（木材科学与技术专业论文）竹木复合集装箱底板结构与胶合工艺研究.pdf

摘要 首先从复合材料的基础理论着手，对以我固资源丰富的毛竹和南方型杨木( 意杨) 为原料复合的集装箱底板的表层材料( 竹帘板) 、芯层材料( 杨木单板) ，结构设计以及 胶合工艺进行了研究，得到如下结论： 1 在前人对竹木复合集装箱底板研究的基础上，结合毛竹与南方型杨木的材性，证实 了毛竹与南方型杨木复合制造集装箱底板的可行性，并在此基础上，应用复合材料层合 板理论中的刚度理论，推导出竹木复合集装箱底板的弹性模量的预测模型。 2 根据复合材料层合板理论中的表层材料力学性能越好，对整个层合板的力学性能贡 献越大的理论，用一定厚度的竹帘按照一定的组坯方式，采用正交设计方案对热压工艺 进行优化，最后得出用六层0 8 m m 厚的竹帘按照表面四层纵向竹帘和底层两层横向竹帘 的组坯方式，在热压压力：5 m p a 、时问：8 m i n 、温度：1 4 0 的热压工艺下可以制成纵横 向弹性模量分别为：1 3 5 5 8 m p a 、5 4 3 0 m p a ；纵横向静曲强度为：1 8 0 m p a 、1 1 0 m p a 的表层材 料( 竹帘板) 。 3 通过对芯层材料( 单扳) 不同压缩率下与其力学性能的关系的研究中发现：杨木胶 合板随着压缩率增加，其密度、弹性模量和静曲强度都逐渐增加，在压缩率从0 5 4 至, j 2 2 6 4 时，强度和弹性模量都逐渐均匀递增，增加幅度较大；当压缩率从2 2 6 4 达到 2 8 6 2 时，虽然强度和弹性模量也逐渐增加，但是增加幅度非常缓慢。同时用上面研制 出的竹帘板对杨木胶合板进行覆面，研究中发现，竹帘对竹木复合胶合板的力学性能的 影响是显著的。在扬木胶合板的压缩率从0 5 4 增加到1 8 0 4 时，竹木复合胶合板的强 度和弹蛀模量逐渐增大，增长效果也最显著，随着压缩率的继续增加，竹木复合胶合板 的强度和弹性模量增长值逐渐减小。 4 应用1 中推导出的竹木复合集装箱底板弹性模量的预测模型，以及上面研制出的竹 帘板和芯层材料压缩率与力学性能的关系，对底板进行结构设计，根据预测值从中寻求 出合理的结构，然后按照二次成型的热压工艺进行热压，最后得到结构 0 。i o l o l o o 9 0 0 1 9 0 o o 。】s 的底板，该底板纵横向强度达到1 0 4 m f a 、4 3 m p a ，纵横向弹 性模量这到1 0 6 2 9 m p a 、3 6 1 1 m p a ，密度为o 8g c m z ，完全满足集装箱底板所要求的力学 性能， 关键词：竹帘板南方型杨木竹木复合集装箱底板预测模型 a b s t r a c t b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fc o m p o s i t e ，p h f l l o s t a c h y sp u b e s c e n s ，w o v e ni n t oc u r t a i n s ，a n da s o r to f p o p l a r , p e e l e di n t ov e n e e r , t h o s eg r o ww i d e l yi n s o u t h e mc h i n a , b e i n gc h o s e nt ob e s u r f a c ea n dc o r em a t e r i a l ，an e wc o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n gw a sf o r m e dv i at h ed e s i g no f r a t i o n a ls t r u c t u r ea n dt h er e s e a r c ho f h o t p r e s s i n gp r o c e s s t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sh a v eb e e n d e r i v e d ： 1 a tf i r s t , t h ef e a s i b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n gas o r to fc o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n gb yp u t t i n g b a m b o oa n dp o p l a rt o g e t h e rw a sc e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so ft w os o r t so f m a t e r i a ia n db a s e do np r e v i o u ss t u d i e so nb a m b o o - w o o dc o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n g t h e n a p r e d i c tm o d e l f o r t h eb a m b o o - w o o d c o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n gw a sd e r i v e df r o m 也el a m i n a t e dp a n e lr i g i d i t yt h e o r yi nc o m p o s i t es t r u c t u r e 2 i tw a sc e r t i f i e dt h a tt h eb a m b o oc u r t a i np a n e lm a n u f a c t u r e dw i t l l6l a y e r so fc u r t a i n so f 0 8 m mt h i c ku n d e rt h ef o l l o w i n gh o tp r e s s i n gf a c t o r s ：p r e s s u r e5m p a ，t i m e8m i n u t e s ，a n d t e m p e r a t u r e1 4 0 i sb e s ts u i tt ob et h es u r f a c em a t e r i a lo fc o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n g w i t hs u c hh i g hp r o p e r t yv a l u e sa sl o n g i t u d i n a lm o e1 3 5 5 8m p a ，t r a n s v e r s em o e 5 4 3 0 m p a , l o n g i t u d i n a lm o r 1 8 0m p a a n dt r a n s v e r s em o r1 1 0m p ab e c a u s et h es t r o n g e r 山e s u r f a c em a t e d a l ，t h eb e t t e rt h eb o a r di na c c o r d a n c ew i t ha b o v el a m i n a t e dp a n e lt h e o r yo f c o m p o s i t e m se x p e r i m e n tw a sa c c o m p l i s h e d w i t ht h r e ec o n t r o l l a b l ev a r i a b l e s i e p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n dt i m e ，a n dt h r e el e v e l sc o n f i g u r a t i o ni n t h es a m ea s s e m b l i n g t h i c k n e s s 3 i tw a sf o u n dv i at h es t u d yo fr e l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p o p l a rp l y w o o d a n di t s c o m p r e s s i o nr a t i o n ( c r ) t h a tt h ed e n s i t y , m o e , m o ro f p o p l a rp l y w o o de v e n l y e n h a n c ea s i t sc ri n c r e a s e sw h e nc r r a n g e sf r o m0 5 4 t o2 2 6 4 b u tt h ee x t e n to f m o e a n dm o r e n h a n c e m e n ts l o w sw h e n p o p l a rc r i si nt h e r a n g eo f 2 2 6 4 t o2 8 6 2 o n t h eo t h e rh a n d w h e nac o m p o s i t ep a n e lw a sm a d eo fa b o v eb a m b o oc u r t i sb o a r da n dp o p l a r p l y w o o d ，i t w a sf o u n dt h a tt h em o ea n dm o r o fb a m b o o - w o o d c o m p o s i r ep a n e l e n h a n c er e m a r k a b l y w h e n p o p l a rc r i n c r e a s e sf r o m0 5 4 t o18 0 4 ，a n dw h e np o p l a rc r k e e p so ni n c r e a s e ， t h ee n h a n c e m e n to f m o ea n dm o rr e d u c e sg r a d u a l l y 4 i na c c o r d a n c ew i t ht h ep m d i e tm o d e ld e r i v e df r o ml a m i n a t e dp a n e lt h e o r yo fc o m p o s i t e m e c h a n i c sa n dt h er e l a t i o n s h i po fp r o p e r t i e so fp a n e la n dp o p l a rc r ，t w os t m c t u r e sw a s d e s i g n e da n dh o tp r e s s e db ya d o p t i n gt w os t e ph o tp r e s s i n g f i n a l l y , a no p t i m i z e d c o m p o s i t ec o n t a i n e rf l o o r i n gg a i n e dw i t hl o n g i t u d i n a la n d t l a n s v e r s em o r1 0 4m p a 4 3 m p a ：m o e1 0 6 2 9m p a ，3 6m p ar e s p e c t i v e l y , a n dd e n s i t y0 8g c m ，w h i c hm e e t st h e d e m a n do f c o n t a i n e rf l o o r i n gs t a n d a r d sc o m p l e t e l y k e y w o r d s ：b a m b o o c u r t a i n b o a r d , p o p l a rv e n e e r , b a m b o o w o o dc o m p o s i t e ，c o n t a i n e rf l o o r i n g , p r e d i c tm o d e l 致谢 本文是在导师蒋身学老师的悉心指导下完成的。从硕士课程的选择，到 论文开题，研究内容的确定，研究经费的筹措，论文的撰写，答辩会的筹备， 论文的每一个环节、字里行间无不倾注着导师的的心血和关怀。从师几年来， 学生学到的不仅仅是知识，导师孜孜以求的敬业精神、朴实高尚的人格修养 将使学生终生受益。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢。 张齐生院士在论文编写过程中也给予学生悉心的指导和关心，院士严谨 治学的态度、丰富的实践经验、富有创意的思维，给予学生深刻的教诲和启 迪，在此谨表深深的谢意。 感谢竹材工程研究中心所有老师在硕士学习和生活期间所给予我的的帮 助、理解和支持。感谢木材3 - , _ l k 学院的老师对学生学业上的指导和论文实验 中所提供的支持。感谢研究生院的领导和老师给予的关心和支持。 感谢安徽广德国林竹藤有限公司的赵兵先生在论文实验期间给予的大力 帮助。 同时感谢竹材工程中心的硕士研究生李小科、程大莉、林隆生等同学在 论文实验期间所给予的帮助。 最后特别感谢我的家人多年来对我学习和生活上的支持、理解和付出。 何文 二o o 五年六月于南京 1 引言 1 1 研究竹木复合集装箱底板的意义 1 1 1 集装箱底板是结构用胶合板中用量最大、技术性能要求最高的 产品 由于集装箱运输具有装卸迅速、转运方便、装运货物安全、损失小、便于 实施港口运输机械化等优点，所以是目前国际上最先进的现代化运输方式。 集装箱化运输的发展带动了集装箱制造业的发展，其势头异常迅猛。2 0 世纪 6 0 年代初期，集装箱制造业在美国闯世。7 q 年代其制造业的重心转移到了日本， 进入8 0 年代，韩国取代日本成为了集装箱制造业的“霸主”。2 0 世纪8 0 年代， 我国开始制造集装箱，起初仅有四家工厂。后来由于航运业大萧条，到2 0 世 纪8 0 年代末韩国不堪重负，主动进行产业转移，削减生产数量。同时，我国 依仗充足的出口资源及劳动力优势，特别是改革开放促使我国经济迅速增长， 集装箱制造业以每年4 7 的速度迅速发展”3 。根据中国集装箱工业协会统计， 截止到1 9 9 9 年末，我国内地有集装箱生产企业4 0 家，另有集装箱材料和配件 生产企业5 7 家。我国集装箱产量自1 9 9 3 年起连续6 年蝉联世界第一，1 9 9 8 年世界集装箱实际产量1 4 6 万标箱，其中我国产量1 0 9 9 万标箱，约占世界产 量的7 5 3 。2 0 0 4 年，我国集装箱产量高达1 5 0 万标箱，约占世界产量的9 0 0 1 。 目前，全世界流通的集装箱总量是1 4 0 0 万套年，其中每年需更替的集装箱数 量为总量的3 一5 ，即4 0 - 7 0 万套，每年需新增的集装箱数量占总量的5 ，即 7 0 万套；两项合计，全世界每年需要增加的集装箱总量为1 1 0 1 4 0 万套年， 一套集装箱需0 3 6 m 3 的集装箱底板。“”1 ，因此，每年世界集装箱底板的需求量 大约是4 0 - 5 0 万m 3 。 集装箱由钢板、油漆和作为承载、缓冲、防震的底板一厚胶合板三个部分 构成。集装箱底板作为集装箱的必要配件，其需求量与集装箱的发展是同步的。 根据集装箱底板表面情况可以将其分为两大类：一类表面为木质单板；另一类 表面覆酚醛树脂浸渍纸。集装箱底板的厚度一般为2 8 m m ，幅面规格尺寸比较 复杂，一般根据箱体结构而定。常用规格一般为2 0 英尺和4 0 英尺两种。 与普通装饰用胶合板或建筑模板用胶合板的使用场合不同，集装箱底板主 要用于运输过程，必须具有良好的抗震、耐冲击、耐气候、耐老化等性能。因 此，除了外观尺寸之外，对集装箱底板用胶合板的胶合耐久性、静曲强度、弹 性模量等物理性能提出了很高的要求i j 。我国目前已制订了相关的国家标准， 现将有关国家集装箱底板与我国已经实施标准中的一些性能指标摘录于下表 1 1 h “。 表1 - 1我国和有关国家集装箱底板标准中的部分性能指标 t a b 1 1m a j o rp r o p e r t i e so fc o n t a i n e rf l o o ri nt h es t a n d a r d so fc h i n a ，k o r e aa n d m a l a y s i a 项目中国标准韩国标准马来西 亚标准 集装箱底板作力集装箱的主要承载配件，除了有极高的强度、刚度和较好 的耐久性外，还需要进行特殊的化学防虫处理，是迄今为止结构用人造板产品 中技术性能要求最高的一种。热带硬木如a p i t o n g 、竞隆等一直被认为是制造 集装箱底板最合适的木材，因为这些木材具有比较理想的材性。如a p i t o n g ( 气 干密度o ，6 2 0 8 2 9 c m 3 ，径向干缩率4 o 5 ，7 ，弦向干缩率7 9 一1 4 ，横纹 抗压强度4 6 1 5 8 9 m p a ，抗弯强度9 2 1 1 3 3 3m p a ，弹性模量1 0 3 x 1 0 3 1 5 i 2 1 0 3 m p a ，抗剪强度1 1 6 - 1 6 5 m p a ) ，树干高大( 直径达i 4 m ，树干高达3 5 m ) ， 易于加工，且使用寿命长。据估计，目前生产的集装箱中至少有8 0 采用 a p i t o n g 底板，而a p i t o n g 木材有7 5 以上集中在东南亚各国，如马来西亚、 印度尼西亚、沙劳越、菲律宾等“”。 1 1 2 传统热带硬木的资源危机 随着世界经济一体化进程的加快，全球贸易迅速增加。进入2 l 世纪以来。 世界航运业持续发展，对集装箱的需求也快速增长。集装箱底板作为集装箱的 主要配件，其需求量也同步增长。另一方面，随着各国社会经济的迅速发展， 对术材的需求量也呈快速上升态势。在这种背景下，导致大肆砍伐森林，森林 资源日趋减少。尤其是热带雨林大面积消失，使热带硬木资源尤为紧缺。目前， 全球超过1 3 0 ，0 0 0 ，0 0 0 t u e 的集装箱安装了同一系列的热带雨林硬木胶合板 底板”。规模如此庞大的全球性工业导致了原材料资源的异常紧张，同时由于 大量原始森林的消失，使热带雨林的生态环境迅速恶化，1 9 9 3 年，马来西亚公 布了限制砍伐热带雨林政策，相继其他一些国家也出台了限制热带雨林砍伐的 措施。在这种情况下，集装箱产业的箱东们不得不考虑发展新型底板材料。 1 1 3 我国竹类资源概况及应用现状 竹类植物属禾本科的竹亚科，全世界已有记载的共5 0 多属，1 2 0 0 多种， 主要分布在热带区域，少数属和种延至亚热带及温带各地，但主要分布地区则 为东南亚季候风带。我国有竹类植物4 0 余属5 0 0 多种。南自海南岛、北至黄 河流域，东起台湾、西迄西藏的错那和雅鲁藏布江下游的辽阔地域都有竹类植 物分布。其中长江以南地区的竹种最多、生长最旺、面积最大”1 。我国竹材资 源十分丰富，竹林素有我国第二森林之美称，竹林面积居世界第一位。现有竹 林面积5 0 0 万h m 2 ，占世界竹林总面积的1 4 1 5 。其中毛竹林面积为3 0 0 万 h m 2 ，毛竹蓄积量有5 2 6 l 亿株。全国有竹林分布的省区达2 7 个，而且竹材资 源呈增长趋势，到2 0 1 0 年，竹林产量将达到3 1 0 0 万吨，可替代木材2 8 0 0 万 m “”。在我国，经济价值最高的毛竹林，一般都成片集中分布，为竹林的工业 化利用提供了十分有利的条件。据统计，全国有l o 万以上毛竹林面积的重点 产竹县1 3 0 个。竹林是一种再生资源，一经造林成功，只要辅以适当的经营管 理，即可年年发笋成竹，永续利用，长期收益。在世界范围内森林资源日趋减 少的今天，竹林作为一种次生林却在采伐迹地上得以大量扩鞭繁衍”1 。 竹材具有刚度好强度大等优良的力学性质，是一良好的工程材料。从表1 3 可以看出：毛竹的静曲强度( m o r ) 、弹性模量( m o e ) 、抗拉强度及硬度等数 值约为一般木材( 中软阔叶材和针叶材) 的2 倍左右，可与麻栎等硬阔叶材相 媲美”。 袁1 - 2 毛竹与几种木材的力学性能 t a b 1 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m p a r i s o nb e t w e e nm o s ob a m b o oa n daf e ws p e c i e s o f w o o d 、 力学性密度静曲强度( 纵向)弹性模量( 纵向)硬度( 径弦 能 、 向均值) 材料 、 ( g c m 3 ) ( m p a )( m p a )( m p a ) 毛竹0 7 8 9l5 2 01 2 0 6 2 2 7 1 6 泡桐0 2 8 3 3 4 8 94 31 0 01 0 8 3 大青杨0 3 9 05 3 8 0 7 7 5 0 015 7 3 鱼鳞云杉( 白0 4 5 17 3 6 01 0 3 9 0 01 6 0 1 松)0 6 1 58 5 7 58 8 2 0 03 6 9 9 撵术0 。8 4 21 1 1 9 21 5 5 8 0 07 3 2 1 麻栎 另一方面，与木材相比，竹材具有直径小、壁薄中空、尖削度大、易虫蛀、 易霉变、结构不均匀等特点。因而传统的加工设备和加工工艺不能直接应用于 竹材加工“”。为此，千百年来竹材长期停留在原竹利用和编织工艺品、生活用 品、制作简易家具等初级利用阶段，未能象木材那样，经过种种物理和化学加 工，进行大规模工业化利用。 从二十世纪三十年代到七十年代，竹材的加工机械日趋发展，逐步开始制 作一些简单的机械加工设各来加工如竹筷、牙签、竹篮和棉花棒等。我国竹 材加工利用已由过去传统手工艺产品发展为机城化生产。各种竹材人造板，如 竹胶合板、刨花板、纤维板等，特别是竹胶合板的兴起和发展，为竹材的利用 开辟了一个新的途径。竹胶合板耐腐、耐虫、强度高、韧性好，可以用做车厢 底板、建筑模板、包装板等，有着十分广泛的用途i i ”。竹地板作为一种高档地 面装饰材料，日益受到人们的青睐。竹材加工利用真正在我国大规模发展始于 八十年代，至九十年代达到高峰状态。竹材人造板生产技术，竹材制浆造纸技 术，竹材防腐防霉技术已经形成了成熟的工业化生产工艺技术和成套设备制造 技术。但是与木材相比，竹材的工业化利用水平和科学研究水平还有相当的差 距，对竹材加工利用技术的研究主要集中于竹材及竹制品的防护技术，竹基复 合材料和竹质重组材料的制造技术( 包括竹木复合板、竹材胶合板、竹材集成 材、竹材刨花板、竹材中密度纤维板等) 竹材高效利用技术等研究领域，其中 某些领域已经形成成熟的生产工艺技术和产业化技术并已经推广利用，有的领 域尚需进一步的基础性研究工作，为产业化奠定坚实的理论基础。 1 1 4 我国木材资源概况 4 根据第六次森林资源清查报告，全国森林面积为1 7 5 亿h m 2 ，活立木蓄积 量1 2 4 5 6 亿m 3 ，森林蓄积量1 1 2 6 7 亿m 3 。其中，用材林为9 9 3 9 5 0 万h m 2 ， 蓄积量7 2 0 6 亿m 3 ；防护林2 1 3 8 4 7 万h m 2 ，蓄积量2 1 9 3 亿m 3 ；薪碳林4 4 5 1 7 万h m 2 ，蓄积量0 8 8 亿m 3 ；特用林3 9 6 8 0 万h m 2 ，蓄积量5 9 9 亿m 3 。从森 林的林龄构成看，幼龄林4 7 5 8 2 6 万h m 2 ，蓄积量1 1 15 亿m 3 ，中龄林4 4 3 0 4 3 万h m 2 ，蓄积量3 0 3 6 亿m 3 ，近熟林1 4 4 8 7 2 万h m 2 ，蓄积量1 5 1 2 亿m 3 ，成 熟林1 4 1 9 3 8 万h m 2 ，蓄积量2 0 1 2 亿m 3 ，过熟林8 6 3 15 万h m 2 ，蓄积量2 0 8 9 亿m 3 。 目前，我国森林覆盖率为l8 2 1 ，相当于世界平均森林覆盖率2 6 6 的 6 2 ；全国人均森林蓄积量为9 0 4 8m 3 ，相当于世界人均森林蓄积量7 2m 3 的 1 2 6 ，约是美国人均森林蓄积量8 8m 3 的1 0 。全国人均森林面积0 1 2 8h m 2 ， 相当于世界人均0 6h m 2 的2 1 3 “1 ； “十六”大以后我国已经全面建设小康社会，到2 0 0 9 年g d p 将在2 0 0 l 近 9 6 万亿元的基础上再次翻新。国民经济高速稳定增长，将进一步扩大家具用 材，室内装饰裟修用材、纸浆用材、包装用材和建筑用材的木材需求，同时木 质结构用材的需求也在增加。另一方面，我国林业正在加速推进“以木材生产 为主向以生态建设为主”的五大历史性转变。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，使天然林术材供给大大下降，2 0 0 4 年比1 9 9 5 年生 产峰值下降了3 0 ，大径级材、纸浆用材和珍贵用材供给日趋紧张“。虽然天 然林的供给日趋减少，但是据第六次森林资源调查，我国人工林保存面积0 5 3 亿公顷，即7 9 5 亿亩，蓄积l5 0 5 亿立方米，人工林面积居世界首位。可以看 出我国正经历一个由天然林木材供给为主向人工林供给为主的转变时期，而 且，人工林占据了越来越重要的位置。但是，总体上来说我国木材资源在长期 一段时间内将处于短缺的状态。 1 1 5 我国南方型杨木( 意杨) 资源现状及应用状况 1 9 7 5 年南京林业大学在江苏北部引种美洲黑杨、欧美杨取得成功，此类树 种在中国统称意杨，由于起生长速度快，同时又称之为速生杨。1 9 8 4 年意杨被 国家确定为平原绿化树种，其中i 6 9 ，i 7 2 ，i 2 1 4 等品种在黄河、长江中下游 地区被广泛种植和用于造林。据介绍在种植密度为6 0 0 6 2 0 株t h i n 2 的情况下， 年生产量可以达到2 0 m 3 左右，5 年胸径可达1 8 c m ，1 0 年胸径可达3 5 c m 。据 不完全统计，仅苏北地区现有成片林3 2 3 万h m 2 ，其中杨树2 6 4 万h m 2 ，占 7 4 8 。杨树活力木蓄积量1 7 0 0 万m 3 。杨木是我国主要速生人造林树种，我 国现有杨木面积2 4 8 万h m 2 ，每年杨木生长量可达( 4 0 0 0 - - 8 0 0 0 ) 万m 3 ，资源 十分丰富“”。 1 0 - t 5 年生长期的杨树林大多数的直径达3 0 5 0 公分，每公顷人工林的可 采伐量已达到3 0 5 0 m 3 。这些杨木主要被用于生产单板层积材( l v l ) 和胶合 木( 板) ；生长期为7 1 0 年的杨木，其直径为2 0 3 0 公分，原木材积量大约为 每公顷2 0 3 0 m 3 ，这些木材主要用于家具生产行业。最年轻的5 6 年生杨木有 采伐量也迭每公顷l o 1 5 t ，主要被加工成各种木制人造板，如刨花板、纤维板、 中纤板或定向刨花板”1 。随着杨树大面积营造林，推动了杨树加工产业的发展， 如今杨树加工业已成为一些地区的一项支柱产业。 作为人工林的重要组成部分，南方型杨木生长周期短，成材早，材质与原 有木材有所区别，但基本性质相似，现有的机械加工、和化学加工和复合加工 的工艺技术是完全可以满足的，所以，目前，对杨木的应用也达到了一种十分 成熟的局势。 1 2 集装箱底板替代材料的研究状况 随着热带雨林的过度采伐以及a p i t o n g 底板价格的暴涨迫使箱主不得不考 虑发展新型底板材料的计划，1 9 9 3 年，国际租箱协会( i i c l ) 在德国汉堡召开 了会议，提出集装箱新材料概念及评审标准，从而在世界范围内掀起了研制开 发集装箱底板替代材料的热潮。 1 2 1 以非传统硬木为主的混合木底板的研究状况 橡木( r u b b e rw o o d ) 底板 橡木气干密度为o 6 5 9 l c m 3 ，硬度适中，生长周期约为2 5 年，最接近“可 再生硬木”。8 0 年代末橡木被认为是用以制作家具的潜在材料之一。马来西亚 的一家公司用橡木制成指接集成材，其厚度为3 2 r a m ，长度达5 9 0 0 m m ，检测 表明，该集成材密度为0 7 0 9 e m 3 ，抗弯强度为7 1 m p a ，弹性模量为1 1 3 9 5 m p a ； 1 9 9 0 年马来西亚的西尔( s e a l ) 公司用酚醛树脂做胶粘剂制造出1 9 层2 8 m m 厚的集装箱底板。底板用1 3 层橡木单板做芯层，上下面分别铺置3 层k e r u i n g 单板，其密度仅为o 7 7 9 e m 3 ，比a p i t o n g 底板轻1 5 ，因此被称为s e a l l i g h t 。 据称，s e a l - l i g h t 底板的强度介于a p i t o n g 木材与a p i t o n g 胶合板底板之间，化 学防虫处理容易。但是橡树的主干长度和直径都很小( 平均直径1 5 2 5 e m ，长 度1 8 m ) ，形状也不规则，因面旋切加工非常困难，材料利用率很低，制造费 用远高于传统热带硬木a p i t o n g 1 。 桦木( b i r c h ) 底板 桦木底板曾经因为价格原因被造箱主冷落，随着a p i t o n g 木材价格剧增， 使桦术底板在欧洲等地也有可能重返市场。虽然目前桦木底板在价格方面略高 于a p i t o n g 底板，但桦木底板在剪切强度方面具有优越性。芬兰s e h a u m a n 公 司的研究表明，相同结构的桦木胶合板底板与a p i t o n g 胶合板底板相比，前者 的剪切强度比后者高1 0 左右“”。 除橡木、桦木外，以山樟( d r y o b a l a n o p s ) 、山龙眼( h o c p e a ) 、天科木 ( h o m a l i u m ) 、龙眼香木( p o m e t i a ) 等与a p i t o n g ( d g r a n d i f l o r u s ) 混合木底 6 板也正在试制过程中。 1 2 2 以塑料等非木质材料为主的集装箱底板的研究状况 s t r a t o s t o c k s t r a t o s t o c k 底板有i n d u s t r i al c g n op a s c t t i ( i l p a ) 公司研制，其芯层为玻 璃纤维增强的树脂木板，表层是强度高、不渗透且具有抗化学腐蚀性能的聚丙 烯材料。该产品密度为o 6 0 9 c m 3 ，抗弯强度为8 5 m p a ，弹性模量为1 2 7 9 7 m p a 。 据法国船级社( b v ) 装载测试，底板7 2 6 0 k g 的滚剪残余变形为1 5 m m ”“。 h d p e h d p e 是英国e n v i r o d e k 公司模拟热带硬木底扳研制的一种高密度聚乙烯 ( h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ) 塑料底板。h d p e 采用空心结构，厚度为2 8 r a m ， 每条宽度为1 2 3 m m ，条板两边有搭拼用的楔口，长度按集装箱底板尺寸要求确 定。根据i s o l l 6 1 标准检测，h d p e 底板的滚剪残余变形为2 m m 。试验表明， 该塑料底板在6 0 7 0 r a m 变形条件下，载荷卸除后变形能够回复，而硬木a p i t o n g 底板的变形达到6 7 m m 时就会出现碎片。h d p e 质量较轻，每个t e u 底板重 2 1 6 k g ，相当于硬木底板重的2 1 3 ”。 a z d e l 1 9 9 4 年美国通用电气公司塑料分公司推出了一种称之为a z d e l 的热塑性 材料。以此材料为上下面层，以软木层压板( l a m i n a t e ds o f t w o o d ) 、波形钢板 ( c o r r u g a t e ds t e e l ) 或由聚丙醚丙乙烯发泡成的隔热材料c a r i l 以及硬木胶合 板等为芯层，用沉头螺钉联接固定可以制成多种集装箱底板。a z d e l 的主要 特点是热塑性好，可以随表面不平的基材板屈曲和密贴，可以进行钉加工和溶 接，维修方便，并具有抗化学腐蚀、防渗透、隔热等优良性能。”。 纤维织物底板 纤维织物底板是以废旧布料、地毯等纤维材料经特殊加工制成，主要有 h o r i z o np a c i f i c 公司研制的t i b e r ( t e c h n i c a li n d u s t r i a lb o a r d ) 底板，英国 t i p h h o o k 公司的c a r p e t b a g g e r s 底板以及美国s e a w o l f 公司的c b o a r d 底板一。其 中t i b e r 是由合成纤维经加热压合及化学处理加工制成；而c b o a r d 则是将原 料磨碎后在混合均匀，以干、湿或浆料状态进入成型机使之成型。它们的共同 特点是，能够进行锯切、胶结、油漆等加工，使用过程中不会碎裂或腐朽，报 废的底扳可以回收再利用“”。 上述这些以塑料等非木质材料为主的集装箱底板虽然各方面性能均比较 优越，但是由于生产成本过高，而且原料来源规模较小，均不能实行大规模生 产。 1 2 3 以竹材为主的集装箱底板的研究状况 7 毛竹杆形粗大通直材质致密强韧，是1 2 0 0 多竹种中工业利用价值最高的 一种。在世界各国开发集装箱底板替代材料的同时，我国南京林业大学竹材工 程研究中心、浙江龙游、湖南双峰等单位也都进行了以毛竹为原料的新型底板 的研究”，表1 3 列出了几种集装箱底板性能。 ( 1 ) 全竹材底板 整个结构全部使用竹材的集装箱底板主要有以下几种形式： 浙江龙游压板厂生产的竹篾积成胶合板。该产品是将毛竹截断、剖分、 劈篾、干燥、浸胶、组坯、热压制成。其主要优点是抗弯强度大，抗剪能力强； 最大问题在于铺装不均匀引起胶合强度及其它各项物理机械性能不稳定，而且 底板比重过大，硬度太高，锯刨钉加工性能极差，给底板的安装和维修带来不 便。 青岛金源等公司以等宽等厚竹片生产的积成竹胶合板。该底板的主要加 工过程为：毛竹一截断一剖竹一( 分层) 一两面刨光一两边刨光一干燥一涂胶 一组坯一熟压一齐边一铣槽。底板的抗弯强度及胶合强度较高，但表面通长裂 缝无法消除，竹材加工利用率及生产效率太低，制造成本很高，不易规模化生 产。 以软化展平竹片为面料的竹材胶合板。竹材胶合板底板由南京林业大学 竹材工程研究中心研制，利用软化展平竹片宽度大、平整度好、拼缝严密的优 点作为底板的上下面层，用竹片或横拼式竹帘作为芯层，用p f 胶热压胶合成 型。其主要缺点是：表面展开后有裂缝，力学性能不高，勉强能达到集装箱箱 底板的力学性能，而且，物理力学性能相当不稳定。 ( 2 ) 竹材，桦木胶合板( b a m b o o b i r c hf l o o rb o a r d ) 1 9 9 4 年青岛东元公司用4 面刨光加工的等宽等厚竹片为芯层，在上下面 分别铺放3 层桦木( c h i n e s eb i r c h ) 单板，用酚醛树脂胶结制成了一种竹木复 合型底板。该产品表面性能与阿必东胶合板( a p i t o n gp l y w o o d ) 底板相近，强 度较高，通过了美国船级社( a m e r i c a n b u r e a uo f s h i p p i n g ) 的初步检验。但由 于我国桦木主要集中在北方地区，径级较小，心腐严重，材料供应紧张，出材 率很低，故制造成本高n ”。 ( 3 ) 松竹复合集装箱底板( p b c b ) p b c b ( p i n eb a m b o o c o m p o s i t eb o a r d ) 是南京林业大学竹材工程研究中心 与香港迪勤国际发展有限公司联合研制的一种新型底板。它充分利用了我国南 方资源丰富的毛竹和马尾松资源，以展平竹片为面层，以松木单板为芯层，由 p f 胶合制成。产品按澳大利亚卫生检查局( a q i s ) 规定的防虫药剂b a s i l e u m s i 一8 4 进行了处理，表面采用p u 罩光涂料处理。底板表面平整美观，无缝隙， 耐磨抗划伤能力强，防渗透，耐光热，耐腐蚀，易清洗，老化性能优于a p i t o n g 底板，而且材料来源丰富，主加工过程和化学处理过程与传统硬木底板相似， 8 产品质量稳定，可大规模工业化生产。该底板于1 9 9 4 年底通过法国船级社 ( b v ) 强度测试，已进行过工业化生产“。但生产工艺较复杂，生产规模难 以扩大。 ( 4 ) 毛竹落叶松集装箱底板 该底板南京林业大学竹材研究中心目前刚研发的一种新型底板。底板表层 采用酚醛树脂浸渍纸覆面，表面用竹席和竹帘，芯层采用北方资源丰富的落叶 松，由p f 胶合热压而成。该产品以北方落叶松资源丰富为基础，在北方生产 基板，然后到安徽国林公司进行二次成型，已经通过了力学强度测试，性能相 当优越，而且成本较低，目前已生产3 0 0 0 多套底板，产品质量稳定，正准备 大规模化生产。 ( 5 ) 苦龙竹一思茅松集装箱底板 苦龙竹主要产于中国云南西南部热区，其秆高达3 0 米，径粗2 0 ，3 0 公分， 竹纤维较粗，弹性模量和静曲强度都比较高，而且生长周期快。思茅松主要产 于云南思茅地区，松木力学性质优于马尾松，和落叶松材质相似。同样，南京 林业大学竹材中心通过试验，已经成功研制出了这种集装箱底板。所以，目前， 在集装箱底板原材料极度紧张的情况下，这种竹木复合具有很大的开发潜能。 表1 - 3 各种竹质集装箱底板与a p i t o n g 胶合板的性能 t a b 1 - 3 p r o p e r t i e sc o m p a r i s o n b e t w e e n a p i t o n gp l y w o o d a n db a m b o o b a s e d c o n t a i n e rf l o o r s 厚度 2 8 密度 o 8 8 胶合强度 2 0 4 静曲强度 1 0 8 6 上 4 3 9 弹性模量| |m p a 1 1 1 8 4 2 82 82 8 o 8 80 7 80 8 7 3 2 83 8 1 4 5 1 6 1 21 2 9 49 9 6 1 14 8 3 9 9 勰 蛇 一 他 07 o 9 勰 咐 9 1 盯 a k 一 如 胁 4 1 0 5 平均干缩 o 0 1 6 湿涨率 0 0 4 4 j - 长度 3 2 7 9 o 0 0 8 宽度0031 厚度 o _ 3 9 1 a s t mm o r 6 4 9 d 1 0 3 7上 2 5 5 0 2 9 0 m p a2 4 8 ( 6 周期)m o e| | m p a 1 0 1 1 0 老化上 3 4 5 2 7 2 6 0 k g 滚剪残余变形m m 1 5 锯( 刨) 切加工性 + 螺( 圆) 钉透入性 + 表面耐磨抗划伤性 + 防渗透性 + 抗污染性 +4- 清洗性 + 表观质量 + 质量稳定性 + 制造成本 1 0 ，l 4 5 3 2 1 0 9 8 4 6 0 03 l5 1 0 0 3 70 0 3 4 0 0 8 00 0 9 3 0 5 0 00 5 9 7 7 0 86 0 1 3 0 12 8 4 7 0 3 26 2 1 5 1 8 5 02 1 7 6 1 52 02 02 5 1 5 高较高高较低 高 低 注：+ + ：优+ ；良 + - ：足够- ：差 1 0 1 3 论文研究的主要内容 本论文主要是关于毛竹和南方型杨木( 意杨) 复合集装箱底板结构及胶合 工艺的研究。通常情况下，对竹木复合集装箱底板的胶合工艺均采用一次成型， 由于竹材和南方型杨木属于两种材质完全不一样的材料，毛竹强度较高，密度 也比较大，而南方型杨木材质较软，密度也十分低，热压工艺不容易控制。所 以，本次研究采用二次成型的胶合工艺，即先研制表层材料( 竹帘板) ，然后 对芯层材料( 单板) 进行研究，最后将表层材料( 竹帘板) 和芯层材料( 以南 方型杨木为主) 按照预测出来的最佳结构设计热压成集装箱底板。 对底板表层材料的研究，表层材料是以六层o 8 r a m 厚的竹帘为基本材料， 按照一定的组坯方式，采用正交试验探讨出达到较优力学性能时的最佳热压 工艺，按该工艺压制出力学性能优越的竹帘板，使表层材料( 竹帘板) 对集 装箱底板的性能充分发挥其作用。 研究出芯层材料即南方型杨木单板压缩率与静曲强度、弹性模量，密度之 间的关系，以及覆面竹帘板对竹木复合胶合板力学性能的影响，从而找出 用南方型杨木制造集装箱底板所需的最佳压缩范围。 以复合材料力学理论为基础，根据层合板刚度理论和集装箱底板的受力分 析，推导出竹木复合集装箱底板的弹性模量预测理论。 根据推导出的竹术复合集装箱底板的弹性模量预测理论，设计出几种不同 的底板结构，选择其中合理的预测结构，进行胶合热压，然后找出最佳的 竹木复合集装箱底板结构。 1 4 课题的理论价值与使用价值 理论价值 本课题通过首次将南方型杨木( 意杨) 应用于集装箱底板这样要求极为严 格的结构工程材中，为杨木开辟一个新应用方向。 通过对杨木单板压缩率与密度和弹性模量、静曲强度关系的研究，为以后 杨木在其它工程结构材中的应用奠定了良好的理论