热压工艺参数对板坯物理力学性能的影响

热压工艺参数对板坯物理力学性能的影响

热压对于生产板的物理强度非常重要。同时，板板的热传递和水分扩散、板板的力学性质变化和骨胶粘剂的硬化过程也被集成。此外，板料素的物理、机械和化学特性以及热压技术参数（包括压缩、热压压力及其加压方法、热压板温度和热压时间）对受压板的各层的力学行为具有共同影响。结果表明，各层板的密度分布梯度（即牛儿模型）形成了不同的“横向效应”剖面。板材合理的密度分布应表现为:表层的密度值较高,以满足某些加工和贴面对其强度的需要;芯层的密度在一定的范围内低于表层;表、芯层间密度的过渡应呈一平滑的梯度,而对于板材质量有害的表面预固化层厚度应尽可能地薄。1快速闭合对vdp曲线的影响1959年,Stickler研究了热压参数对刨花板物理力学性能的影响。研究发现,初始含水率、板坯最终密度、热压温度和压机闭合时间影响断面密度分布最为明显。他的发现为后来的研究奠定了极为重要的基础。随着木质复合材料的发展,Kelley等人通过大量试验证实了VDP和产品的物理力学性质间有密切的关系。随后Andrews、McFarland、Heebink等在通过改变热压工艺来优化板坯的最终性能方面进行了大量的研究。在热压过程中,板坯内水分的作用是增加纤维的可塑性和导热性、参与半纤维素的水解反应、降低木素和半纤维素的玻璃态转变温度。当表层含水率高于芯层含水率时,表层高含水率使得纤维易软化、可塑性增强,特别是在加热加压的条件下,纤维的弹性变形很快过渡到塑性变形而被压实,表层密度增大;芯层由于含水率低,温度低,压缩阻力大,而不易被压实,密度的增加较小。Stickler、Kamke研究发现,增加含水率可以降低将板坯压到目标厚度的压力,同时高含水率能使板的断面密度分布曲线比较陡峭,能增强板的静曲强度,但会降低内结合力、剪切力和握钉力。尽管在1959年研究时Strickler没有对板坯内的含水率分布进行检测,但是他清晰地证明了表层含水率高能够增加表层纤维压缩率的同时减小芯层纤维压缩率。1972年,Heebink用实验数据进一步验证了Strickler的结论:板坯的表面含水率为15%,芯层含水率为5%时VDP曲线陡峭;反之,当芯层含水率为15%,表层为5%时VDP曲线较为平坦。后来的Strickler,Andrews,Winistorfer得到的研究结果也和他们相同。板材的最终密度和最终厚度对VDP曲线的形状能产生直接的影响。Stickler1959年的研究结果就表明板的最终密度越高,VDP曲线起伏越明显。Geimeretal.在1975年研究发现板材越厚,VDP的曲线越陡峭。从两人的研究来看,板的最终密度和最终厚度对VDP的影响有相似之处:当厚度一定、目标密度增大和密度一定、厚度增大时,均使得被加热的刨花或纤维总量增多,导致芯层温度滞后表层温度上升的幅度加大,从而板坯最终的VDP曲线变得陡峭。在某种意义上来说,闭合时间是热压过程中的核心因素,快速闭合能使表层纤维快速受热,但是芯层纤维仍然处于不受热状态,温度的不均匀分布就产生了很明显的断面密度梯度。压机缓慢闭合使芯层纤维受热时间更长,能使温度的分布更加均匀,刨花或纤维的压缩更加均匀化,表芯层密度差也就比较小。Andrews发现:刨花板的表层密度最大值随着闭合时间的变短更加靠近板材表面。Smith证实闭合时间对板坯密实化的影响:快速闭合时间为30s时,产生的VDP曲线为U型;100s缓慢闭合时,会产生M型的VDP。Heebink、Stickler等人一致肯定压机闭合时间对板坯密实化和VDP曲线的形状有影响。但是这个研究结果与Suchsland对刨花板的研究结果恰好相反,Suchsland等人通过不同闭合工艺的图示阐述了理论意义上快速闭合不会改变VDP,但他们这样的结论是建立在冷压的基础上,没有考虑热量和水分的增塑作用,所以结论和其他的人不一样。在2006年,Cai等人系统研究了含水率和最终板坯密度对中密度纤维板的机械性能、热传导、内部蒸汽压力、板坯表层胶黏剂的预固化和VDP的影响。他们认为只有通过调整板坯密度和含水率才能改善内结合力,防止发生内部蒸汽压超过了100kPa时的分层现象。板坯密度和含水率对改变表芯层密度比(即最大表层密度除以最小芯层密度的值)无关。对实验过程中的较低密度板(673kg/m3)来说,最佳含水率在12.1%~15.3%;中密度板(769kg/m3)和较高密度板(833kg/m3)的板坯含水率调整幅度不大。2000年WangandWinistorfer研究了分段式闭合,热压机位置控制(multi-steppressclosingstrategies)对VDP的影响。在闭合至最终厚度前,将压机控制在某一位置,缓慢让芯层受热,能产生平缓的VDP。Wang等在2001年根据分段式热压对中密度纤维板断面密度的影响得出结论:VDP的形成缘于压机在分段式热压过程的中间时间段的位置,及该位置停留的时间长短和压机闭合速率的共同作用,贯穿于板坯固化到压机最终闭合的整个过程中。2006年,Cai等人在位置控制研究中利用最大表层密度、最小芯层密度、表芯层密度比、预固化层厚度来定量描述VDP;将热压板控制在目标厚度的140%和100%位置保持一定时间后再压至目标厚度,对比二者所产生的断面密度曲线可以看出:后者的最大表层密度增加了25%,最小芯层密度降低了10%。当压板位置调到目标厚度的160%时,VDP形状不再是典型的M型,取而代之出现了很多峰值。这与Wang等在2004年通过现场射线(insituradiantionbeams)扫描检测研究南方松纤维热压过程得到的结果是一致的,即热压机缓慢闭合能得到比较平缓的密度分布,而快速闭合能得到典型的U型曲线分布。2热压工艺方案对断面密度分布的影响我国对人造板VDP的研究较国外迟。1991年,张宏健和赵立利用正交试验法和回归分析法分析PF-MDF(PF是酚醛树脂)的断面密度分布特征和典型特点,并建立了主要参数之间的关系。即断面密度分布曲线陡峭型板材具有较高的静曲强度、弱吸水性及较低的厚度膨胀率;断面密度分布曲线平坦型板材具有较好的内结合强度;陡平型板材可以兼备陡峭型和平坦型板材的优点。板坯含水率和高压压力分别取10%~l3%和5MPa时,可生产出陡峭型板材;取13%~14%和5~6MPa时可生产出陡平型板材;取7%和3MPa(或小于)时可生产出平坦型板材。表芯层密度比可以作为描述板材断面密度分布特征的定性指标,陡峭型板材的表芯层密度比不应大于1.8。1996年王凤明具体分析了6个典型热压工艺方案及对应的断面密度分布,包括以下参数:压力参数P;位置参数即两块压板之间的距离L1(高压段过程中的两块压板间距离)、L2(压机在保压段时两块压板之间的距离);时间参数T4、T5、T6(均对应热压3个阶段的时间)。他指出:位置参数L1值的大小将影响表层高密度区的宽度;L1与L2的相对大小是影响中密度纤维板断面密度最主要的参数,它直接决定了断面密度的总体分布,调节这个比值能得到比较理想的VDP曲线;L2与L1的差值与T4之比,即从位置L1到L2的变化速度决定了密度梯度变化的大小;在热压过程的最后阶段,压机的闭合速度略有加快能保证芯层密度的均匀一致。这与Cai等人2006年的试验过程和结论大致相同。徐咏兰等曾在1997年的研究中论述了密度、压机闭合速度、压机闭合时间、含水率和板厚对VDP的影响,又在1998年对比研究了喷蒸热压工艺与常规热压工艺刨花板的VDP,得出如下结论:喷蒸热压形成的断面密度明显比常规热压刨花板均匀,芯层密度高于常规热压刨花板,因而内结合力、侧握钉力均比后者高。吴章康、周定国、张宏健等人在2001年论述了断面密度分布与人造板性能的关系、影响断面密度分布的主要工艺因素和为获得预期断面密度分布而采用的工艺调控措施,最后综述了计算机模拟技术在木质人造板断面密度分布研究中的应用和最新进展。对于两段热压曲线而言,高压段时间由板坯的压缩状态、板坯厚度和热压温度等因素来决定,低压段时间以树脂固化和板坯水分汽化程度为准。2008年于赫等人将传统两段式热压中的高压压力和低压压力、高压保压时间和高压降到低压时间对VDP的影响分别进行了对比,得出结论:在热压过程中,高压压力增大,表层密度增大,表层到芯层密度梯度增大;低压压力增大,芯层密度增大,表层到芯层密度梯度减小。在热压过程中,高压保压时间增大,表层密度增大;高压降至低压的时间增大,表层到芯层密度梯度减小。3射线和x射线在线连续检测技术人造板的断面密度分布检测技术大体上走过3个阶段:人造板样品分层称重检测;人造板样品在实验室采用γ射线扫描检测;在生产线连续由人造板x射线自动扫描检测。其中,后两者配合使用计算机及相关软件,可以进行记录与实时显示。分层称重研究VDP的准确度很低。近年来,随着连续压机的发展,由于生产线的生产能力大幅提高,传统离线式(实验室)检测断面密度分布技术已经较难适应现代质量控制的要求,γ射线和x射线在线连续检测技术因此得到重视与发展。这些在线连续检测方法,主要利用γ射线或x射线穿过材料时的衰减性能来检测VDP,检测精度能达到0.0001英寸。这些方法之所以比分层称重检测优越,就在于它们具有无损检测、可重复性强、快速准确的特点。DePaul热压过程断面密度形成的内置式检测装置(in-pressdevice)的原理,内置式检测装置由γ射线束Cs137、NaI水晶探测器和成像闪烁计数系统组成。检测时,取厚度方向上25%、50%、75%3个位置设置放射源,保持3个放射源和探测器与热压板同步移动,在整个闭合过程和压机达到最终位置之后进行检测。WinistorferandWang就是利用内置连续式检测装置得出了“密度分布在整个热压周期中持续性变化”的结论。x射线检测法和内置连续式γ射线检测不同,它主要是对最终成品板坯的VDP进行检测。检测时,试件前端设置了高度聚焦的x射线束,检测器与试件同步移动,软件系统将收集到的射线衰减值转化为密度数据。郭森民、王逢瑚、许俊、王贵涛、Timothy等人在VDP的在线检控和无损检测技术方面都有相关的研究。正是由于射线无损测量技术的改进,使得VDP和产品性能关系的研究由定性表述向定量化发展。4连续热压机的模型板坯的热压过程,不仅是植物纤维原料几何形状的变化,还有物理、化学反应等过程,影响热压的因素较多,如