左右，溉翁形成真空又不会让细小纤维漏掉。成型网带应防止受力不 乐嚣抟渡大学硕 ：学囊论文 均和减少边缘磨损，保持网带平稳运行，防止跑偏，尤其| = = | 酶成型网带与预压帆网 带合二为一后，对网带登求更高。 网畿由于纤维、树脂积污物故聚积，会造成污染和堵塞，应配置届辊，经常滚 制，使湖带保持清洁，以利气流畅道。网带受挤主要是拉力过大、受力不均或机械 损伤所致，应随时注意调整。 负压均匀摄 成型网下部为真空箱，其目的在于使板坯下部 形成负鹾。由于纤维的特点，成型后援坯蓬松度很 大，纤维间空隙截留的空气被真空箱暇走，使得纤 维蓬松度降低面紧密地交织在起，并附着予成型 阚上，同时减少纤维的飞扬。真空箱上的负愿均匀 投毒许多孔眼，i l l i f 密度呈中闽少，两侧多泠毒， 以形成两侧高真空，中部低真空，高低真空区的比 例视板坯密度与厚度聪定( 图l - 6 ) 。衮了高低宾空 的差异，板坯彳能形成中间小，两侧大的马鞍形成 型梯度，以防出于预压时扳坯两侧塌边挤出造成懿 密度不一。真空箱下有节气门，可无级调节真空度 爨蘩 豳1 6 板坯成型示意 大小t 以获缛密度一致的纤维扳坯。囊空箍撼走鲍空气混杂有少量细小纤缎程糖尘， 可经旋风分离器分离净化后，送至料仓备用。成型宽度取决于成型箱内壁宽度，成 型宽度是露溺的，成型厚度的改变，是通过纤维来料量的多少与成型薅遮的涌整丽 获得，来料量大、网速低板坯厚度大，反之则厚度小。 l 。2 2 ，3 气滚一槐械成型 转鼓成型机( 图卜7 ) 是气流一机械成型其中之其特点是扳坯成型于转鼓上。 寒鑫计量麟仓懿干纾维，经进料管l 露，由撰嘴2 投入沉降室3 ，熙有成型宽度的转鼓4 有许多小孔， 表西包一周会属网带。邋过追转接头粪空口，使转 鼓一部分形成真空，将纤维吸附于转鼓表面会属网 上。当转鼓上鲶纾维睫转鼓反酵拳 方囊转至簸羝位 置前约l o 。左右，通过6 进入的压缩空气，饿转鼓 斌韶清除真空面失去了怼绎维的吸黪戆力，此孵成 型的板坯落于成型网带9 上，随网带而流入预压工 廖e 7 与8 均为测平辍，愿懿别平霸诞带板坯浮度。 制成纺锤彤的转鼓，可以锱出弧形板坯有利于改善图卜7 转鼓成型机 徽米缓木材讶燃与长纤维高强度袄生产理论疆究 板坯边沿铺料不足的缺陷。板坯成型厚度可由来料量大小和转数的速度调节，网带 必须与转鼓4 线速度同步。 图卜8 是单刷辊式气流一机械成型机，高速干纤 维气流进入成型室1 ，在高速旋转利辊2 的带动下， 纤维从筛板3 中喷出。在真空箱负匿的作用下，纤 维吸附在运行的网带上，空气剐被描走。扫平辊扫 平板坯并除去多余的纤维，以使扳坯保持平整和定 厚。无论何形式的成型机，只要串联安装，就能获 得多层结梅妁扳坯，产量、厚度均可增加，扳坯均 匀度也将提高。 1 。2 2 。4 三摊成型桃特点 a ，机械成型机：结构简单、搽作、调整容易、 能耗小。由于单靠熏力沉降，扳坯蓬松、密度小、 预压困难、难以生产厚板。 霜卜8 孳堋辗式戏登橇 b 气流成型机：结构简单、爨实现自动控制，扳坯密实、便f 输送和预压。成 塑厚度范围宽，产薰大。但能耗丈、气动持性复杂、调蘩困难。由于影响气动特性 因素较多，虽较敏感。人工控制较难。气动特性菇周密设计，西则粉尘较大。 c 气流一机械成型机：其特点介于机械与气流铺装机之问，成型密实。气动特 馑简单、调节简便。纾维沉降? 中者力小、粉尘毋，产量与成型厚度菠西逶孛。 1 2 2 ，5 成擞密度控制 m d f 分三层结槐与混合结构。三层结梅毒上表屡、芯层和下裟屡。表、芯屡纤维 的含水率、粗细度、施胶量、脲醛胶的特性、均脊差异，成型也按裹、芯层分别成 型。这穗结橡的m d f ，物理力学性能比较理想，表嚣光滑乎整、省胶、生产率高，但 设备多、工麓复杂。一般采用多头成型，从理论上讲，成型头多，对成型质量有利， 敢有多达4 个头的成型极。每个头各镛层纤维，板坯均匀度好因为一次成型缀 难保证板坯平整虽然扫辊加以扫平，但这乃是种假象，板坯内部仍然存在密度 赢惩不一的实屡a 戏型网繁动板坯进入下个成型头封，密度不均癌褥至l 一定程度 的纠诉，因为密度低的部位气流阻力小真空度大，必然比密度简的部位吸附更多的 纤维沉积，这种程序经过多次，群通过多次戚型，扳坯密度裁趋向均匀7 。由于板 坯成型厚度随网带的前进逐渐加厚，其气流阻力也随之增大，故成型头下的真空度 配置也应逐激增大。援坯密度酶不均匀性，主要突出在宽度方怒，嚣缀囱密度差异 要小樗多，宽度方向密度误差要求为上5 。 尔林业丈学硕士学位论文 瓣黧5 纛0 撩熏醴 各占芯层纤维惑餐的。之所以下表层纤缎含量萱蓊墓嚣门 较多，原因在于下层首先接触热压板，因而预固化卜o 专警黼杀h 多，这样才能保证板子上下对称，有利于抑制板子 蓑层的5 5 6 叽芯层的6 1 2 3 其它工序 在铺装成型之后还要进行热压( 干燥) 、后期处理、表面加i e 等工序j 一能完成d f 静生产，每个坏节都梅影赡到产品敲质量，艰予本沦文豹篇蝼霹研究重点这擎不再 赘遴。 擞米缀术材魏剿写踩纤维高强度扳生产理沧秘究 2 微纳米缀木材甥絮与长纤豢裂解形成瑾论 木材是一种t 分复杂的生物材 料，传统木材学在研究木材的构造和 性质时一般从三个不鼢的切面入手， 即横切断面一一垂直于树干木纹方 向的切蕊，径切面一一沿树干方向并 通过髓心的切面，弦韬面一沿树千 方向并与年轮或掰皮成切线相切的 切面( 觅图2 - 1 ) 。木材构造分宏观构 造秘微观构造。术材宏观构造指用肉 眼和在l o 倍放大镜下能观察到的丰句 造，是本材表面的特强，包括树皮， 边材、心材、髓心、年轮、管孔、树 脂道、木薄壁组织、波痕及材色、气 味、结构、纹理、光褥等特征。木材 的微观构造则需用光学显微镜和电 子显傲镜通过几百倍几千倍甚至几 。 一万垮放大后才能观察到的构造，是 组成术村的细胞和细魏壁的构造，包 括管瞧、导管、本薄壁组织、本射线 等。在术材中，除去掌管和薄壁组织 以外l j 。全部长丽狭的本质细胞，统称 为纤维。纤维形如纺镶，是术材重要 成分，一般占本材俸积鲍5 0 以上。 从横切面观察，纤维为不规则的 管：发多边形，弦切面可见与纵向垂直 的术射线。木材纤维长度多在2 5 r a m 之捌，极短者，、于i 瓣，长者熟云南 思茅松跃达7 4 3 9 r a m 。纤维直径( 弦 向) 、子均0 0 2 0 。0 4 r a m ，缀小者 f ) o l m m ，极大者f ) ，o g m m 。 冒2 一f 毙孥显徽镶下掺杉细胞备j 句断面圈 1 1 东北林业大学硕t 学靛论文 纤维的形态，对纤维板的力学性能影响甚大。纤维长度和长宽( 纤维真径) 比 ：d ) 越大，板子强霞刚蘧离。 2 。 本终维纲胞形状的数学描述 建立数学模型是当代科学研究的主要手段之一，它可以为汁算机控制掇供基本 的加工技术基础，因此，本材微纳米技术理论构建应首先从本材的数字化籀述入手， 即对木材从微观的细胞结构形状和变异过程到宏观的实体原木做数学描述，建立木 孛考数学模黧，并在此基稿上形成现钱术牵才徽缡米级掬工援术，确定徽纳米本纾维的 加工方法。 2 1 1 单个木纤维细胞横断面形状的数学抽象 在1 9 8 5 年残俊卿等虢在萁论著中论述了多数木材横断萄呈椭圆蜂窝状。“”，规则 细胞内部的管胞腔可以近似为圆形的空腔管，这在1 9 8 8 年腰希申发表的木材显微照 片可以得捌佐证。 单个细胞的数 学模型是整个术材 细胞排列的数学模 拟与计算机仿真的 基础，木材横断面主 方向上的数学描述 应以木材纤维的显 微照片形状结构作 为糕础。由于木材横 断蕊上是由纤维素、 木质素、糖基化合 a b 豳2 - 2 术材细胞结构的简化剖 物、胶脂等组成，细胞壁分为胞问层、初生壁和次生壁等情况比较复杂，因此为了 数学描述上的简便，可以把本榜微观结梭抽象暇设成图2 2 鲍形状，本楗革位商稷 的质量分市是纤维素和微纤丝分布在六棱体边缘和胞腔壁边缘上，胶脂、水分、糖 类化合物分啦在空腔内。本材经过这样的假设和数学模拟以后，我们可以定量地分析 微纤丝含量的确切百分比，定量地分析不间胞壁厚度可能对木材性能的影响，定量地 分极细胞椭圆度对细腿性能的影瞧，定擞地分掂不同缎腿分糠；形式可熊对本材性能 的影州，定嚣地分析胞腔内胶体、糖类和水分可能对木材性能的影响，使细胞分析 4 微米级木材切削与长纤维高强度板生产理论研究 在数学模拟的基础上实现计算机仿真，使细胞分析从完全依赖显微镜的定性分析和 人为猜断向数学模拟及计算机仿真的定量和逻辑推理的科学判定的方向发展。 通常木材规则细胞的大小和形状满足对称排列的规律性，所以，在完成规则单 个细胞形状的数学描述之后，可以对规则细胞中心位置的数学描述方法进行进一步 的探讨，以便简化和方便规则细胞的整体数学描述，从微观入手，时论木材宏观状 态的性能参数。 2 1 2 木纤维细胞横断面的数学描述方程 尽管木材在宏观上是各向异性材料，但根据单个木细胞的横断面结构，可以按 复合材料力学的划分方法将其假设成横观各向同性材料，这对研究木材横断面舰则 细胞结构具有相当重要的学术价值。 建立基本假设：即在将木材单细胞横断面假设成横观各向同性条件f ，木材纤 维这弹性体在木材微观规则细胞中形状的数学模型。“如下。 ( j r ，一) ! 4 ，! d ?( 2 2 ) 1 1 6 x s d ： r o ! x ! + j ，! ( r o + j ) 2 ( 2 3 ) 式中：d ，一舰则细胞横断面椭圆外廓包络圆直径 d ，一一规则细胞横断面外廓宽度 一规则细胞横断面外壁胞间层和初生壁厚度和 x 、y 一一单个规则细胞横断面坐标变量 r 一一规则细胞胞管半径 6 一一觇则细胞胞管具瘤层厚度 a 、b 、f 一一方程的常系数 在( 2 一1 ) 式中，当d = 0 8 6 6 d 。时( 见图2 2 ) ，a = b = 4 ，c = f = i ，这个细胞 形状近似于正六棱形。方程表示的是图2