（机械设计及理论专业论文）微米木纤维形成mlfb微观构成理论及工艺研究.pdf

摘要“天然林保护工程”实施以来，我国大径级优质原木日趋短缺，急需着手开发以“次、小、薪材”、“三剩材”为原料的人造板产品。具有我国自主知识产权的新板种微米长薄片状木纤维低密度人造板( m l f b ) 的开发研制，实现了小材大用、劣材优用、废材有用，填补了我国木材加工领域依托木材的微米加工技术，以非热磨方法所得的微米木纤维研制开发低密度木质人造板的空白，对我国国民经济和社会发展将起到重要的推动作用。目前，以木材微米加工技术产品的低污染、低成本、低密度、性能优良等优势来替代传统加工方法生产的木质轻质人造板，并将其应用到建筑、装饰场合，其一系列的相关问题，已成为当前木材加工行业的研究前沿。本文指出：微米长薄片状木纤维低密度人造板( m i c r o nf l a k yw o o df i b e rl i g h td e n s i t yb o a r d ，英文缩写m l f b ) ，是指在不限制原料的密度、不限制原料材质的前提下，以木材机械切段刨削所得的微米木纤维为原料，生产的密度在0 3 - 0 4 5g e m 3 之间的轻质人造板新技术产品。本文以国家自然科学基金项目“超高强度微米长纤维定向高密度板的细胞重构机理研究”的前期工作为基础，进一步作了以下研究：通过对一定切削厚度条件下，单个木纤维细胞劈裂过程的进一步分析，得出单个木纤维细胞切削后的形状，并分别对其进行数学描述i 以此为依据，设计制造了m l f b 原料微米长薄片状木纤维加工实验台，利用a n s y s 软件对该实验台关键部件进行模拟分析，为实验台的进一步优化和改进提供理论依据；以复合材料微观力学，木材细胞学、计算机图像学等为理论基础，对m l f b 的微观构成机理、力学性能的预测进行研究，并给出基于计算机图像数字处理技术的m l f b 孔穴的评价方法，将人造板的研究推向了微观结构的研究水平；按照本文所提出的微米长木纤维的加工理论，对加工出的微米长木纤维形态特征进行了数学描述，在此基础上，依托大型动态仿真软件o p e n g l 和v o 拍0 ，对m l f b 的压制过程进行了计算机的模拟仿真研究，开发了m l f b 板材压制过程的模拟仿真软件和m l f b 板材断面结构检测软件，突破了通过大量的实验所进行的费时、费力的研制新板材的传统方法，实现了利用复合材料微观力学来构建、设计、优化新板材的研究方法。在实验室对制取m l f b 板材的工艺进行了研究，验证了m l f b 成板理论的正确性。本文主要考虑m l f b 热压工艺的四个参数：施胶量、热压温度、热压时间和热压压力，通过采用初步探索性实验、正交实验以及综合实验相结合的方法，分析这四个因素对m l f b 的静曲强度、弹性模量及握钉力的影响；获得实验室制造m l f b 板材的较佳热压工艺参数，寻找出制造m l f b 的一般规律。获得的实验室m l f b 样品，其密度在0 2 7 5 , , 0 4 5g c m 3 之间，外观呈现木本色，经检验，力学性能符合日本轻质刨花板工业标准j i s a 5 9 0 8 ) 。关键词微米；木纤维；m l f b ；微观机理；工艺s i n c en a t u r a lf o r e s tp t c s e f v a t i o np r o j e c tc a r r i e di n t oe x e c u t i o n 。t h el a l 雩争d i 础n 蝴f i n el o g sa 糟d e c r e a s i n gd a yb yd a yi nc h i n 丑i ti sv e r ya n x i o u st od e v e l o pn e ww o o d - b a s e dp a n e l sm a d eb yt h ei n f e r i o rw o o d , s h o r te n d s ，f u e lw o o do rt h er e s i d u a lo fr e f o r e s t , a f f o r e s ta n dt h i n n i n g t h u sd e v e l o p i n gn o wb o a r dn a m e dm i c r o nf l a k yw o o df i b e rl i g h td e n s i t yb o a r d 。s h o r tf o rm l f b ，w h i c hp o s s e s s e do fi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , m a d ei tt ob ep o s s i b i l i t yt h a ts m a l lw o o di su t i l l t - e df o rl a r g ep u r p o s e i n f e r i o rw o o du s e da ss u p c l r o rw o o da n dw a s t ew o o di sa l s oo fa v a i l a b i l i t y i tf i l l e dav a c a n c yi nn a t i o n a lw o o di n d u s t r yf i e l dt h a td e v e l o p i n gf i g h td e n s i t yb e a r dw i t hm i c r o nw o o df i b e rm a c h i n i n g e dn o tb yh o tg r i n d i n gb u tb ym i c r o -t e c h n o l o g y , a l lt h e s er e 翻x 噬c h e sw o u l dp r o p e lt h en a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t n o w a d a y s i th a sb e x t d l n et h el e a d i n gr e s e a r c hf i e l di nw o o dp r o d u mi n d u s t r yt or e p l a c et h e | i g h tw c o d - b a s e dp a n e l sp r o d u c e db yt r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw i t ht h ep r o d u c t sp r o d u c e db ym i c r o - t e c h n o l o g y , a sw e l la st h es e r i e so fc o r r e l a t i v ep r o b l e m s b e c a u s et h en e wl i g h tw o o dp r o d u c t sb ym i c r o - t e c h n o l o g yh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rp o l l u t i o n ，l o w e rc o s t ，l o w e rd e n s i t y , f i n eq u a l i t i e so t c ，a n da r ea p p l i e di nc o n s t r u c t i o na n dd e c o r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sd e f i n e dt h a tm i c r o nf l a k yw o o df i b e rl i g h td e n s i t yb o a r d , s h o r tf o rm l f b ，i san e wl i g h td e n s i t yb o a r dr e l y i n go nm i c r o - t e c h n o l o g yw i t hp r e c i s i o nm e c h a n i c a le q u i p m e n t , i n d e p e n d e n ti n t e l l e c - t u a l 胛o p e | 峨t i t t l el i m i t si nr a wm a t e r i a ld e n s i t ya n dq u a l i 劬a n d0 3 - 0 4 5g c m 3i nd e n s i t y 雒w e l l b a s e do nt h er e s e a r c ho fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc l f i n ar e s e a r c ho nc e l lr e c o n s t i t u t e dm e c h a n i s mo ff o r m i n gs u p e rs t r e n g t ho r i e n th i g hd e n s i t yb o a r dw i t hw o o dm i c r o - f i b e r , f u r t h e rr e s e a r c hw e l e 嬲f o l l o w i n g ：a n a l y z i n gt h es p l i t t i n gc o u r s eo fs i n g l ew o o df i b e rc e l lu n d e rc e r t a i nc u t t i n gt h i c k n e s sc o n d i t i o n sf u r t h e r l y , t h et y p i c a ls b 嬲o fs i n # ec u tw o o df i b e rc e l lw 眦o b t a i n e da n dt h em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o nt h e o r yo ft h et y p i c a ls h a l x 络a l s oc a r r i e do u ta sw e l l b a s e d0 1 1a b o v em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n s ，t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tw a sd e s i g n n e da n dm a n u f a c t u r e df o rm a c h i n i n gt h em i c r o l lw o o df i b e ro fm l f bs p e c i a u l y , w h i c hp r o v i d e dan e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rd e v e l o p i n gm i c r o & n a n o - t e c i m o l o g yw o o dp r o d u c t s i no r d e rt 0o p t i m i z ea n di m p r o v eo i lt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t , s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec r i t i c a lc o m p o n e n tw a sp r o c e s s e db ya n s y ss o f t w a r e b a s e do nc o m p o s i t em i c r o - m e c h a n i c s ，w o o dc y t o l o g ya n dc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e , t h em i c r o s t r u o t o r en m c h a u i s ma n ds t r e n g t hp r e d i c a t i o no fm l f bp r o c e s s e dw i t hm i c r o nw o o df i b e rw e 犯s t u d i e d w h i c hp r o v i d e dan e wr e s e a r c hm o t h o di nw o o d - b a s e dp a n e lm e c h a n i c sr e s e a r c hi n s t e a do ft h ei x a d i t i o n a lm e c h a n i c st h e o r y , a n dm 东北林业大学博士学位论文p r o p e l l e dt h ew o o d - b a s e dp a n e lr e s e a r c hi n t om i c r o c o s m i cl e v e la sw e l l m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et y p i c a lc o n f i g u r a t i o no fm i c r o nw o o df i b e rw a $ e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h em i c r o nw o o df i b e rp r o c e s s i n gt h e o r ys u b m i t t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e nc o m p u t e rs i m u l a t i o no f m l f bm a n u f a c t u r ep r o c e s sw i t ho p e n g la n dv c 扣卜6 0w a ss t u d i e d , a n da l s ot h et w oc o r r e l a t i v es o f t w a r ew e r ed e v e l o p e dd o m e s t i c a l l yf o rt h ef i r s tt i m w h i c hb r e a k t h o u g h e dt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw i t hl o n gt i m ea n dh a r d w o r k , t h e nd e v e l o p e dan e wm e t h o di nc o n s t r u c t i n g ，d e s i g n n i n g ，a l s oo p t i m i z i n gn o wp a n e lb yc o m p o s i t em i c r o m e c h a n i c s f i n a l l yt h er e s e a r c ho fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fm l f bw a sc o m p l e t e di nl a l x n m o r y , a n dt h ec o r l t u e $ $ o fm l f bt h e o r yw a sv e r i f i e d b yt r i a lt e s t ，o r t h o g o n a lt e s ta n dc o m p r e h e n s i v et e s t , t h ee f f e c t so ft h ef o u rp a r a m e t e r sr e s i nc o n t e n t , h o tt e m p r e t u r e , h o tt i m e , h o tp r e s s u r eo nm o p , m o e ，a n dn a i l h o l d i n gp o w e rw e l es t u d i e d ，a n dt h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fh 几f bw e r eo b t a i n e d m l f bs p e c i m e ni nl a b o r a t o r yw e r ed e n s i 哆i no 2 7 5 一o 4 5 咖一，w i t hw o o d e nc o l o u r , a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm e t 稍l hj a p a nl i g h tp a r t i c l e b o a r di n d u s t r i a ls t a n d a r dj l s a 5 9 0 8 k e y w o r d sm i c r o n ，w o o df i b e r , m l f b ，m i c r o s t r o c t u r em e c h a n i s m , p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi v 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，也不包含为获得塞韭挂些盘堂或其他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：7 们衫红签字日期：如7 年6 月日j|学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解峦j 垦盎些盘堂有关保留、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。本人授权塞i 垦挂些盘鲎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)i学位论文作者签名： 门白葩导师签名：阮签字日期：跏7 年6 月f7 日签字日期：叼年占月7el学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编：i 绪论1 绪论1 。1 课题背景随着科学技术的不断发展，微米加工技术，对于金属加工领域早已不再陌生，金属加工的尺度已经进入了纳米量级。而在木材加工领域，纳米加工技术还没有真正起步，还未直接应用于该领域，仅仅是做了少量理论的研究，但是它具有间接的影响力，从木材加工用的工具、涂层材料到加工方法的借鉴、研究视野的开阔等方面，都越来越多地带有纳米技术的印记，目前，木材的微米加工技术已逐步进入实用阶段1 1 - 5 1 。微米( m i c r o n ) 是一个长度单位，简写为t t m ，如果把微米与木材细胞相比较，一个木材细胞的当量直径大约为3 0 x 1 0 r 6m ，相当于3 0t t m 或3 0 0 0 0n l n 左右。木材的纳米超微粒子形式是木粉，与之相对应，本文定义m l f b 原料微米木纤维：即利用微米加工技术将木材加工为长度在3 8 啪，宽度在3 8i n n ，厚度在5 0 1 5 0t t m 范围内的木纤维。众所周知，木材是典型的天然多孔性各向异性材料，广泛应用于建筑、家具、乐器、门窗、运动器材等领域。由于木材的细胞直径相对较粗，从现有的技术水平和实际应用的意义上讲，在开发研制木基复合材料时，利用木材的微米加工技术获得微米木纤维，再以这种木纤维维原料进行重组将可能改变木材或人造板板材的形成机理，有可能获得一系歹u 超出传统意义的木质人造板，因此，木材微米或亚微米水平的加工技术将会成为未来一段时间内的研究及应用热点，而微纳米科技必将成为2 1 世纪推动木材工业前进的主导新技术之一睁堋。以木材的微米加工技术为依托，构建微米加工技术轻质产品具有广阔的空间，以微米技术产品的低污染、低成本、低密度、性能优良等优势来替代传统加工方法生产的产品，并将其应用到建筑、装饰场合，其一系列的相关理论及实验研究等问题，已成为当前木材加工行业的研究前沿【i ”。1 2 国内外微米木纤维理论的研究现状木材细胞是在木材微观层次上较直接反映木材宏观性质的基本单元结构，随着细胞学理论的发展，已经可以从细胞结构区分不同树种、不同树龄、早晚材、芯边材等，而细胞形状大小、纤维素含量多少等也使木材横断面弹性模量等物理力学性能呈现极为复杂的差异，因此，从木材细胞结构出发，对木材、木质人造板材进行研究，来获得对木材、板材物理力学性能更为深入的认识，才有可能从根本上解释因细胞结构不同而导致的材性差异，以及用不同细胞结构的纤维单元制造的木质人造板材所产生的性能差异 1 2 , 1 3 。东北林业大学博士学位论文1 2 1 国外微米木纤维理论研究成果2 0 世纪5 0 年代，随着细胞学的迅猛发展，木材科学领域也开始了细胞学层面的相关研究，其中，将木材细胞抽象为模型的研究中，建立的木材细胞模型主要有两类：一类是细胞壁力学模型，一类是木材细胞的结构模型。在细胞结构模型的研究中，欧美及日本的研究主要有以下成果。瑞典、奥地利等国学者a d y ap s m g h ，l a d o n a l d s o n 等人讨论了木材横截面蜂窝内平面的细胞结构、细胞壁的纤维分布、s 2 层次生壁的细胞结构进行了深入研究。并建立了该蜂窝结构的力学模型，计算细胞模型的正切弹性模量。他们利用木材周长方向细胞壁的轴向和弯曲弹性模量分别计算轴向和弯曲变形结果，并指出轴向弹性模量是由一个完全受剪切限制的双细胞壁模型决定的，可以利用同一双细胞壁模型在对称薄片理论基础上计算出弯曲弹性模量u 4 j s 。芬兰学者k o p o n e n 根据木材细胞壁的化学成分，木材细胞的形状来建立模型，计算木材的纵向弹性模量【1 6 ，1 7 l 。德国学者d i a ox ，t f u r u n o 采用应力光谱分析来确定细胞断面形状，并提出在传统术材的改性技术研究中，可以通过木材细胞的结构变化来改变木材的材性。人造木质复合材料也可通过木材细胞的变异或改变细胞结构来获得新的人造材料【瑚。德国学者b u r g e r t 根据木材纵向细胞与射线细胞的弹性模量建立一个二分量模型，分析计算射线对阔叶树材的横向弹性模量的影响【1 9 】。德国学者u a g i 等利用细胞模型对针叶材早材的弦向弹性模量进行了研究 2 0 l 。日本学者m a e k a w a 通过分析极坐标下细胞模型能量光谱图来对软材细胞的排列特性进行研究j 。日本学者渡边宇外则是将细胞结构抽象为六棱形的6 条斜边包络的区域，建立了细胞的数学模型。细胞排列方位作为近似值，所有树种的尺寸可以被认为几乎是对称的，从细胞劈裂角度讨论木材弹性模量的变化，解释弹性模量的变化原因。以细胞壁的密度h 作为木材材性评价的最主要指标，并经过大量实验验证7 所建约数学模型的正确性。所建模型如下图1 - 1 所示。取细胞壁的切向和径向轴长为t 和r ，细胞壁厚为t ，细胞元素角为o ，通过这些参数就可以从渡边宇外的理论中求出细胞模型的密度丫为：鼐l 。一t t t - a t # 1 4 t a t图1 - 1日本学者建立的木材细胞模型f i g 1 1w o o dc e l lm o d e lb u i l tb yj a p a n e s es c i e n t i s t2 1 绪论 ，：垡! 墨2 1 1 1 墨兰2 2 c o s o ( t r + s i n 护】( 1 - 1 )式中：y 细胞模型的密度；n ，期胞壁的密度；r 细胞的切向轴长；胄细胞的径向轴长；乒匈i 胞元素角；t 细胞壁厚；通过细胞模型可求出弹性模量的数值，以及细胞模型的正切弹性模量和细胞其它弹性模量与细胞元素角的关系。l ；c o s 0 ( 2 t r + s i n 20 ) + ：! ! ! ：!岛( t l r ) ( t i r + s i n d 乜( t r ) 3 ( t i r + s i n o ) 玩f l - 2 )式中：已细胞轴向弹性模量；勖细胞抗弯弹性模量；品细胞模型的正切弹性模量；按渡边宇外的理论，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 和6 0 r h 条件下得到了验证理论的数值。渡边宇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l m m x 2 m m x 3 m m 的标本，在6 0 r h 和2 0 条件下，放置约1 0 天，通过施加强迫振动方法给标本施加力、跨距、频率和温度，测试后，立即用电子天平和移动显微镜来颍j重量和尺寸，从而获得细胞模型结构测试弹性模量e r 和密度1 r ，每种材种取三个中间数值作为标本的实验值，用这些实验值构筑细胞模型。实验中，他们还从标本中裁下l o个l m m ) ( 2 r o m x l m m 的小块浸入蒸馏水中，然后再浸入松脂，依次进行脱水，切下2 t t m厚的横切面，然后用桃红染色后，在显微镜下拍下细胞图像。这些显微图像通过影像传输扫描仪输入到计算机中，从影像传输中形成多种影像拷贝，这些影像为2 0 x 2 0 的细胞排布，然后将这些影像转换为只有2 5 5 和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二进制的档案资料拷贝获得，每一树种的典型细胞模型也都是由这一结果来构筑的阎。日本名古屋大学的著名学者木村志郎也一直进行微米木纤维的加工。但加工出的术纤维长度很不理想，没有超过l c m 。1 2 2 国内微米木纤维理论研究的回顾及发展趋势东北林业大学李坚教授在总结了近年来纳米粉体材料和纳米复合材料的研究成果后，指出了纳米材料在木材、塑料、涂料等木材科学与技术领域中具有广阔的应用前景和良好的发展趋势n 研。2 0 0 2 年，北京林业大学的赵广杰教授基于木材细胞壁层的构造及其主成分的堆积模东北林业大学博士学位论文型，提出了木材中的纳米空隙构造、纳米构造单元、纳米木材等新概念，并尝试性地讨论了纳米木材的剖备方法，将纳米科技导入木材科学与技术研究领域，把木材科学、木材一无机复合材料学研究水平提升到纳米尺度的研究阶段l g j 。中国林业科学研究院的江泽慧教授，姜笑梅教授等从木材细胞壁壁层的构成、几何形状结构力学特性出发，根据细胞在木材中排列与组合的特性与规律，提出了一个针叶树材宏观纵向弹性模量的计算方法1 2 3 2 4 。东北林业大学马岩教授从1 9 9 8 年开始进行木材细胞模型的研究。借用复合材料力学和细胞学理论，在横观各向同性的假设条件下，对重组木、刨花板、定向刨花板等碎料板的微观力学进行了探讨，证明微观力学在木质人造板方面的应用是可行的| 2 5 - 3 3 1 。在此成果的基础上，提出了一种规则细胞主方向截面形状描述的理论。该理论以木材纤维照片的形状结构为基础，定义纤维素和木质素为复合材料中的纤维，胶体、糖类、水等为基体，将细胞横断面形状描述为六棱椭圆形状，建立细胞结构数学模型。细胞外轮廓为具有壁厚的六棱形，中闻为有壁厚的椭圆，这样就可以定义六棱椭圆形成的包络区内的材料为木纤维中的微纤丝，六棱形胞壁内和胞管壁厚内及胞管内包络区域的物质是胶质、水分、糖类化合物等。利用该模型，可以定量地计算木纤维和基体的体积比例，定量地分析微纤丝含量的确切百分比，定量地分析不同胞壁厚度及密度可能对细胞性能的影响，定量地分析细胞几何尺寸对细胞性能的影响，定量地分析不同树种、不同细胞分布形式可能对细胞性能的影响，定量地分析胞腔内胶体、糖类和水份可能对细胞性能的影响，定量分析细胞几何尺寸和弹性模量的关系，使木材细胞的分析在数学模拟的基础上实现计算机仿真，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分析方向发展。同时，还对木材规则细胞中心位置的数学描述进行了探讨，简化了规则细胞的整体数学描述。这一研究成果，为深入研究细胞结构、定量解释木材规则细胞变异后材性与性能提高或降低的原因提供了一个数学方法 3 4 - 3 7 】。在以上研究的基础上，2 0 0 3 年，他们运用数学手段，从细胞结构的研究深度迸行人造板力学的研究，提出了一个利用定向重组木纤维形成超高强度人造板的构想( 认为如果将木材细胞的空腔消除，空腔内影响强度的胶液体排除，降低强度的木质素和缺陷剔除，将高强度微纤丝按钢材组成的密度重组，这样木材就可以和普通钢材具有相同的强度了) ，并形成了“利用微米木纤维压缩重组高分子定向材料的分子裂解理论”及其它相关理论1 3 s - 4 0 。由以上研究成果可知，目前，微米木纤维理论已达到了一个新的水平。随着木材生物细胞学理论研究的不断深入，木材加工机理的研究将日趋深入到细胞纳微米结构的层次，微米木纤维在木材加工行业的应用也将不断扩大与推广。1 3 国内外传统方法研制轻质刨花板的现状轻质刨花板系指密度在0 2 5 0 4g c m 3 , ：t , t , 贯轻软，强度适宜，具有一定的耐水性、良好的尺寸稳定性，并由于其组织细腻、膨松，使其具有良好的隔音和保温性，其机械i 绪论加工性能近似于普通刨花板和中密度纤维板，价格适宜，外观悦目。是家具、建筑、室内装饰的理想材料。由于绝大多数的木材密度都超过了0 4g ，c m 3 ，而目前现有的人造板纤维加工手段所得到的板材纤维单元太粗，加上一般胶粘剂密度大于1e , e m 3 ，混合后压制而成的板材密度大多数极难低到0 2 5 d 4g ，b m 3 。如普通锯材的密度在0 小旬5g c m 3之间，同材料的普通刨花板为达到一定的强度。密度就得达到0 7 , - 0 8g c m 3 之问，而且尺寸稳定性差，机械加工困难。中密度纤维板的机械加工性能略好，但密度也都在0 6 加8g e r a 3 之间，即使超轻中密度纤维板，其密度也都在0 5g ，c m 3 以上【4 l 铜。因而，当在许多人造板的应用场合并不需要板材有较高的强度，而是要求板材客重轻时，从现有的板材品种来看，这样的板种还显不足，不能满足市场的使用要求。1 3 1 国外轻质刨花板的研究现状早在2 0 世纪的5 0 年代，世界上就开始了轻质刨花板的研制，最早有前苏联、原联邦德国，原民主德国、日本，随后波兰、原捷克斯洛伐克、美国等也开始了研制工作，并形成一系列相关的专利。其中前苏联、原联邦德国、日本对轻质刨花板的研究面广、量多1 4 7 - 4 9 1 。前苏联对轻质刨花板的研制基本上以胶粘剂的发泡技术为基础，对板材热压过程中板内的水分分布等工艺问题进行了大量的研究，并提出快速法生产制造轻质刨花板来提高生产率。德国的木材加工行业非常发达，2 0 世纪的7 0 年代，德国也有了轻质刨花板的制造专利，他们当时对木片的刨削也是顺纹切削，其厚度已达到了o 0 0 2 m ，还利用水孔率计算研究刨花板的孔隙结构，同时还对发泡技术进行了深入研究。日本从2 0 世纪6 0 年代开始对轻质刨花板的研究，主要有末松充彦、关野登、川并秀一等，其研究内容广、系统，历时长。其工艺特点也是采用了胶粘剂的发泡技术，另外对其它工艺问题也进行了广泛的研究，如比重梯度的赋予及其对刨花板材质的影响；刨花板含水率和施胶量对板材性能的影响；刨花形状对刨花板材质的影响；原料比重和压缩比对板材性能影响；投入环式刨片机的木片形状对板材性能的影响；低压缩比刨花板的弯曲性能和耐久性；乙酰处理后板材的力学性能与尺寸稳定性等等t 5 0 - 嘲。并以柳杉为原料，选用异氰酸酯胶发泡技术制造轻质刨花板，形成日本轻质刨花板工业标准j 璐a 5 9 鸺，而我国的研究大多处于初步阶段。并未形成轻质刨花板的专用标准，目前的研制主要参照的也是该标准，见表1 - 1 。表1 - 1日本轻质刨花板工业标准j i s a 5 螂t a b 1 1j a p a n l i g h t p a r t i c l e b o a r d i n d u s t r i a l s t a n d a r d j i s a 5 9 0 81 3 2 国内轻质刨花板的研究现状国内轻质刨花板的实验室研制开发基本上始于2 0 世纪9 0 年代初，相关文献并不多。最早研制开发轻质刨花板的单位主要有中国林业科学研究院，黑龙江省林产工业研究所，南京林业大学，吉林林学院等。进入2 1 世纪伊始，福建林学院也开始了以杉木为原材料的轻质刨花板的研究。文献查到的有关轻质刨花板的研制中，所选用的木质原材料有1 3 种，胶粘剂的选用比较广泛，有脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺和异氰酸酯胶粘剂等。其特点及成果概述如下：中国林业科学院的齐维君等人选取的原料有5 种落叶松、北京杨、杉木、柞木、榆木，在刨花的制备上，通过t s m - 9 5 0 型网筛进行筛分，选取厚度在0 2 5 , 0 4 5咖的刨花，大片的刨花再经p s k m 6 3 5 0 型打磨机打磨，然后进行二次筛选。在胶粘剂的选择上，因异氰酸酯胶价格昂贵，且毒性大，热压时的粘板问题也不好解决，因此该实验没有走日本选用异氰酸酯胶的老路，而是选用该单位自行制备的改性胶粘剂，f m d 型拌胶机拌胶，手工铺装后由q d 型试验用热压机压制成单层和三层结构的板材。实验结果表明，原料树种、刨花形态、胶种以及板材结构都对板材最终的物理力学性能影响显著，试验成品密度均在0 4g c m 3 以上，物理力学性能达到日本轻质刨花板工业标准j i s a 5 9 吣的各项指标嘲。黑龙江省林产工业研究所对轻质刨花板的研制始于1 9 9 2 年，完成了以杨树材为主要原料的轻质刨花板的产业化研究工作。其杨树材的五个树种为山杨、小黑杨、小叶杨、北京杨、大青杨，以改性脲醛树脂胶为主，并与酚醛树脂、三聚氰胺和异氰酸酯等胶粘剂进行了比较。实验结果同样表明，树种、刨花形态对板材的物理力学性能影响显著，改性剂的种类与含量影响显著；其以小黑杨为原料制得的板材密度为0 3 9g c m 3 ，静曲强度，内结合强度、吸水厚度膨胀率均达标；密度为0 4 5g c m 3 的板材性能指标均达到了日本轻质刨花板工业标准j i s a 5 9 的各项指标，曾分别在黑龙江省穆棱林业局和山河屯林业局建成年产1 2 万m 3 和8 0 0 0m 3 的生产线 6 6 - 6 8 1 。南京林业大学的赵春辉等人开展了利用酚醛树脂胶粘剂发泡技术压制轻质刨花板的研究，借助胶粘剂发泡时产生的压力可使刨花胶粘剂刨花之间形成良好的接触，从而保证必要的胶合强度，同时使板材的内部充满微孔而降低板材的容重，其压制的板材的最小密度为0 4g c m 3 ，他们将该实验所得密度为0 4 5g ，c m 3 的板材的物理力学性能与同密度的、用异氰酸酯胶粘剂压制的轻质刨花板进行比较，其结果基本相同例。吉林林学院的刘彦龙等对轻质刨花板的研究立足于国内刨花板企业的现有木质原料，通过发泡型聚氨酯预聚体中的异氰酸基( - - n c o ) 与水反应形成泡沫，填充刨花间隙，将刨花牢固结合在一起，以获得高耐水性、高强度，低厚度膨胀率和低毒的轻质刨花板，其板材性能也已达标嗍。进入2 l 世纪，福建林学院林产工业系的曾钦志等立足于本地区的造林树种杉木( 密度为0 3 5g c 舶a 3 ) 为原料，与脲醛树脂胶混合压制目标密度为0 4g ，c 1 1 1 3 的轻质刨花板。他们对刨花进行了筛选，表芯层选用不同的刨花，表层的刨花形态几乎接近细条状1 绪论或纤维状，过l o 目筛孔，产品性能中静曲强度均在8m p a 以下，弹性模量大都在6 0 0 - - 7 0 0 凇a 之间，握钉力在6 ( g ) - - 7 0 0n 之间。另外，他们还尝试了小径杉木制造轻质刨花板芯复合板的研究，取得了一定的成绩r 7 1 7 习。1 4 木材微纳米加工技术的应用由于木材微纳米技术是人类在木材工业开拓的一个新的领域，因而，木材微纳米技术研究的空间是广阔的，是一个崭新的领域，它没有成型的理论可以依托，所以，它的许多研究都是创学科性质的研究，所提出的新的研究设想都可能产生创新成果，当然也有些不一定完全正确，有待于实践的检验与完善。微纳米木基复合材料及其形成理论、微纳米无机聚合物杂化木塑复合材及其形成理论、木材微纳米状态下和高分子材料结构重组理论、木基微纳米仿生材料形成理论等进入微纳米机理分析后都有可能获得重大的理论突破，从而开创木材科学研究领域的新方向。目前，我们把它简单地分为微纳米；x 材学、徼纳米木材物理学、化学以及微纳米木质人造板学【l o j 。1 4 1 微纳米木材学及其应用木材微纳米材料的特异性质、木材微纳米尺寸效应及其机理以及与显微结构的关系等研究构成微纳米木材学。人类在纳米碳管上的研究进展已经展现了工业化的研究前景，这种材料的强度是钢材的1 0 0 倍，密度仅是钢材的1 6 。纯木纤维的强度高于一般钢材同直径细丝，这在1 0 0 年前就被实验证明了，但由于木纤维微纳米加工技术没有成功，这些实验结果只能作为科学设想存在。如果将微纳米技术引进人造板工业，完全可能在未来制造出用可再生资源生产的高于钢材强度的木材。但木材的这些微纳米特性在理论上的研究到目前仍然是空白嘲。1 4 2 微纳米木材物理学、化学及其应用局域纳米木粉化学的研究、纳米林化合成新方法的研究、纳米木粉物理法制造催化剂和不使用酸及没有酸污染的研究等构成微纳米木材物理学、化学的学科。随着纳米技术不断引入国民工业的各个领域，纳米木粉加工也应运而生，是现代科技木材利用的又一主要方向。当木粉加工至微纳米级的粒度以后，原来木材理化指标都将发生变化。以木材液化为例，现在木材液化的成本非常高，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。如果将木粉加工到微纳米以后，木材原来细胞的结构将被全部破坏，纤维素、半纤维素、木质素在加工的过程中可以用机械的方法分离开来，原来的材性发生了本质变化，在细粉状态下木材液化的工艺和成本将被简化和降低，从而可使木材液化真正工业化成为可能。林产品的纳米化学技术研究是微纳米技术在木材工业领域应用发展最有前途的产业之一，使用机械法备料、物理法制造以木材为原料的生态环保型工业用催化剂可以彻底东北林业大学博士学位论文解决生产过程的污染问题；纳米木粉生产的木基胶粘剂可能代替含甲醛的有毒胶，实现胶秸剂的绿色革命：木材纳米胶合化学的应用也是有相当的工业前景；木材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方向，为木材摩擦学开创新的研究领域；纳米阻燃材料可能成为最廉价的木材的涂饰材料，靠涂饰材料解决木材的阻燃问题 1 0 3 4 - 7 8 。1 4 3 微纳米木质人造板学及其应用木基纳米材料技术研究包括木纤维、人造板微纳米贴面、纳米人造板自组装材料研究，微纳米无机聚合物杂化木基材料、微纳米生物仿生材料研究、木制空腔体材料和多孔材料的制备技术等，这些构成了微纳米人造板学。纤维板和造纸是利用木纤维的主要领域，利用木纤维织布、构造食品、加工饲料等等则是木材纤维发展的新方向。在造纸业中，利用木材的微纳米加工技术进行微米纤维加工，机械法的高得浆率优势可以得到实现，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，形成了利用微纳米技术来提高造纸业高得浆率盼方法。微纳米木粉还可以形成复杂木雕制品；在木塑复合材的开发中，纳米木粉还可以达到和塑料的粒度相同，从而很容易实现注塑和压塑；利用微纳米技术制成的木陶瓷其性能同样会更加优良；木基空腔体材料和多孔材料的制备技术也是木材微纳米技术的发展方向。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同时具有木材特性和自身特性，并使这些材料的生产成本下降。木材本身绝磁，而木粉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。2 0n m 的纯铁微粒子的磁性比大块材料强1 0 0 0 倍，但当尺寸再减小至6n m 时，其矫顽力降到零，表现出所谓超顺磁性。由于变形率的差异，木材和铁的复合一直非常困难，当木材和铁都加工到纳米级以后，木材和铁的复合就可能容易得多。如果木材和铁粉混合，当铁显示磁性时，木铁复合材就显示磁性。当铁显示超顺磁性时，木铁复合材就可能显示木材超顺磁性。由于木基微纳米粉的成本可能是各种微纳米材料中最低的，因此，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嗍。发光木材的开发也将依赖木材微纳米技术生产的木粉和发光材料的复合来实现。木材制成微纳米以后，硬度可能提高几倍，这样的木材可能出现超硬木材。当黄金c a u ) 被细分到几百纳米，小于光波波长时，失去光泽呈现黑色；粒径为4 0 r i m 的铜粒子的熔点从通常的1 0 5 3 降到7 5 0 ；银的常规熔点为6 9 0 ，而超细纳米银熔点变为1 0 0 c ，木材超细化以后，木材的熔点如果下降，并且在一定粒度下的木材熔点低于1 0 0 ( 2 时，木材溶解可能出现新的、简单的工艺。木材在微纳米细化以后的光学特性变化研究目前还完全是空白【聊。在木材工业中，就目前的理论研究和实际的加工水平来讲，木材徽细纤维的加工只能达到微米水平。因此，在术材工业的应用上，还基本上是以微米级加工水平的产品作l 绪论为应用的主体。木材微纳米尺度小于木材的细胞直径，微纳米水平的木材改性是在木材细胞和显微结构下进行的，木材加工到微纳米级别以后，本材原来细胞将完全被切开，纤维素、半纤维素、木质素在加工的过程中将更容易被机械地分离成为纤维的模式( 人造板定义的纤维模式) ，这可能与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不同。在微纳米尺寸范畴内，材料特异性质、尺寸效应及其变化机理都将发生变化。如果木材的材料特异性质、尺寸效应及其变化机理由于木材微纳米技术的参与而发生变化，那么，这一切变化可能使木材利用技术出现突破性进展。在木材以外的其它领域，已经开始用一些物理和化学的方法来改变纳米的原子位置来创造或合成新物质，因此，在木材加工领域，在木质人造板开发创新领域，我