（木材科学与技术专业论文）杨木刨片层积材制造工艺因子研究.pdf

摘要 本研究通过分析刨花尺寸和刨花铺装角度对刨片层积材物理力学性能的影响，以及喷 蒸热压时板坯芯层的温度和蒸汽压力，探讨刨片层积材的生产工艺。 刨花形态对刨片层积材性能有显著的影响。刨花长度的增加和刨花厚度的减小均有利 于刨片层积材m o r 和m o e 的提高；刨花宽度对l s l 物理力学性能的影响较小；刨花长 度的增加和刨花厚度的增加会使l s l 内结合强度下降。 刨花定向角度对大刨花层积材的物理力学性能有显著的影响。在顺纹方向上，刨花均 纵向铺装时，其m o r 、m o e 值最大；当芯层为随机铺装时，表层定向角越大，其m o r 、 m o e 值越小；当表层定向角相同时，芯层定向铺装比芯层随机铺装的m o r ，m o e 值大。 在横纹方向上，刨花均纵向铺装时，其m o r 、m o e 值最小；当芯层为随机铺装时，表层 定向角越小，其m o r 、m o e 值越大；当表层定向角相同时，芯层随机铺装比芯层定向铺 装的m o r 、m o e 值大。当芯层为随机铺装时，表层定向角度的变化对其i b 影响不大； 当表层定向角相同时，芯层随机铺装比芯层定向铺装的i b 值大。 采用喷蒸热压法可以使l s l 板坯芯层温度迅速上升至1 0 0 c 以上。喷蒸时板坯压缩 率对板坯芯层温度和蒸汽压力有较大的影响。研究结果表明，就刨片层积材而言，当板坯 压缩率处于o 4 3 左右时，可以取得良好的喷蒸效果。板坯结构影响着蒸汽在板坯中的传 递，从而影响着板坯内温度和压力的大小。但在板坯压缩率较小或较大时，板坯结构对板 坯内部温度和蒸汽压力的影响较小。喷蒸时间的延长，有助于板坯芯层温度的提高。同时 芯层蒸汽压力亦随之增大。真空抽吸时间对板坯芯层温度的影响较小；芯层蒸汽压力随抽 吸时间的延长而降低。 关键词：刨片层积材：板坯结构；喷蒸；温度；蒸汽压力 a b s t r a c t t l l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e s0 1 3t h ei n f l u e n c eo fs t r a n d g e o m e t r ya n ds t a c k i n g e o n s e q u e n c e o i lt h ep r o p e r t yo fl a m i n a t e d s t r a n dl u m b e r ( l s l ) a n dt h ei n f l u e n c eo f s t e a m i n j e c t i o np a r a m e t e r so r lt h et e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r ei nc o r el a y e ro f l s lm a t s t r a n dg e o m e t r yl u l sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t yo fl s l t h ei n c r e a s eo fs t r a n dl e n g t h l e a d st oe n h a n c ：e m e ：n to fm o ra n dm o ea n dt h er e d u c t i o no fi b ；t h ec h a n g eo fs t r a n dw i d t h h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t yo f l s l ；t h ei n c r e a s eo fs t r a n dt h i c k n e s sl e a d st ot h ed e c r e a s e o f l s l p r o p e r t y s t r a n do r i e n t a t i o nh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t yo fl s l a f i g n m e n to ff a c e s t r a n d si m p r o v et h ep r o p e r t i e so fl u m b e ri nt h ed i r e c t i o no fa l i g n m e n ta n dr e d u c e dt h e p r o p e r t i e sp e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no fa l i g n m e n t ；c o m p a r e dt ot h eb u l f a c es l r a n dl a y e r , a l i g l l m e u to fc o l es t r a n dl a y e rh a v es m a l li n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e s ；d e g r e eo fa l i g n m e n ti n t h es u r f a c eo f t h el u m b e r sh a sm i n i m a le f f e c t so ni n t e m a lb o n d s t e a m i n j e e t i o ni se f f e c t i v et or i s et h et e m p e r a t u r eo fc o r el a y e ri nl s lm a t c o m p a c t i o n r a t i oh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r e t h er e s u l ts h o wt h a t , 嬲f a rf 1 s l s li sc o l l c e m c d , t h eo p t i m a lc o m p a c t i o nr a t i oi sa r o u n d0 4 3 t h em a ts t r u c t u r ea f f e c tt h e t r a n s f e ro fg a s 。t h e r e f o r ea f f e c tt h et e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r ei nt h em a t 砌et h e c o m p a c t i o ni st o os m a l lo rt o oh i g h , t h ei n f l u e n c eo fm a ts l r u e t u r ec a nb en e g l e c t e d 1 1 1 e p r o l o n go f i n j c e t i o nt i m ec o n t r i b u t et ot h er i s eo f c o r el a y e rt e m p e r a t u r e ，m e a n w h i l ee n h a n c i n g t h eg a sp r e s s u r e me x t e n s i o no fv a c u u m i n gt i m eh e l p st or e d u c et h eg a sp r e s s u r ei nt h ec 0 托 o f i ，s lm a t k e yw o r d s ：l a m i n a t e ds w a n dl u m b e r ；m a ts l r u e t u r e ；s t e a m 蝎e e t i o n ； t e m p e r a t u r e ；g a sp r e s s u r e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究一：玛闻纨 导师签 日期：名榔 孙7 易，馏 致谢 本论文是在导师梅长彤副教授悉心指导下完成。在完成论文期间，导师给予我很大的 鼓励和资金上的支持，对我的培养耗费了大量的精力和心血，让我受益匪浅。借此机会， 我向他表达我最诚挚的谢意。 在论文完成过程中，得到了徐咏兰教授、刘启明教授、周晓燕副教授、吴羽飞副教授、 李显成老师的指导和无私帮助，同时，师姐潘明珠、李晓平、吴燕以及朱坤安、周绪斌、 杨星、张迟伟、杨蕊、冯云平、周晓芸等同学在试验过程中和生活中给予了很大帮助，在 此，向他们表达我衷心的感谢。 本论文在南京林业大学“江苏省速生材及农作物秸秆工程研究中心”完成，实验过程 中，江苏徐州定向刨花板厂等单位提供了试验原材料，在此，表示感谢! 最后，感谢我的母亲，哥哥，舅舅对我的支持，感谢他们在我人生道路上的鼓励和关 怀。他们的鼓励是我完成学业和追求向上的动力。 谨以此文缅怀我父。 彭明凯 2 0 0 7 年6 月于南京 1 前言 1 1 开展刨片层积材研究的意义 1 1 1 我国木材资源现状 我国是一个森林资源匮乏的国家，人均拥有森林面积0 1 1 1 3l 埘，蓄积量7 1 9 m 3 ，分 别只有世界人均水平的1 5 和1 1 0 。加之森林资源管理不菩，生态环境恶化，以至于天然林 资源日趋枯竭。同时，随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，对木材需求 量急剧增加，尤其是1 9 9 8 年全面开始实施天然林保护工程以来，大量削减木材供应量，木 材供需矛盾更加突出。随着天然林资源的日益减少，林分质量也越来越差，珍贵用材已趋 于枯竭，中幼林比重增大，大径级林木蓄积量大幅度减少，林龄结构趋于低龄化人工速 生林、林区“三剩物”及“次、小、薪”材和间伐材将会成为我国木材工业原料的重要资源。 人工林木材虽然生长快，却存在着生长应力大，木材强度低，刚度羞，尺寸变异大，材质 相对松软等不足，给加工利用带来困难【”。 此外，为了缓解木材供需矛盾，国家每年动用大量外汇进口木材和其他林产品。木材 现在是仅次于石油、钢铁的第三大用汇商品。2 0 0 4 年，中国林产品贸易额达到2 0 1 4 9 亿美元， 比1 9 9 5 年的6 i 6 1 亿美元增长了2 2 7 0 7 ，年均增长率为1 4 0 7 。其中，进口额1 5 0 8 6 亿美元， 增长了2 2 5 1 4 ：出口额5 0 6 3 亿美元，增长了2 3 2 9 4 。1 9 9 5 2 0 0 4 年，中国的林产品一直处 于净进口的状态，贸易逆差除个别年份外逐年增加，由1 9 9 5 年的3 1 1 9 亿美元增加到2 0 0 4 年 的1 0 0 2 3 亿美元1 2 1 2 0 0 4 年，进e 1 额为1 5 0 8 6 亿美元，占当年林产品贸易额的7 4 8 7 我国 现已从5 0 多个国家大量进口木材。仅从俄罗斯一国进口的木材，2 0 0 2 年就达1 4 8 0 1 6 万一。 而这些木材中有很大一部分是来自非法采伐的木材。这使我国面临国际政治和环境保护的 双重压力f 3 】。 与此同时，世界范围内对木材需求量在急剧增加。据联合国粮农组织预测，塑j 2 0 l o 年 世界木材消费量将由1 9 9 3 年的3 1 3 3 6 亿一增加到4 6 1 5 9 4 7 _ i l n 3 ，年均增长2 1 2 而世界上 保护环境、保护热带雨林、保护和发展本国木材加工工业的呼声也日益高涨并开始付诸行 动如马来西亚、菲律宾和印度等国家早已禁止原木出口；巴布亚新几内亚等也于2 0 0 0 年禁 止原木出口；不少非洲国家已开始决定逐渐减少或即将停止原木出口并提高目前原木的税 率；俄罗斯也决定大幅度减少原木的出口量州。 表1 1l ”5 2 绰中国分类林产品的对外贸易情况 t a b l e l 1f o 一印t r a d eo fc h i n af o r e s tp r o d u c t si n1 9 9 5 2 0 0 4 1 1 2 我国人造板发展现状 建国以来，尤其是进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国人造板业取得了长足的发展。近年来， 我国建筑、房地产，家庭装修、家具制造等行业的快速增长，更是带动了人造板产量的稳 步增长。我国现已成为世界上最大的人造板生产国。其中，中密度纤维板是人造板主要板 种中发展速度最快的一种，无论从总设计生产能力还是实际年生产量，中国目前已是全球 中密度纤维板生产第一大国【5 】 我国人造板产品结构不合理，技术含量普遍偏低。胶合板比例偏大，生产和消费约分 别占4 5 和5 0 ，而世界胶合板比例仅为3 0 左右，绝大部分产品仍旧徘徊在胶合板、刨 花板和中密度纤维板的“老三样”上。定向刨花板、层积材、高性能复合板、无机胶粘剂 人造板、特殊用途板材比例偏小，特厚和薄板比例偏低，防潮、阻燃等功能板生产较少， 深加工和高新技术新产品比例不到2 0 。刨花板生产中一个主要的问题是产品品种单一， 基本上是脉醛树脂胶的普通刨花板。这种刨花板强度较低，耐水性、耐候性差，只适用于 室内的家具制造和装修，目前在家具业的应用占刨花板产量的8 7 ，建筑只占3 而美 国、加拿大、德国等先进国家，刨花板用于建筑业上的比例均大于4 0 ，其中主要原因之 一是，耳前国内生产的刨花板主要是普通刨花板，不能作为建筑结构材料使用。随着我国 大径级优质木材的日益缺乏和建筑结构板材需求量的日趋增加，迫切需要寻找优质实木锯 材的替用材料刨片层积材由于它所具有的特性，是一种理想的替代材料。 我国人造板产品应用领域窄，应用技术落后。我国家具行业所用人造板约占7 9 ，建 2 筑行业用人造板仅占1 5 左右。而欧美用作建筑墙体装修人造板占5 0 左右，日本大于 6 0 。人造板应用市场僵持局面也在很大程度上滞后了人造板品种的整体研发。人造板材 的附加值相对偏低，比如在我国悄然兴起的现代木质复合建筑中的屋顶桁架、胶合层积木 构件、金属或塑料贴面的胶合板等，就是一些有高附加值的人造板产品。 表1 2 中国人造板产量 t a b l e1 2o u t p u to f c h i n aw o o d - b a s e dc o m p o s i t e s 根据美国胶合板协会工程木协会2 0 0 5 年发布的数据表明，2 0 0 5 年北美结构人造板材 总量达4 3 1 亿平方英尺( 按3 8 英寸计) ，比2 0 0 4 年上升了4 34 0 0 万平方英尺。这是连续第4 年 增长记录。集成材和单板层积材( e v e ) 产量也创下新记录。集成材产量上升了1 7 达到 4 7 0 0 0 万平方英尺，而l v i ，产量达至u 9 0 6 0 万平方英尺，比2 0 0 4 年上升了5 。o s b 板产量比 2 0 0 4 年上升了3 1 ，即上升了7 7 9 0 0 万平方英尺，达至u 2 6 1 5 亿平方英尺。胶合板产量下降 了2 ，即3 4 5 0 0 万平方英尺，达至u 1 7 9 7 亿平方英尺。由此可见，美国的人造板产量结构 与我国有很大的不同1 6 j 。 1 2 喷蒸热压刨片层积材的发展现状及发展前景 1 2 1 研究现状 1 2 1 1 刨片层积材 刨片层积材( l a m i n a t e ds t r a n dl u m b e r ) 是一种新型结构材，是由长刨花( 刨花长度 一般为3 0 0 r a m ) 经定向铺装、喷蒸热压丽成的一种人造板材1 7 1 。刨片层积材( l s l ) 是一 种优质的木结构材料，具有工程性人造板材，具有尺寸稳定性好，力学强度均匀，许用设 计应力高，尺寸规格灵活多变，突出的耐候性等优点，性能优于实体木材，并将成为将来 的木质建筑材料。刨片层积材( l s l ) 自9 0 年代初开始发展起来，美国和加拿大在此取 得一定的进展，并初步开始了工业化生产。我国目前尚未发现有关该产品研究的报道。 第一家l s l 工厂于1 9 9 1 年在美国明尼苏达州建成投产，年产能力1 3 万立方米。第 二家l s l 工厂于1 9 9 5 年在肯塔基州建成投产。m b 公司还做出了建设第三家l s l 工厂的 计划。与此同时l s l 产品引起了人造板工业界人士的极大注意，因为它是使用资源丰富、 价格便宜的速生杨树作原料生产的高强度、多用途的人造板产品。英国国际人造板杂 志驻北美洲记者对l s l 产品的评价是：“使用长3 0 0 m m 杨树顺木纹刨片同m d i 胶拌，经 蒸汽喷射压机压制、硬化，制造出来的结构用防潮木材产品l s l 是多年来最振奋人心的 一种木材产品” l s l 材料性能取决于板密度、刨花树种、刨花形态以及刨花的定向角。d m m o s e s 等以“层”的概念研究了刨花定向情况对板性能的影响，并据此建立的l s l 的性能预测模 型。结果表明：模型预测结果与所测结果基本一致喁】。模型如下所示： 1 一v 2 1 v 1 2 h 2 e 2 i 一比l y l 2 0 球卜 鸣= 喜 ( 西) ，c i 一以q x r = ，2 ，s ；，= t ，2 ，3 ； c 2 ， e = 壶，b = 壶，= 壶，一百a 1 2 其中，以为第r 层距中心面的距离，a 为扩展刚度矩阵。 此外，d m m o s e s 等还采用v ”字型剪切试件研究了l s l 的剪切模量，并利用计 算机模拟的剪切受力唧；以及螺钉结合受力情况，为l s l 的应用奠定了基础【1 0 l 。 1 2 1 2 板坯结构 人造板的空间结构是非常复杂的，再加上木材本身的变异性，使对其的描述更为困难。 刨花的形态、排列和生产工艺参数对最终产品的物理力学性能均有重要的影响板坯的形 态与刨花形态和定向密切相关。刨花单元的表面积和体积的比值与堆放体积直接相关。比 值增加，堆积系数亦随之增加。 m i l e w s k i ( 1 9 7 8 ) i 正实可通过混合不同表面积和体积的比的刨花来改善刨花板坯的形 态。因此，刨花的形态和分布对板坯有直接的影响。对于结构型刨花板，通过控制影响板 坯的一些变量可以改变产品的内部结构和性能。 b a r n e s 建立一个预测定向板平均铺装角的模型。变量包括定向方法，定向盘或片的间 距，刨花长度，刨花的自由下落距离( 从铺装头下落到板坯表面的距离) 作者研究了这 篙。 = 、，lr， q 巳 ，j-(1-l 些变量与定向角的关系以及这些变量对弹性模量的影响。这些变量决定了刨花的定向和层 叠效果。其他变量如：整个铺装面的刨花铺装效果和刨花的边部或端部铺装效果同样影响 产品的最终性能l 。 刨花之间的连接度对于产品的最终性能影响很大。在板坯压缩过程中，刨花经过塑性 变形以及温度和水分的传递，造成刨花的软化和断面密度分布的产生。刨花的形态和分布 影响着刨花的密实和板内的温度和含水率梯度，从而影响着刨花之间的接触和产品最终的 性能。 d a ia n ds t e i n c r ( 1 9 9 4 a , 1 9 9 4 b ) 利用二维随机分布理论建立热压前的板坯结构数学模 型。他们设定了以下变量如：刨花中心点，层叠刨花的数量，相邻刨花的间距，总刨花数 量，刨花的面积和板坯的平均高度。当应变低于7 0 时，这个模型可以很好地预测横断面 的应力一应变关系。当应变超过7 0 时，细胞材料理论的假设就会失效了。他们展现了单 个刨花单元间关系在产品最终性能上的重要性。刨花单元问关系是由铺装方法以及单元的 形态和大小决定的。模型采用了统一的刨花形态和随机铺装方式。每个刨花在铺装时具有 等同的可能性落到板的各点和随机的定向角，并且刨花之间相互独立。板坯结构服从泊松 分布或指数分布。刨花中心点和层叠面积的分布服从泊松分布。根据板坯的厚度，可以计 算得到空隙的体积。利用平均的刨花长度和宽度，总的刨花数量和总的层面积，可以很好 的描述随机铺装的板坯结构特性盼1 3 】。 l e n t ha n dk a m k e ( 1 9 9 6 a , 1 9 9 6 b ) 研究了板坯中空隙的大小和形状以及他们的分布。他 们利用小的板坯的端部和侧面的图片来确定那些空隙的参数。他们分析了随机铺装和两种 定向角的板坯。定向角与空隙大小关系不大，空隙的形状与定向方式和定向角有很大的关 系 1 。吼。 1 2 1 3 喷蒸熟压技术 在刨花板生产线上，热压是比较关键的工序。热压机是人造板制造的重要设备之一， 决定着最终产品的质量和产量【l 矾。热压一直被视为入造板生产的瓶颈问题，直接影响着 生产效益。对刨片层积材而言，由于刨片层积材特殊的单元形态，完全定向铺装结构，以 及板厚度的增加，若采用传统热板接触式加热，板坯中心上升到树脂胶固化温度需要花费 很长的时间，导致板热压周期较长，生产效率较低。这严重影响着锱片层积材的工业化生 产以及市场推广 喷蒸热压工艺技术原理【7 】：喷蒸热压机在压板表面上钻有直径为3 m m 左右且按定 规律排列的蒸汽喷射孔。喷蒸热压技术即：当压机闭合且板坯被压缩后，通过有空压板向 板坯注入高温蒸汽。在外部压力的强制作用下，高温蒸汽作为热传递介质，快速向板坯内 5 部扩散、对流并穿透板坯，同时遇冷的刨花产生冷凝反应，所释放的冷凝热使整个板坯均 匀、快速受热，板坯芯层温度在极短的时间内即可上升至1 0 0 c 以上，从而加速树脂的固 化，有效缩短热压时间，提高生产效率。与传统热压板热压相比，高温蒸汽在板坯内部的 扩散和对流，取代热压板接触传热和蒸汽扩散。此外，冷凝反应所生成的冷凝水明显提高 板坯内部的湿度。所以板坯内部产生高热、高湿环境是喷蒸热压的典型特征。 7 图1 1 开式饱和蒸汽喷蒸真空热压装置 f i g1 1s c h e m a t i co fu n s e a l e dh o tg a s | y s t e m 1 上压板2 垫网3 下压板4 冷凝水排出管 5 真空源6 三通阀7 防空管8 蒸汽源 喷蒸热压技术已成功应用到实践中。1 9 8 7 年，新西兰北方造纸有限公司建造了第一条 喷蒸真空热压生产线，它采用脲醛树脂生产“t d b o a r d ”和“s t r a n d b o a r d ，用作家具、门和 地板等。在美国，w e y e r h a e u s e r 公司利用大片刨花喷蒸压制出密度分布均匀的脲醛树脂刨 花板，用作门芯；m a cm i l l a n 公司的喷蒸真空热压生产线则采用异氰酸酯树脂胶生产定向 刨花板，用于室外环境。葡萄牙m a d i b e r i a 公司的喷蒸真空热压生产线可生产具有高密度 表面的脲醛树脂中密度纤维板，用作家具。1 9 9 6 年美国泛太平洋中密度纤维板公司在 o k l a h o m a 的厚型蒸汽喷射法热压生产线投产，该厂为单层压机，生产3 7 0 m m 厚的中密 度纤维板【1 8 】。 在国内，喷蒸热压工艺的研究起步较晚。南京林业大学徐咏兰等采用喷蒸热压法试制 单板层积材。实验原材料为系江苏句容林场6 年生速生杉木，径级1 2 1 8 c m ，气于密度 6 0 3 9 9 c m 。在相同工艺条件下，采用常规或喷蒸热压的不同制板方法结果表明喷蒸热压 l v l 可缩短熟压时间l 3 ，面且制品的全面性能还略优于传统热压方法。由厚单板和用其 组坯而成的厚板坯采用侧面喷蒸热压可促使板坯快速升温，促进胶料充分快速固化，保 证制品质量，提高生产能力。南京林业大学和江苏盐城轻通机械有限公司于近两年内已合 作开发研制出喷蒸热压技术，拥有自己的知识产权，申报了专利( 专利号：z l 9 922 9 1 4 1 ) ， 并于2 0 0 3 年初合作承担对广东蕉岭县德兴隆中纤板厂4 x 1 6 单层25 0 0 t 热压机技术改 造，利用该技术完善喷蒸热压装置，使该生产线能生产中、低密度纤维板厚板，而且使热 压周期大大缩短。该技改项目是国内首次将喷蒸热压工艺技术应用于生产实践。 1 2 1 4 板坯内部温度和蒸气压力变化1 1 1 刘正添等曾对影响刨花板热压传热传质过程的因素进行了研究。主要根据热压过程中 板坯芯层温度的变化规律，探讨了刨花板的目标密度、厚度、热压温度、热压前板坯含水 率、汽击法喷水量及其添加剂的浓度等因素对热压传热的影响。研究表明：降低产品密度、 减少厚度、提高熟压板温度、提高板坯含水率及其表面喷水等方法，均可以缩短芯层升温 段的时间，缩小表芯层温差，改善断面温度分布曲线。第一个升温段时间的长短，并不能完全 说明对热压时同的影响。含水率的增大会减少第一阶段的升温时间，但它会延长水分的汽 化时间。所以它对整体加热时间的影响是不确定的1 2 0 j 。 徐长妍研究了喷蒸真空热压杨木大片刨花板坯内部的温度分布特征。实验中采用热电 偶对板坯内部的温度变化进行测量。实验结果表明，平行于热压板的板坯中心平面内的温 度分布比较均匀，沿板坯厚度方向各点的温度分布差异较大。在喷蒸真空热压过程中，板 坯内部的温度上升速率比传统热压快得多。 z o m b o r i 等建立了用来描述3 层定向刨花板熟压过程中板坯内部状况的二维数学模型。 在这个模型中考虑了5 个变量：空气含量、水蒸气含量、结合水含量、板坯内的温度以及用 固化指数表示的胶层的固化程度。整个过程分为热量和水分的传递过程。在温度梯度的 作用下，热传递依靠热传导和对流两种方式；然而，水分的传递则是在压力梯度下，以层流和 扩散的方式传递的。这个数学模型能够预测传统热压过程中板坯内部的温度、含水率、 局部空气和水蒸气的压力、总体压力、相对湿度以及胶粘剂的固化程度，也能够提供在提 高产品质量的同时减少热压时间的最优的热压参数。同时三维剖面图描述了这些变量在厚 度和宽度方向随时间的变化【2 i j 。 h a m 等人对刨花板在用热压板热压和蒸汽喷蒸热压的过程中，板坯中的温度分布进行 了研究。通过热电偶监测板坯内部的温度变化的实验褥出：在传统热压的情况下，要使成板 厚为2 0 m m 和4 0m m 的板坯芯层升温到1 0 0 各需要3 和1 1r a i n 。他们用有限元法对其数值 7 相应增加。板坯的密度对喷蒸时芯层温度的升高无显著影响【2 2 1 。 一忆乙 f 一吲1 + 层 f 一y e , - 2 y i “砖、】 式中：z 是板内某点的温度或压力，x 一和是板坯的x 轴和y 轴的最大尺寸以和 岛是回归曲面的经验系数。2 一和2 一分别是板坯芯部和边部的回归经验系数【2 3 1 1 2 2 发展前景 随着大径级原木的减少和世界各国对天然林砍伐的控制，优质实木锯材日益匮乏。而 速生材存在着生长应力大，材质疏松，强度低，变异大等缺点；以单板为单元，相同纹理 层积热压而成的单板层积材存在原材料径级和材料利用率的限制刨片层积材以间伐材、 速生小径材为原材料，对原材料要求低且材料利用率高，物理力学性能优越。可替代实木 锯材和单板层积材使用，大大缓解了对优质实木锯材的需求我国在刨片层积材( l s l ) 上的研究刚冈睦b 步，国内应积极对其进行研究和开发利用，缓解对原木产品的需求，这对 于保护生态环境和提高人们生活质量具有重要意义 国家建设部现在大力倡导绿色建筑，为此国家科学技术部已把“绿色建筑关键技术研 究”列为“十五”国家科技攻关计划重点项目。木结构建筑以其节能，节地，节材的特点 和健康、安全、舒适的生活空间恰恰符合绿色建筑的要求。在同等设计条件下，木结构系 统结构的建造成本不但可以与混凝土和钢建筑相当，其卓越的节能效应和施工周期短的特 性更能节省建造和使用成本。除此之外，木结构房屋的墙体比其他建材建筑薄，这使建筑 物得房率大大提高 研究结果表明，木结构不但在物化阶段环境影响与能耗皆低于钢结构和混凝土结构， s 而且在使用阶段的能效也大大低于钢结构和混凝土结构。与钢结构相比，木结构在物化阶 段可以节省2 7 7 5 的能源和3 9 2 的水；与混凝土结构相比，木结构可以节省4 5 2 4 的 能源和4 6 1 7 的水。从生态环境破坏的角度考虑，混凝土结构是最严重的，其次是钢结 构，而木结构则是最少的。由于木结构这种优秀的节能环保效应，尤其在建设中国节约型 社会和应对能源缺乏的问题上，是一种切实可行的建筑方式1 2 4 l 。 图1 2 为建设相同的梁件木材与其他常用建材的自重比和二氧化碳的释放量。 c o ，存储量( 蛐c o ：释碳量( 蛐 1 0 00 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 图1 2 各种不同建材的耗能及释碳量比较 f i 9 1 2 c o m l m r i s o no f c b e p g yc o n s u m p t i o na n dc - r b 衄m i s s i o na m o n g d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nm a t e r l a l s 1 3 本研究的创新点 刨片层积材( l s l ) 是一种新型结构材，本课题研究了刨花形态和刨花铺装结构对 l s l 物理力学性能的影响和l s l 的喷蒸热压工艺因子。刨花单元是木质人造板的重要影 响因子，刨花形态和铺装结构在一定程度上决定了产品的性能。由于刨片层积材特殊的刨 花形态，板坯结构以及产品厚度较厚，使得传统的接触式加热方法存在很大的缺陷和问题， 因而无法满足大规模工业化的生产而喷蒸热压技术采用高温饱和蒸汽注入的加热方法， 不仅可以有效地缩短木质复合板的热压时间，提高生产效率，还可改善产品的某些物理、力 学性能，是木质复合板热压技术的一个重要发展方向 本研究的创新点在于研究了刨花形态和铺装结构对l s l 物理力学性能的影响和喷蒸 热压过程中各工艺因子对l s l 板坯温度和压力的影响，为l s l 生产工艺的制定提供了完 备的资料。研究的结果可为生产刨片层积材的企业如何制定l s l 生产工艺提供了参考， 为刨片层积材的工业化生产奠定了理论基础。 9 重一一 自 吐 1 4 研究内容及方案设计 随着大径级原木的减少，优质实木锯材日益匮乏。而刨片层积材采用小径级原木刨切 大尺寸刨花，定向铺装热压后，其产品性能优异，是一种新型的结构用材和优良的实木锯 材替代品。由于其特殊的板坯结构及对产品厚度的要求，使得传统的热压工艺存在着热压 时间长，生产效率低等缺点，严重影响了产品的工业化生产。因此采用喷蒸热压的方法进 行刨片层积材生产的研究。喷蒸熟压工艺技术是先喷入高温蒸汽，而后抽真空的一种热压 工艺。喷蒸热压工艺复杂，除一些常规因子如刨花形态、刨花含水率、胶枯剂种类和施胶 量、产品目标厚度等外，还包括饱和蒸汽压力，喷蒸时机，喷蒸时间和喷蒸次数，真空度， 真空抽吸时间和真空抽吸次数等。 本研究探讨了刨花长度、刨花厚度、刨花宽度和表芯层刨花铺装角对l s l 物理力学 性能的影响，喷蒸热压工艺因子：喷蒸时机、喷蒸时间和真空抽吸时间以及板坯结构对板 坯芯层温度和压力的影响。 1 4 1 刨花形态对璐l 物理力学性能的影响 刨花形态是影响刨片层积材的主要因子。研究中通过采用不同长度、宽度和厚度的刨 花，分析刨花尺寸的变化对刨片层积材的物理力学性能的影响。 1 4 2 刨花铺装结构对l s l 物理力学性能的影响 以“层”的概念研究刨花铺装结构对l s l 物理力学性能的影响。研究中通过改变l s l 表芯层刨花的铺装角度研究表芯层包；花定向角对l s l 物理力学性能的影响 1 4 3 喷蒸工艺因子对热压过程中l s l 板坯内温度和蒸汽压力的影响 利用p r e s s m a n 研究喷蒸热压因子：喷蒸时机、喷蒸时间和真空抽吸时间以及板坯结 构对板坯芯层温度和蒸汽压力的影响，分析温度和蒸汽压力的变化，为l s l 喷蒸热压工 艺的制定提供理论基础。 l o 1 5 参考文献 1 李军俦2 0 0 6 对加入w t o 和实施天然林保护工程后我国木材工业发展问题的思考林 业调查规划( 增刊) ：1 1 7 1 1 9 2 刘艺卓，左常升，徐宏源2 0 0 6 中国林产品产业内贸易分析中国农村经济( 9 ) ：3 8 4 4 3 乔永平2 0 0 6 发展人工林：解决我国木材供需矛盾的长远战略选择林业经济问题 2 6 ( 3 ) ：2 6 9 2 7 2 4 黄栋栋，史纪明2 0 0 6 中非木材贸易对我国木材加工业的影响与对策分析经济金 融观察l l ( 下半月) ：1 4 - 1 5 5 邵岚2 0 0 6 中国人造板：大国到强国的距离绿色中国：6 9 7 1 6 晓义2 0 0 6 2 0 0 5 年北美人造板生产创新记录中国人造板6 ：3 7 华毓坤2 0 0 4 国外结构人造板研究现状与发展趋势木材工业1 8 ( 5 ) ：1 4 8 d m m o s e s h g l p r i o n ，w b o e l m e r 2 0 0 3 c o m p o s i t eb e h a v i o ro f t h el a m i n a t e d s t r a n dl u m b e r w o o ds c i e n c et e c h n o l o g y ( 3 5 ) ：5 5 5 5 6 2 9 d a v i d m o s e s 2 0 0 0 s t r a n da l i g n m e n t i n v e s t i g a t e di nc u s t o ml s lp a n e l s r e s e a r c h h i g “g h t s 。 1 0 d a v i d m o s e s 2 0 0 1 b o l t e di nc o n n e c t i o n si nl s l r e s e a r c hh i g h l i g h t s 1 1 b a r n e s , d 2 0 0 2 b am o d e lo f t h ee f f e c to f o r i e n t e rd e s i g na n do p e r a t i n gv a r i a b l e so nt h e m e a na n g u l a rd e v i a t i o no f o r i e n t e dw o o ds l r , m d s f o r e s tp r o d u c t sj o u r n a l 5 2 ( 7 8 ) ：6 3 7 1 1 2 d a i c ，p r s t e i n e r 1 9 9 4 a s p a t i a ls g u c a l mo f w o o dc o m p o s i t e si nr e l a t i o nt op r o c e s s i n g a n dp e r f o r m a n c ec h a m o e f i s t i c s ：p a r ti i 。m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f ar a n d o m l y - f o r m e df l a k e l a y e rn e t w o r k w o o ds c i e n c et e c h n o l o g y2 8 ：1 3 5 - 1 4 6 。 1 3 d a i , c ，p r s t c i n c r 1 9 9 4 b s p a t i a ls t r u c t u r eo f w o o dc o m p o s i t e si nr e l a t i o nt op r o c e s s i n g a n dp e r f o r m a n c ec h a r a c l e d s t i c s ：p a r tm m o d e l i n gt h ef o r m a t i o no fm u l t i - l a y e r e dr a n d o m f l a k em a t s w o o ds c i e n c et e c h n o l o g y 2 8 ( 3 ) ：2 2 9 - 2 3 9 1 4 l e n t h , c a ，f a k a m k e 1 9 9 6 a i n v e s t i g a t i o n so f f l a k c b o a r dm a tc o n s o h d a t i o n p a r ti 。 c h a 墙c t e d 2 i n gt h ec e l l u l a rs l 玎l 髓u r e 。w o o da n df i b e rs c i e n c e 2 9 ( 2 ) ：1 5 3 1 6 7 。 1 5 l e n t h , c a a n df a k a m k e 1 9 9 6 b 。i n v e s t i g a t i o n so f f l a k e b o a r dm a tc o n s o l i d a t i o n p a r ti i 。m o d e l i n gm a tc o n s o l i d a t i o nu s i n gt h e o r i e so fc e l l u l a rm a t e r i a l s 。w o o da n df i b e r s c i e n c e 2 8 0 ) ：3 0 9 - 31 9 。 1 6 徐长妍，华毓坤2 0 0 2 喷蒸真空热压刨花板板坯内部的温度场特性。林产工业2 9 ( 6 ) ： l l 1 3 1 5 1 7 。徐长妍，华毓坤1 9 9 9 。喷蒸真空热压技术，林产工业2 6 ( 2 ) ：2 0 - 2 9 1 8 何泽龙2 0 0 5 喷蒸热压新工艺技术及其在国内外人造板工业中的应用开发林产工 业3 2 ( 1 ) ：l o 一1 2 1 9 于志明，吴娟，陈天全。2 0 0 4 人造板热压过程中板坯内部环境的研究进展北京林 业大学学报2 6 ( 5 ) ：8 0 一8 4 2 0 刘正添，王洁瑛，于辉1 9 9 5 影响刨花板热压传热过程因素的研究。北京林业大 学学报1 7 ( 2 ) ：6 4 - 7 1 2 1 z o m b o r ibg ，k a m k ef 凡w a t s o nlt 2 0 0 3 s i m u l a t i o no f t h ei n t e r n a lc o n d i t i o n sd u r i n g t h eh o t 2 p r e s s i n gp r o c e s s w o o da n df i b e rs c i e n c e3 5 ( 1 ) ：2 - 2 3 2 2 h a t a t ，t s u k u b a 凡s u b i y a n t ob ，e ta 1 1 9 8 9 p r o d u c t i o no fp a r t i e l e b o a r dw i t h s t e a m - i n j e c t i o ni i ：t e m p e r a t u r e b e h a v i o ri n p a r t i c l e n a td u r i n gh o t - p r e s s i n g a n d s t e a m - i n j e c t i o np r e s s i n g 。w o o ds c i e n c ea n dt e c t m o l o g y 2 3 ：3 6 1 - 3 6 9 2 3 g a r c i ap j ，a v r a m i d i ss ，l a mf 2 0 0 4 r e g r e s s i o nm o d e l i n go f t w od i m e n s i o n a li n t e r n a l t c r a p e m t u r ea n dg a sp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n sd u r i n gh o t - p r e s s i n g 。h o l zr o h - w e r k s t o f f 6 2 ：3 1 6 - - 3 2 0 2 4 陈启仁，张纹韶2 0 0 5 认识现代木建筑天津大学出版社 2 1 前言 2 板坯形态对刨片层积材的影响 人造板的空间结构是非常复杂的，再加上木材本身的变异性，使对其的描述更为困难。 d i n w o o d i e ( 1 9 9 7 ) 曾把人造板描述为在胶粘剂的帮助下。由各种长度和厚度的刨花粘结在 一起制成的具有一定强度的产品。刨花除了本身具有一定的强度，还必须有足够长的长度 使相邻的刨花叠加，传递应力。板坯的结构主要是由刨花单元的形态和定向决定的 对刨片层积材而言，其特殊的刨花形态是区别上其他结构工程材料的主要特点。本章 主要研究刨花形态的变化及其铺装结构的变化对其物理力学性能鲍影响。主要研究内容包 括： 刨花长度、厚度和宽度上的变化对其物理力学性能的影响； 刨花的不同铺装结构对其物理力学性能的影响。 2 2 材料与方法 2 2 1 材料 实验原料为速生杨木；刨花含水率：4 ；实验室自制，由碎单