响应面法优化桉树板式层积材生产工艺

响应面法优化桉树板式层积材生产工艺

单层积木（lvl）是一种高密度、高度加固的木材材料。它主要由低级木材和小直径木材制成，并经过多层涂层（也可添加横向涂层）以压力产生。单板层积材产品强度性能高,尺寸稳定性好,出材率高,用途比锯材更广泛,在国内外已经广泛应用于工业和民用建筑,家具业、装饰装修、桥梁、车辆、船舶及枕木等领域。桉树(Eucalyptusspp.)是我国主要的人工林速生树种之一,主要用于木片、纸浆和胶合板生产。近些年,广西许多中小企业大力发展旋切单板,或用于直接外销,或用于生产低档次的胶合板或建筑模板,经济效益不高。芬兰劳特公司经过研究与试验,证明桉树是非常适合于胶合板和单板层积材生产的。因此,发展桉木LVL,提升桉树的经济价值,对促进当地经济发展具有重要的现实意义。本研究以三聚氰胺改性脲醛树脂胶(MUF)为胶黏剂,采用响应面法和中心组合旋转设计优化桉木LVL的生产工艺条件。通过响应面建立热压温度、热压时间和面粉添加量为变量的数学模型,为桉木LVL的生产提供理论指导。1材料和方法1.1气干密度和固化桉木单板:由广西南宁创锦胶合板有限公司提供,名义厚度为2.2mm,主要为尾巨桉、巨尾桉等杂交桉,树龄为3~5年,气干密度为0.53~0.60g/cm3。三聚氰胺改性脲醛树脂胶(MUF):由广西南宁创锦胶合板有限公司提供,为乳白色黏稠液体,固含量约为55%(质量分数),pH值9.5,黏度为25s(涂-4杯,30℃),固化时间为50s(100℃)。其他:面粉,购于食品市场;固化剂,工业用NH4Cl,添加量为1%(质量分数)。1.2仪器、试药与仪器XLB100-D型热压机,浙江双力集团湖州星力橡胶机械制造公司生产;HM8-WS13型探针式木材测湿仪,奥地利生产;CMT5504型万能力学试验机,深圳市新三思材料检测有限公司生产;HPG-280H人工气候箱,哈尔滨市东联电子技术开发有限公司制造。1.3测试方法1.3.1采用本构模型、设备其制作的性能试验的工艺流程为:桉树原木→旋切→单板干燥→单板分等→涂胶→陈化→组坯→预压→热压→冷却裁边→性能测试。将单板剪裁为600mm×500mm规格,置于压机中干燥,干燥温度为100~120℃,单板干燥含水率控制在6%~10%。单板冷却后,进行双面手动涂胶,陈化30min左右,待含水率在15%左右时进行组坯、预压及热压。为减少板坯的翘曲变形,采用正面对正面、背面对背面对称组坯方式,增大彼此间的接触面积,充分发挥胶黏剂的作用。1.3.2moe和静曲强度热压后的板材经72h自然堆放后裁边,按国家标准GB/T20241—2006《单板层积材》进行垂直加载弹性模量(MOE⊥)和静曲强度(MOR⊥)、平行加载弹性模量(MOE//)和静曲强度(MOR//)检测。1.3.3各变量的水平和编码根据前期探索性试验,确定桉木LVL的热压压力为1.0MPa,选用3因子的中心组合旋转设计(CCRD),3个试验因素分别为热压温度(A)、热压时间(B)和面粉添加量(C)。根据三聚氰胺改性脲醛树脂胶的固化条件确定各因素的水平范围,根据中心组合旋转设计方法,确定各编码的对应水平值。各变量因子所取的水平和编码见表1。根据3次正交旋转组合设计的结构矩阵,安排20次试验,试验结果见表2。变量因子与响应值之间的数量关系,即回归数据结构在编码空间可构造为:y=b0+∑j=1pbjxj+∑i=jpbijxixjy=b0+∑j=1pbjxj+∑i=jpbijxixj,其中:y为桉木单板层积材的性能评价指标;xi、xj为变量因子的规范编码量;b0、bj、bij为常数项、一次项、交互项、二次项的回归系数;p为变量因子的个数。1.3.4数据处理方法采用Design-Expert8.0.4对试验数据进行处理,得出回归方程,并得到相应的响应曲面图。利用最小二乘法获得回归方程的极值点,确定最优值。2结果与分析2.1模型拟合度及方差分析为获得较好的二次模型,必须对回归方程进行显著性检验,同时对模型的各回归系数和方程的失拟性进行显著性检验。当某一因素的显著性水平P值大于0.25时,一般将其剔除。将不显著项剔除后,MOR⊥和MOE⊥回归模型的方差分析结果见表3。从表3可以看出,MOR⊥和MOE⊥回归模型的P值分别达到了<0.0001和0.0004(<0.1),说明模型显著有效。对MOR⊥而言,一次项中A、B、C的偏回归系数达到了显著水平,二次项A2的偏回归系数显著,其他及交互项均未达到显著水平。对MOE⊥而言,一次项中C和二次项中A2的偏回归系数达到了显著水平,其他各项的偏回归系数均未达到显著水平。显著性影响大小分别为:C>A>B>A2与C>A2。失拟项的P值分别为0.8952和0.4671(<2.73),均不显著,说明模型构建合理。MOR⊥和MOE⊥模型的决定系数R2分别为0.80与0.81,与调整后的R2值0.75与0.73基本一致,说明回归模型是适合的。同样,MOE//和MOR//的方差分析结果见表4。从表4可知,MOR//和MOE//回归模型的P值分别达到了<0.0001与0.0001(<0.1),模型同样是显著有效。对MOR//而言,一次项中A、C和二次项中A2的偏回归系数达到显著水平,其他项的偏回归系数均未达到显著水平,显著性影响大小为C>A>A2。对MOE//而言,仅一次项中C的偏回归系数达到了极显著水平。失拟项的P值分别为0.8291和0.9379(<2.73),均不显著,说明模型是合适的。MOR//和MOE//模型的决定系数R2分别为0.82和0.76,模型拟合度良好。利用多重回归分析,将中心化公式代入,整理后得到如下回归方程:YMOR⊥=130.11-0.97A+4.90B-0.47C+4.74E-003A2;YMOE⊥=-1570.64+337.18A-5307.14B+44.13C-123.80BC-1.41A2+3069.19B2;YMOR∥=147.63+1.69A-3.90C-1.00BC+1.26A2;YMOE∥=144.92.87-1.17A-0.46C-0.05AC+5.58E-003C2。其中:A——热压温度;B——热压时间;C——面粉添加量。以上回归方程可以对MOR⊥和MOE⊥、MOR//和MOE//进行预测,响应的预测值与实验值也拟合良好。2.2工艺参数对mor和moe的影响2.2.1面粉添加量对mor//的影响热压时间和面粉添加量对MOE⊥和MOR//的影响,可用3D响应曲面图直观表示如图1。从图1可见,桉木LVL的MOE⊥和MOR//随着面粉添加量的增加而显著下降,随着热压时间的延长,变化趋势比较平缓。这是因为面粉添加量的加大,减少了胶的用量,板的胶合强度随之下降,从而导致板材的MOE⊥和MOR//也下降。面粉添加量从5%(质量分数,下同)增加到20%时,板材的MOE⊥和MOR//几乎成直线下降,说明面粉添加量对板材的MOE⊥和MOR//有显著的影响,这与前面的方差分析相一致。2.2.2面粉添加量对moe//的影响热压温度和面粉添加量对MOE//的影响,可用3D响应曲面图直观表示如图2。从图2可见,桉木LVL的MOE//随着面粉添加量的增加和热压温度的升高而直线下降。MOE//的变化,面粉添加量响应曲面较陡,热压温度曲面较为平缓,说明面粉添加量的大小是影响板材MOE//的主要因素,这与前面的方差分析结果相一致。面粉添加量从5%增加到20%时,大量减少了树脂的用量,导致板材的MOE//显著下降。而随着温度的不断上升,胶黏剂的固化也就愈完全,同时板材的塑性越大,板材的强度也随之增大。2.3优化工艺参数面粉添加量对桉木单板层积材的MOR和MOE有着显著的影响,热压温度和热压时间则无显著影响。进一步对回归方程进行计算,得到的优化工艺参数为:热压温度130℃,热压时间1.5min/mm,面粉添加量为5%。在此条件下进行重复试验,试验测试结果见表5。回归模型的预测值与实验值的相对误差为-15.5%~3.3%,说明回归方程与实际情况拟合得较好,充分证明所选模型构建合理,说明利用响应面法对桉木单板层积材生产工艺进行优化完全可行。3不同热压温度对桉木lvl模型的影响(1)面粉添加量、热压温度和热压时间对桉木LVL的MOE⊥和MOR⊥有着显著的影响。面粉添加量和热压时间对桉木LVL的MOE//和MOR//有着极显著的影响,热压温度的影响不显著。