空心刨花板平壓成型技術(shù)初探

周 駒,童宏拓，王琮琮，黃艷文，毛興來(lái)，錢 俊

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省家具與五金研究所，浙江 杭州 311100；3.浙江德生木業(yè)有限公司，浙江 江山324100）

空心刨花板平壓成型技術(shù)初探

周 駒1,童宏拓1，王琮琮2，黃艷文1，毛興來(lái)3，錢 俊1

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省家具與五金研究所，浙江 杭州 311100；3.浙江德生木業(yè)有限公司，浙江 江山324100）

針對(duì)現(xiàn)有擠壓空心刨花板縱向強(qiáng)度低、刨花規(guī)格要求高等缺陷，以不同規(guī)格的刨花、板材實(shí)體密度和空心孔距作為影響因素，采用平壓成型的方式試制30 mm厚的空心刨花板，并對(duì)板材主要物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析。研究表明：采用平壓成型方式制造空心刨花板是可行的，能有效地提高空心刨花板的縱向強(qiáng)度。本試驗(yàn)范圍內(nèi)：①細(xì)桿狀刨花壓制的板材力學(xué)性能最好；②實(shí)體密度越大板材的靜曲強(qiáng)度越大，實(shí)體密度0.70 g·cm－3板材靜曲強(qiáng)度為實(shí)體密度0.50 g·cm－3板材靜曲強(qiáng)度的近3倍；③空心孔距越大板材的靜曲強(qiáng)度越大。實(shí)體密度0.70 g·cm－3，空心孔距20 mm，細(xì)桿狀刨花，壓制的空心刨花板縱向靜曲強(qiáng)度達(dá)到8.24 MPa。圖5表3參9

木材科學(xué)與技術(shù)；空心刨花板；平壓成型；縱向靜曲強(qiáng)度

人造空心刨花板是一種在板的長(zhǎng)度方向有圓形孔道的刨花板［1］，與普通實(shí)心刨花板相比，不僅密度可減少40%～60%，相對(duì)出材率提高1倍左右，而且還具有保溫性能好、隔音效果好、耐沖擊性好和原料成本低等特點(diǎn)。由于以上獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，空心刨花板可廣泛應(yīng)用于家具、門、臺(tái)板、隔音板等的生產(chǎn)制造中，且市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)［2］，空心刨花板的市場(chǎng)前景非常廣闊。國(guó)內(nèi)外都采用擠壓式工藝生產(chǎn)空心刨花板。由于擠壓工藝本身的限制，對(duì)原料（刨花）的尺寸要求高，成品的表面強(qiáng)度、縱向靜曲強(qiáng)度都很低，多數(shù)板材當(dāng)作填充材料之用。而且采用擠壓法生產(chǎn)空心刨花板，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)量是普通刨花板的1/10左右。因此擠壓法生產(chǎn)的空心刨花板在原料、生產(chǎn)效率及使用方面都受到一定的限制。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)空心刨花板的研究主要集中在擠壓法空心刨花板的生產(chǎn)工藝、原料、吸聲性能及保溫隔熱性能等［3－6］。例如，南京林業(yè)大學(xué)的周定國(guó)教授對(duì)擠壓法生產(chǎn)稻草空心刨花板進(jìn)行了研究；北京林業(yè)大學(xué)楊永福教授對(duì)臥式擠壓空心刨花板進(jìn)行了研究；南京林業(yè)大學(xué)吳智慧等人，采用駐波法測(cè)試了擠壓法生產(chǎn)的空心刨花板與平壓法生產(chǎn)的實(shí)心刨花板在不同試驗(yàn)條件下的吸聲系數(shù)，并探討了材料結(jié)構(gòu)、孔隙率、表面處理等因素對(duì)吸聲性能的影響等?？梢妼?duì)空心刨花板的現(xiàn)有研究都是針對(duì)擠壓式空心刨花板，而對(duì)平壓式空心刨花板尚未有報(bào)道。為了規(guī)避擠壓空心刨花板縱向力學(xué)性能低的缺陷，擴(kuò)大空心刨花板的可應(yīng)用范圍，筆者采用平壓成型的方式試制空心刨花板。鑒于空心刨花板的結(jié)構(gòu)特殊性，筆者以不同規(guī)格的刨花、不同的實(shí)體密度、空心孔距壓制空心刨花板，并對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，旨在為空心刨花板平壓成型提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 杉木刨花分為3種規(guī)格 a類：細(xì)桿狀刨花長(zhǎng)為7.0～15.0 mm，寬0.8～2.0 mm，厚0.8～2.0 mm。b類：細(xì)長(zhǎng)片狀刨花長(zhǎng)為15.0～30.0 mm，寬＜8.0 mm，厚0.1～0.2 mm；c類：顆粒狀刨花（鋸屑）。3種刨花的含水率控制在4%～6%。

1.1.2 膠黏劑 脲醛樹脂膠（UF），固體含量為49%，固化劑為氯化銨（NH4Cl），添加量為膠黏劑固體質(zhì)量的1%。

1.1.3 脫模劑 工業(yè)白石蠟。

1.1.4 模具 空心鋼管，外徑為20 mm，內(nèi)徑為10 mm。結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

XLB-D500×D500×1平板硫化機(jī)，JA2003電子天平，單頭電熱管，TM-902C熱電偶溫度計(jì)，空心成型模具（自制），MWD-50微機(jī)控制式木材萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 空心刨花板的制備

1.3.1 施膠 采用噴霧法，將UF膠噴至裝有刨花的拌膠桶內(nèi)，噴膠同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)膠桶進(jìn)行攪拌，使脲膠與刨花均勻混合，施膠量為原料質(zhì)量的8%。

1.3.2 鋪裝 手工鋪裝組坯，分別對(duì)下表層、板芯即空心結(jié)構(gòu)層、與上表層按設(shè)計(jì)刨花量依次分層鋪裝，以保證成型后空心刨花板各層的刨花壓縮比接近。在鋪裝前，模具表面涂抹工業(yè)白石蠟，目的是防止模具表面粘膠，便于脫模。其鋪裝順序：芯層1→預(yù)壓→表層1→加墊板1，翻轉(zhuǎn)→芯層2→預(yù)壓→表層2→加墊板2預(yù)壓→抽出隔板→脫框熱壓。板坯鋪裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 空心管模具Figure 1 Mould

圖2 板坯鋪裝結(jié)構(gòu)Figure 2 Laying-structure

1.3.3 熱壓 鑒于目前刨花板產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，并經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，確定工藝參數(shù)：熱壓溫度180℃，單位壓力3 MPa，時(shí)間 40 s·mm－1。制成的空心刨花板空心孔徑為 20 mm，厚度為30 mm。選擇對(duì)刨花鋪裝和板材性能影響較大的板材實(shí)體密度、刨花規(guī)格、空心孔距作為因子，采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。因子和水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of the orthogonal experiment with the selected parameters

1.3.4 脫模 板坯成型后，從熱壓機(jī)中取出，然后用噴槍對(duì)空心管（模具）內(nèi)噴水進(jìn)行冷卻，待空心管降至常溫，遂將空心管從板坯中抽出。

1.4 性能檢測(cè)

中國(guó)尚未有平壓法空心刨花板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，將板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、密度、吸水厚度膨脹率等，均參照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1856-2009《擠壓法空心刨花板》的要求進(jìn)行?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)LY/T1856-2009《擠壓法空心刨花板》對(duì)板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試是檢測(cè)平行孔道長(zhǎng)度方向上的結(jié)合強(qiáng)度，而對(duì)于平壓法成型的空心刨花板平行孔道長(zhǎng)度方向上的結(jié)合強(qiáng)度并不是主要性能指標(biāo)，而且尚未有對(duì)空心刨花板垂直板材表面方向上內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法，因此，平壓法空心刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度先不予討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

為便于比較，表2匯總了實(shí)體密度、空心孔距、刨花規(guī)格等對(duì)板材靜曲強(qiáng)度（MOR），彈性模量（MOE），24 h吸水厚度膨脹率（TS）等的試驗(yàn)結(jié)果。表3匯總了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

表3 方差分析匯總Table 3 Analysis of variances of properties

2.2 實(shí)體密度對(duì)板材各性能的影響

實(shí)體密度對(duì)板材各性能影響情況如圖3所示。

由圖3可知：空心刨花板的MOR和MOE均隨著實(shí)體密度的增大而增大，近似線性增大趨勢(shì)。當(dāng)實(shí)體密度取0.50～0.70 g·cm-3時(shí)，MOR從1.93 MPa增大到5.39 MPa，變化幅度顯著。對(duì)于板材的力學(xué)性能，基本上隨密度的增大而增大［7］。

圖3 板材性能隨著實(shí)體密度變化情況Figure 3 Effect of performances with entity density change

板材的24 h TS隨著實(shí)體密度的增大而略有增大，增大趨勢(shì)緩慢。由于密度大，它的壓縮率就大，體系內(nèi)的黏彈性變形和被鎖定的彈性變形的絕對(duì)量相對(duì)大，只要給予足夠的時(shí)間作用，各厚度膨脹率的絕對(duì)值還是隨密度增加而增大，最終造成的變形大，不可逆厚度膨脹率大［6］。

經(jīng)方差分析表明（表3）：實(shí)體密度對(duì)空心刨花板的MOR的影響達(dá)到了α=0.10的顯著性水平，對(duì)MOE的影響達(dá)到了α=0.01的顯著性水平。即實(shí)體對(duì)板材MOR和MOE影響顯著，對(duì)24 h TS則無(wú)顯著影響。

對(duì)于空心刨花板，在滿足相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，其主要力學(xué)性能MOR越大越好，TS越小越好。但考慮到使用中力學(xué)性能MOR的影響大于TS的影響，而且TS隨著實(shí)體密度的變化程度不大，故選擇實(shí)體密度較優(yōu)參數(shù)為0.70 g·cm-3。

2.3 空心孔距對(duì)板材各性能的影響

空心孔距對(duì)板材各性能影響情況如圖4所示。

圖4 各性能隨著空心孔距變化情況Figure 4 Effect of performances with hollow hole distance change

由圖4可知：空心刨花板的MOR和MOE隨著空心孔距的增大而增大，當(dāng)空心孔距在10～20 mm時(shí)，靜曲強(qiáng)度MOR從2.36 MPa增加到4.97 MPa?？招目拙嗟脑龃?，意味著板材單位截面面積實(shí)體部分所占比例就變大，而實(shí)體部分是承受外力的主要部分，因此板材的力學(xué)性能隨空心孔距的增大而增大。從圖4中亦可看板材的24 h TS隨空心孔距增大無(wú)明顯變化。

方差結(jié)果也表明空心孔距對(duì)板材吸水厚度膨脹率影響不顯著，但對(duì)MOE影響顯著，對(duì)MOR影響相對(duì)較低。

由于空心孔距的大小直接影響板坯芯層的刨花鋪裝難易程度，以及對(duì)板坯成型后板材芯層與表層密度的差異程度——密度的均勻性有重要的影響，所以隨著空心孔距的增大，板坯芯層的刨花鋪裝越容易，密度更均勻。然而對(duì)于一定厚度的空心刨花板，空心孔距越大，其整體密度越大，參照擠壓空心刨花板的標(biāo)準(zhǔn)整體密度小于0.55 g·cm-3，從試驗(yàn)結(jié)果中得知平壓成型空心刨花板的整體密度均滿足該標(biāo)準(zhǔn)。故綜合考慮，當(dāng)空心孔距為20 mm時(shí)，板材性能最好，故確定其為較佳空心孔距為20 mm。

圖5 各性能隨著刨花規(guī)格變化情況Figure 5 Effect of performances with moisture content of particles change

2.4 刨花規(guī)格對(duì)板材各性能的影響

刨花規(guī)格對(duì)板材各性能影響情況如圖5所示。

從圖5可知：細(xì)桿狀（a類）、細(xì)長(zhǎng)片狀（b類）規(guī)格的刨花壓制的板材力學(xué)性能較好。a類、b類刨花壓制板材的（MOR，MOE）分別為（3.85 MPa，418.00 MPa），（4.83 MPa，556.00 MPa），而顆粒狀（c類）規(guī)格刨花壓制板材僅為（2.40 MPa，296.00 MPa）。因?yàn)樵谕瑯邮┠z量情況下，薄而長(zhǎng)的刨花制作的刨花板靜曲強(qiáng)度比短而厚的刨花制作的刨花板的靜曲強(qiáng)度要大［7］，所以a類、b類刨花制作的空心刨花板力學(xué)性能明顯優(yōu)于c類刨花制作的板材。

方差分析表明：刨花規(guī)格對(duì)板材MOE和24 h TS影響顯著，而對(duì)靜曲強(qiáng)度影響相對(duì)較低。c類刨花壓制的空心刨花板24 h TS均低于a類、b類刨花壓制的板材。須田久美等［8］研究了24種形態(tài)刨花與刨花板性能的關(guān)系，結(jié)果是刨花板厚度方向的尺寸穩(wěn)定性隨著刨花寬度和長(zhǎng)度的減小而提高。

2.5 平壓成型空心刨花板與擠壓法空心刨花板力學(xué)性能比較

LY/T1856-2009《擠壓法空心刨花板》要求板材整體密度小于0.55 g·cm－3，MOR不小于1.00 MPa。通過(guò)查閱現(xiàn)有擠壓空心刨花板生產(chǎn)和研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)果為擠壓法空心刨花板的MOR在1.00～2.50 MPa范圍內(nèi)［2－5］。根據(jù)本研究的結(jié)果表2顯示：平壓成型的空心刨花板的MOR為1.43～8.02 MPa，大部分在3.00 MPa以上。兩者相比較得知，平壓成型空心刨花板靜曲強(qiáng)度相對(duì)于擠壓空心刨花板有極大的提高，有效地提高了空心刨花板的力學(xué)性能。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本研究所確定參數(shù)的合理性，按試驗(yàn)得出的較佳參數(shù)：密度0.70 g·cm－3，空心孔距20 mm，細(xì)桿狀刨花，進(jìn)行空心刨花板平壓成型的驗(yàn)證試驗(yàn)，并對(duì)板材各項(xiàng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如下：整體密度ρ為0.51 g·cm－3，靜曲強(qiáng)度（MOR）8.24 MPa，彈性模量（MOE）872.00 MPa，24 h吸水厚度膨脹率（TS）18.12%。

將驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與圖表2中各項(xiàng)性能指標(biāo)相比，證明選出的較佳參數(shù)切實(shí)可行。

4 結(jié)論

采用平壓成型的方法制作的空心刨花板，能有效地提高空心刨花板的靜曲強(qiáng)度。

板材實(shí)體密度、空心孔距對(duì)其力學(xué)性能有顯著影響，應(yīng)選擇合理的參數(shù)。

針桿狀、細(xì)長(zhǎng)片狀刨花制作的板材力學(xué)性能優(yōu)于顆粒刨花制作的刨花板。顆粒狀刨花制作的空心刨花板厚度方向尺寸穩(wěn)定性最佳。

由于空心刨花板的結(jié)構(gòu)特殊性［9］，在刨花鋪裝和模具脫模方面可以進(jìn)行更加深入的研究。

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Process scheme of flat-pressure with hollow particleboard

ZHOU Ju1,TONG Hongtuo1,WANG Congcong2,HUANG Yanwen1,MAO Xinglai3,QIAN Jun1
（1.School of Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.Zhejiang Furniture and Hardware Research Institution,Hangzhou 311100,Zhejiang,China;3.Zhejiang Desheng Wood Industry Co.Ltd, Jiangshan 324100,Zhejiang,China）

Due to the existing defects with extrusion hollow particleboard,such as low longitudinal strength,demand for wood shavings.In order to improve these defects,we study used different specifications for shavings, entity density,and hollow hole distance input factor,along with flat-pressure,to make 30 mm hollow particleboard.Tests were performed on hollow particleboard and analysis of their main physical and mechanical performance was conducted.Results showed that in contrast to extruded hollow particleboard,the mechanical performance was greatly improved with flat-pressure hollow particleboard.In the test range：1）the mechanical performance of the board made by rod-shaped wood shavings was best.2）The higher the entity density,the higher number of the longitudinal MOR;the MOR of hollow particleboard with an entity density of 0.70 g·cm－3was nearly 3 times that of the entity density of 0.50 g·cm－3.3）The greater the hollow hole distance,the higher number of the longitudinal MOR.When the wood shavings were rod-shaped,the entity density was 0.70 g·cm－3, and the hollow hole distance was 20 mm,then the MOR of the hollow particleboard was 8.24 MPa.［Ch,5 fig. 3 tab.9 ref.］

wood science and technology;hollow particleboard;flat-pressure;longitudinal MOR

TS653；S781.6

A

2095-0756（2015）05-0770-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.05.017

2014-07-06；

2015-03-24

周駒，從事人造板技術(shù)和機(jī)械裝備及其自動(dòng)化研究。E-mail：462524475@qq.com。通信作者：錢俊，教授， 從事人造板和木工機(jī)械等研究。E-mail：junqian@zafu.edu.cn