竹集成材高頻熱壓過程中板坯內(nèi)溫度的變化趨勢

NGUYEN Thi Huong Giang，張齊生

竹集成材高頻熱壓過程中板坯內(nèi)溫度的變化趨勢

NGUYEN Thi Huong Giang1,2，張齊生1

（1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院 竹材工程研究中心，江蘇 南京 210037；2.越南林業(yè)大學(xué) 木材工業(yè)學(xué)院，河內(nèi)156204）

以毛竹Phyllostachys edulis集成材為研究對象，在不同條件下進(jìn)行高頻熱壓，通過對竹集成材板坯高頻熱壓過程中芯層溫度變化的統(tǒng)計分析，得到了竹集成材高頻熱壓過程中板坯溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著板坯含水率從6%增加到18%，涂膠量從200 g·m－2增加到300 g·m－2，板坯的溫度明顯升高。升溫過程可以分為快速升溫和慢速升溫2個階段。在快速升溫階段板坯內(nèi)的溫度隨板坯初含水率、涂膠量及加熱時間的提高而遞增；在慢速升溫階段板坯初含水率及涂膠量對板坯內(nèi)的溫度的影響很小，板坯芯層升溫速度隨加熱時間的增加而減少。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出較優(yōu)的高頻熱壓膠合工藝條件為：涂膠量300 g·m－2，竹條含水率12%，高頻熱壓時間7 min。圖3表4參18

木材科學(xué)與技術(shù)；含水率；熱壓時間；涂膠量；溫度；毛竹材集成材；高頻

Key words:woody science and technology;moisture content;pressing time;amount of spread;temperature; glued laminated bamboo;high-frequency

高頻加熱是近幾十年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，在木材加工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。高頻加熱無需任何媒介，電場能量直接作用于介質(zhì)分子，加熱是從介質(zhì)內(nèi)各處同時進(jìn)行的。這種加熱的突出優(yōu)點(diǎn)是加熱迅速均勻，并且有選擇性［1－2］。在高頻熱壓過程中,溫度是3個主要工藝參數(shù)之一［3］，也是膠黏劑固化的必要條件。為保證板坯中的膠黏劑能夠達(dá)到良好的固化，必須保證板坯中的溫度達(dá)到固化溫度。中外學(xué)者對人造板熱壓熱轉(zhuǎn)遞過程以及板坯內(nèi)升溫過程做了較多的研究，但研究主要集中在纖維板、刨花板、膠合板［4－14］，對高頻電場中板坯內(nèi)的溫度變化規(guī)律研究較少［15］。本研究基于使用脲醛樹脂涂膠過的毛竹Phyllostachys edulis竹片，組坯后應(yīng)用高頻熱壓的工藝技術(shù)，壓制厚度20 mm的板材。在熱壓過程中使用萬用數(shù)顯儀測試板坯內(nèi)水平方向的各溫度點(diǎn)，進(jìn)而研究高頻電場中板坯內(nèi)的溫度變化規(guī)律，從而選擇合理的加熱時間、涂膠量、板坯初含水率，保證板坯中的膠黏劑能夠達(dá)到良好的固化。

1 材料與方法

1.1 材料來源及處理

毛竹竹片取自福建華宇竹業(yè)有限公司，是一種去青、去黃、定寬、端面呈矩形的長條狀的竹片，又稱等寬等厚竹片。竹片長為1 000 mm，寬20 mm，厚5 mm。竹片的初含水率8%～13%。將竹片含水率分別調(diào)節(jié)到6%，12%和18%。竹片經(jīng)含水率調(diào)整后，為避免含水率變化放入塑料袋內(nèi)密封待用。

膠黏劑取自浙江諸暨光裕竹業(yè)有限公司，選用脲醛樹脂膠黏劑，固體含量50%，pH 7.8。

1.2 主要儀器

DZG-45E電加熱蒸汽鍋爐，蒸汽加濕箱，GJ15-6B-1高頻發(fā)生器，GJB-PI-51B-JY高頻液壓機(jī)（熱壓板幅面500 mm×300 mm），萬用數(shù)顯儀。

高頻加熱設(shè)備參數(shù)設(shè)置：陽極電壓Ua=4 kV，陽流Ia=2.0～3.0 A，柵流Ig=0.4～0.6 A，頻率6.78 MHz。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 測溫點(diǎn)的配置 為找出高頻電場中板坯內(nèi)的溫度變化趨勢，對板坯芯層水平方向進(jìn)行多點(diǎn)布局。水平方向選取5個點(diǎn)，其中Ⅰ號點(diǎn)，Ⅲ號點(diǎn)，Ⅳ號點(diǎn)和Ⅴ號點(diǎn)均離板坯長邊為30 mm，短邊50 mm，Ⅱ號點(diǎn)位于中心位置。水平方向的標(biāo)號見圖1。測溫點(diǎn)通過在相應(yīng)位置的竹片沿縱向鋸一定深度的鋸口來實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)1：試材為毛竹竹片，板材規(guī)格尺寸為500 mm×200 mm×20 mm，竹片初含水率分別為6%，12%和18%，涂膠量為200 g·m－2。在高頻熱壓過程中采用萬用數(shù)顯儀測試在不同含水率條件下板坯內(nèi)溫度的變化。試驗(yàn)2：試材為毛竹片，板材規(guī)格尺寸為500 mm×200 mm×20 mm，竹片含水率為12%；涂膠量分別為200，250，300 g·m－2。在高頻熱壓過程中采用萬用數(shù)顯儀測試在不同涂膠量條件下板坯內(nèi)溫度的變化。

圖1 溫度測量點(diǎn)的選擇Figure 1 Temperature measuring point selection

1.3.3 板坯內(nèi)溫度試驗(yàn) 試驗(yàn)工序主要分竹片涂膠、組坯、高頻熱壓膠合和溫度測量。①竹片涂膠：對調(diào)整過含水率的竹片進(jìn)行單面涂膠。②組坯。竹片涂膠后進(jìn)行全縱向組坯，共4層，目標(biāo)板材尺寸為500 mm×200 mm×20 mm。按圖1所示輔以鉆孔測溫和密封等措施。③高頻熱壓定型和溫度測量。組坯后，在熱壓單位正壓力3.0 MPa，側(cè)壓力5.0 MPa的高頻壓機(jī)中進(jìn)行高頻熱壓壓制成竹材集成材。高頻電場中一般不允許有金屬元件存在,否則會影響電場的分布和加熱的均勻性［16］。因此,試驗(yàn)中采用的測溫方法是斷續(xù)測量溫度。當(dāng)高頻加熱時，測溫傳感頭不插入板坯內(nèi)。由于萬用數(shù)顯儀的動態(tài)響應(yīng)速度快，因此，試驗(yàn)時在關(guān)閉高頻60 s后，立即向中間層位置（圖1）膠層中插入測溫傳感頭進(jìn)行板坯內(nèi)各溫度點(diǎn)的測量。實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，溫度取板坯各測量點(diǎn)算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對高頻熱壓竹集成材板坯內(nèi)溫度的影響

在涂膠量為200 g·m－2，板坯初含水率為6%，12%和18%的條件下進(jìn)行板坯內(nèi)部溫度測量試驗(yàn)，得到各點(diǎn)平均溫度見表1。從表1可以看出：在高頻電場中3種板坯邊緣前期加熱不同步，板坯被加熱后邊緣各點(diǎn)溫升不一致。

對表1中測試點(diǎn)Ⅰ號點(diǎn)到Ⅴ號點(diǎn)的溫升速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Ⅱ號點(diǎn)位置溫升速度較快，其次為Ⅰ號點(diǎn)和Ⅲ號點(diǎn)，Ⅳ號點(diǎn)和Ⅴ號點(diǎn)位置加熱速度較慢。板坯中心點(diǎn)加熱速度快是因?yàn)橹行奈恢貌灰咨?。板坯中心的溫度達(dá)到所要求的溫度需要加熱時間5 min，而板坯邊緣各處達(dá)到所要求的溫度需要加熱時間7 min。在90～95℃后各點(diǎn)溫度逐漸接近，是因?yàn)樗舭l(fā)快導(dǎo)致含水率下降加熱速度下降，并且加熱過程中溫度不斷升高，水蒸汽傳熱，板坯各處含水率逐漸均勻使得溫度逐漸接近。

表1 不同含水率高頻熱壓板坯內(nèi)溫度的水平分布Table 1 The horizontal temperature distrubution inside the mats by high frequency hot pressing at different moisture contents

根據(jù)相關(guān)理論，竹材在高頻電場中吸收的熱功率可以用功率密度Pv值（W·cm－3）表示，Pv=0.556fE2ε″×10－12，其中電場頻率f（Hz）一定，E=U/d與電壓U（kV）及板坯厚度d（cm），介質(zhì)損耗因素ε″為介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切之積［17］。在同一個平面上，電場強(qiáng)度E一定，所以影響加熱快慢的主要因素為介質(zhì)損耗因素，介質(zhì)損耗因素越大，功率密度也越大，則極性分子（如水）運(yùn)動的幅度和次數(shù)就越大，摩擦產(chǎn)生的熱量也越大，加熱的速度就越快。而介質(zhì)損耗因素與板坯初含水率有密切關(guān)系。在高頻熱壓膠合過程中，竹條含水率和涂膠量高導(dǎo)致板材中的水分多，介電常數(shù)隨之提高。介電常數(shù)值小的板材吸收高頻功率小，膠合速度慢。介電常數(shù)值大的板材吸收高頻功率多，膠合速度快。膠合速度越快，加熱時間越短，所需要的功率越大。功率密度對加熱時間影響最大，它直接決定了竹集成材所得加熱功率的大小。板坯含水率高即水分含量多，而水的介質(zhì)損耗因素比絕干木材約高320倍［15］。當(dāng)含水率低于纖維飽和點(diǎn)時，介質(zhì)損耗角正切隨含水率的增加而增加；當(dāng)含水率高于纖維飽和點(diǎn)時，介質(zhì)損耗角正切隨含水率的增加而減少［18］。

板坯內(nèi)升溫過程可分為快速升溫和慢速升溫2個階段?？焖偕郎仉A段為75℃之前，板坯無明顯水分外逸，溫度上升迅速。慢速升溫階段為75℃后，溫度上升緩慢。3種板材中板坯內(nèi)各處溫度較快達(dá)到固化溫度為含水率18%和12%的板材（加熱時間6 min），含水率6%的板材加熱速度較慢（加熱時間7 min），但初含水率為12%的板材在慢速升溫階段內(nèi)的平均芯層溫度反而最高。對表1板坯中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行分析并制成散點(diǎn)圖，見表2和圖2。

由圖2可以看出：在高頻熱壓過程的快速升溫階段，溫度范圍為5～75℃。板坯初含水率對板坯的升溫有著較為顯著影響。對于快速升溫階段，含水率范圍為6%～18%，含水率越高，水蒸汽越多使板坯中心升溫速度加快。在慢速升溫階段，板坯初含水率對板坯中心升溫速度的影響較小，主要原因是此時板坯的水分基本蒸發(fā)完畢，板坯內(nèi)部的含水率較低，因此板坯中心升溫速度比較緩慢。

從表2可知：加熱時間對竹集成材板坯中心溫升有著極顯著影響（P＜0.000 01＜α=0.05），含水率對竹集成材板坯中心溫升有著較為顯著影響（P＜0.000 1＜α=0.05）。

2.2 涂膠量對高頻熱壓竹集成材板坯內(nèi)溫度的影響

在板坯初含水率為12%，涂膠量分別為200，250和300 g·m－2的條件下進(jìn)行板坯內(nèi)部溫度測量試驗(yàn)，得到各點(diǎn)平均溫度見表3。

由表3可知：板坯內(nèi)溫度隨涂膠量的增加而升高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)含水率一定時，涂膠量越高水分含量越多，而水的介質(zhì)損耗因素比固體樹脂約高80倍［17］，從而使得溫度上升越快。但涂膠量過高，當(dāng)溫度升高時水汽蒸發(fā)越多影響到板坯固化，導(dǎo)致溫升緩慢。同時也可以看出在75℃之前，板坯溫升迅速，在75～95℃后，溫度上升緩慢，在超過100℃時，因膠黏劑被加熱，有大量水蒸發(fā)，膠黏劑快速固化，使溫度上升逐漸接近。對表3中測試點(diǎn)Ⅰ號點(diǎn)到Ⅴ號點(diǎn)5個溫度點(diǎn)的溫升速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Ⅱ號點(diǎn)溫升速度較快，其次為Ⅰ號點(diǎn)和Ⅲ號點(diǎn)，Ⅳ號點(diǎn)和Ⅴ號點(diǎn)位置加熱速度較慢。在3種板材中板坯內(nèi)各處溫度較快達(dá)到固化溫度為涂膠量300 g·m－2的板材（6 min），其次為涂膠量250 g·m－2和200 g·m－2的板材（7 min）。涂膠量為300 g·m－2的板材在慢速升溫階段內(nèi)的平均芯層溫度反而最高。對表3板坯中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行分析并制成散點(diǎn)圖，見表4和圖3。

表2 表1的無重復(fù)雙因素分析結(jié)果Table 2 Two-factor without replication analysis results of Table 1

圖2 不同含水率條件下竹集成材板坯中心升溫與時間的關(guān)系Figure 2 Relation between time and heating of the mat centre for glued laminated bamboo at different moisture contents

圖3 不同涂膠量條件下竹集成材板坯中心升溫與時間的關(guān)系Figure 3 Relation between time and heating of the mat centre for glued laminated bamboo at different amounts of spread

從表4可知：加熱時間對竹集成材板坯中心溫升有著極顯著影響（P＜0.000 01＜α=0.05），涂膠量對竹集成材板坯中心溫升有著較為顯著影響（P=0.000 7＜α=0.05）。

由圖3可以看出：板坯內(nèi)升溫過程可分為快速升溫和慢速升溫2個階段。在快速升溫階段，溫度范圍為5～75℃。涂膠量對板坯的升溫顯著影響。在高頻熱壓時，涂膠量高導(dǎo)致水汽多，從而使得板坯中心升溫速度加快。在慢速升溫階段，涂膠量對板坯中心升溫速度的影響較小，主要原因是此時膠黏劑快速固化，板坯內(nèi)部的含水率較低，因此，板坯中心升溫速度比較緩慢，并各溫度點(diǎn)的溫升逐漸接近。在快速升溫階段，溫升速度隨著加熱時間的增加而增加。在慢速升溫階段，溫升速度隨著加熱時間的增加而減少。

3 結(jié)論

通過對板坯水平方向溫度分布的研究，可以得出如下結(jié)論：①板坯內(nèi)升溫速度分為快速升溫和慢速升溫2個階段。在快速升溫階段，板坯邊緣各點(diǎn)與中心點(diǎn)溫升不一致，板坯邊緣各點(diǎn)溫升基本接近。在慢速升溫階段，板坯各點(diǎn)溫度逐漸接近。②在試驗(yàn)范圍內(nèi)，板坯內(nèi)溫度隨板坯初含水率及涂膠量的增加而增加。但涂膠量300 g·m－2，板坯初含水率12%的板材在慢速升溫階段內(nèi)的平均芯層溫度最高。在不同條件下，板坯各處溫度達(dá)到所要求的溫度需要加熱時間7 min。③加熱時間對板坯的升溫有著極其顯著影響；板坯初含水率對板坯的升溫有著較為顯著影響；涂膠量對板坯的升溫顯著影響。在快速升溫階段，上述3個因素對板坯芯層升溫速度有著顯著影響；在慢速升溫階段，含水率及涂膠量對板坯芯層升溫速度的影響很小，板坯芯層升溫速度隨加熱時間的增加而減少。

表3 不同涂膠量高頻熱壓板坯內(nèi)溫度的水平分布Table 3 Horizontal temperature distrubution inside the mats by high frequency hot pressing at different amount of spreads

表4 表3的無重復(fù)雙因素分析結(jié)果Table 4 Two-factor without replication analysis results of Table 3

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Temperature inside mats of high-frequency,hot pressed,glued and laminated bamboo

NGUYEN Thi Huong Giang1,2,ZHANG Qisheng1
（1.Bamboo Engineering Research Center,College of Furniture and Industrial Design,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,Jiangsu,China;2.College of Wood Technology,Vietnam Forestry University,Hanoi 156204,Vietnam）

To obtain variation in the temperature law for glued and laminated bamboo （GLB）,mats were hot pressed during two phases:fast heating and slow heating,with high-frequency at different moisture contents and amount of spreads.A statistical analysis on temperature variation inside the mats was conducted by Microsoft Excel software using ANOVA two-factor with replication analysis at a 95%confidence level.Results showed that when moisture content increased from 6%to 18%,the amount of spread increased from 200 to 300 g·m－2, during the first phase,temperature inside the mats increased slowly with increasing moisture content below 12%,amount of spread below 250 g·m－2,and pressing time,and increased sharply with moisture content above 12%and amount of spread above 250 g·m－2;whereas,during the second phase temperature influence on moisture content and amount of spread inside the mats was very small at all conditions.Also during the second phase,the heating rate of the core layer decreased with an increase in pressing time.Optimum high-frequency hot pressing technological parameters for GLB manufacturing were as follows:amount of spread--300 g·m－2, moisture content of bamboo splits--12%,and pressing time--7 min.It mean that temperature inside the mats are satisfactory,is necessary to make high quality of GLB in order to improve the performance of GLB.［Ch,3 fig.4 tab.18 ref.］

S781.6

A

2095-0756（2015）02-0167-06

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報，2015，32（2）：167-172

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.02.001

2014-05-16；

2014-07-06

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201304503）

NGUYEN Thi Huong Giang，講師，博士，從事高頻加熱工藝等研究。E-mail:minhgiang.tknt@gmail. com。通信作者：張齊生，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，從事木竹材高頻加熱工藝等研究。E-mail:Zhangqs@njfu.com.cn