杉木木束條/碎料復(fù)合板制造工藝研究*

杜春貴　周中璽　余輝龍　張齊生　鮑濱福　劉志坤（浙江農(nóng)林大學(xué)，臨安　311300）

杉木木束條/碎料復(fù)合板制造工藝研究*

杜春貴**周中璽余輝龍張齊生鮑濱福劉志坤
（浙江農(nóng)林大學(xué)，臨安311300）

利用杉木制材板皮梳解加工制得的杉木木束條與碎料復(fù)合，制備木束條/碎料復(fù)合板。結(jié)果表明：木束條與碎料的較佳復(fù)合方式為復(fù)合板表層采用木束條、芯層采用碎料；當(dāng)表層木束條的用量為30%～40%（芯層碎料用量60%～70%）時(shí)，復(fù)合板具有較好的物理力學(xué)性能。

杉木；木束條；碎料；復(fù)合板；制造工藝；性能

杉木人工林在主伐之前一般都需經(jīng)過幾次間伐，年采伐量約占其木材生產(chǎn)量的72%［1-2］，因而杉木間伐小徑材的產(chǎn)量巨大。杉木間伐小徑材除用作細(xì)木工板芯板和集成材工業(yè)化生產(chǎn)外，尚未找到工業(yè)化利用的其它途徑。在細(xì)木工板芯板和集成材的制造中，杉木通常需要經(jīng)過多次鋸、刨等工序，產(chǎn)生大量的杉木制材板皮；在杉木的制材加工中，由于杉木存在尖削度、徑級(jí)差異，也會(huì)產(chǎn)生一些杉木碎料［3-7］。本研究采用梳解加工法，將杉木木束條與碎料復(fù)合，進(jìn)行了木束條/碎料復(fù)合板制備工藝的研究，研制杉木積成材，并進(jìn)行了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)的系列試驗(yàn)研究，為進(jìn)一步高效利用杉木資源奠定了基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料

杉木制材板皮：取自浙江省臨安市某木材加工廠，為杉木間伐小徑材制材加工的剩余物；其橫斷面呈圓弧形，含水率約15%，長1 000mm，厚10～25mm，寬40～55mm。

膠粘劑：脲醛樹脂膠，固含量52%，粘度0.165 Pa.s（20℃）。

固化劑：NH4Cl。

防水劑：熔融石蠟。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1木束條與碎料的制備

在自制的實(shí)驗(yàn)室用小型梳解機(jī)上，采用梳齒順紋切削、粗梳輥轉(zhuǎn)速120 r/min、細(xì)梳輥轉(zhuǎn)速360 r/min的梳解加工工藝，對杉木制材板皮進(jìn)行梳解加工，制備杉木木束條，用篩網(wǎng)進(jìn)行篩選，并將其截成160mm。對杉木碎料進(jìn)行篩選，去除粉塵。將杉木木束條、碎料在干燥箱中干燥到含水率為6%～9%，備用。

在德國水兵俱樂部舊址2015年的修復(fù)工程中，對于裂紋及輕度磨損、崩邊但尚可使用的地磚并沒有進(jìn)行修補(bǔ)或替換；而針對約2.5 m2的缺失和破裂嚴(yán)重的地磚，通過采樣由廠家重新燒制，采用同規(guī)格、近似質(zhì)地的地磚替換.經(jīng)過修補(bǔ)地磚區(qū)域視覺上與歷史性地磚相協(xié)調(diào)，細(xì)察可見表面色彩與光澤度差異，一定程度上實(shí)現(xiàn)新舊材料的可識(shí)別(圖8).

1.2.2杉木木束條/碎料復(fù)合板的壓制

在脲醛樹脂膠中，施加其固體質(zhì)量1.0%的NH4Cl、絕干木束條和碎料重量1.0%的熔融石蠟，調(diào)勻后，在滾筒式拌膠機(jī)中將膠粘劑施加于干燥后的木束條、碎料上（木束條、碎料分別施膠，施膠量為9%）。首先，分別按表層碎料40%、芯層木束條60%，表層木束條40%、芯層碎料60%的比例壓制復(fù)合板，分析板坯結(jié)構(gòu)對板材物理力學(xué)性能的影響；確定較佳的板坯結(jié)構(gòu)后，再研究表、芯層碎料和木束條配比對復(fù)合板性能的影響，最后確定較佳的復(fù)合工藝。復(fù)合板在恒定的熱壓工藝下壓制，每工藝條件重復(fù)壓板3次，結(jié)果取平均值。

1.2.3復(fù)合板性能的測試

由于杉木木束條/碎料復(fù)合板是一種全新的木質(zhì)人造板，目前在國內(nèi)外還沒有能夠完全適用的標(biāo)準(zhǔn)，故根據(jù)復(fù)合板的特點(diǎn)，參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》（GB/T17657-2013）和定向刨花板（LY/T1580－2010）標(biāo)準(zhǔn)，檢測復(fù)合板的密度、含水率（WC）、靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）和24 h吸水厚度膨脹率（24hTS）等物理力學(xué)性能指標(biāo)。

2　結(jié)果與分析

2.1木束條與碎料復(fù)合方式對復(fù)合板性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)安排，分別按碎料鋪裝在板材表層、木束條鋪裝在芯層和木束條鋪裝板材表層、碎料鋪裝在芯層2種復(fù)合方式制造木束條/碎料復(fù)合板，當(dāng)表層分別用碎料和木束條時(shí)，其用量均為復(fù)合板木質(zhì)原料總量的40%。

圖1　復(fù)合方式對板材密度的影響

圖2　復(fù)合方式對板材含水率的影響

從圖1、圖2可知，表層用碎料復(fù)合板的密度是表層用木束條復(fù)合板密度的101.8%，而前者的含水率則是后者的98.9%，故木束條與碎料的復(fù)合方式對復(fù)合板的密度、含水率影響很小。

圖3　復(fù)合方式對板材24hTS的影響

從圖3可得知，表層采用碎料鋪裝制造的復(fù)合板，其24hTS約是表層采用相同比例木束條鋪裝制造復(fù)合板的119.1%，因而復(fù)合方式對板材的24hTS有較大的影響。究其原因，可能是因?yàn)樵诎迮麂佈b時(shí)，木束條順紋鋪裝于模具中，其木紋方向與復(fù)合板長度方向一致、厚度方向與復(fù)合板厚度方向相一致；而碎料呈顆粒狀、片狀、短條狀等多種形態(tài)，鋪裝后木紋方向有的與復(fù)合板長度方向一致，有的與復(fù)合板厚度方向一致。當(dāng)復(fù)合板表層為碎料時(shí)，板中木束條的用量是表層為木束條時(shí)的1.5倍左右，由于木材橫紋方向的濕脹率遠(yuǎn)大于順紋方向，從而導(dǎo)致表層采用碎料的復(fù)合板的24hTS大于表層采用木束條的復(fù)合板。然而，復(fù)合板的TS越大，越不利于板材的使用，故表層采用木束條、芯層采用碎料的結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

由圖4可知，表層采用碎料的復(fù)合板，其IB是表層采用相同比例木束條復(fù)合板的75%，可見復(fù)合方式對板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著。這可能是因?yàn)椋罕韺硬捎盟榱蠒r(shí)，復(fù)合板中木束條的用量是碎料的150%；而表層采用木束條時(shí)，復(fù)合板中木束條用量是碎料的67%。木束條的比表面積比碎料小，因此單位面積上的施膠量就小，致使表層采用碎料制造復(fù)合板的IB遠(yuǎn)小于表層采用相同比例木束條制造的復(fù)合板。

圖4　復(fù)合方式對板材IB的影響

圖5　復(fù)合方式對板材MOR的影響

圖6　復(fù)合方式對板材MOE的影響

從圖5和圖6可知，表層采用碎料鋪裝制造復(fù)合板的MOR和MOE，分別是表層采用相同比例木束條鋪裝制造復(fù)合板的67.6%和79.3%，可見，復(fù)合方式對板材的MOR和MOE的影響顯著。這是因?yàn)椴牧系腗OR和MOE主要由表層材料的性能所決定，而木束條的靜曲強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)大于碎料，這就使得表層采用木束條鋪裝制造復(fù)合板的MOR和MOE更大。

綜合前述分析可以得出，表層采用木束條、芯層采用碎料的結(jié)構(gòu)優(yōu)于表層采用碎料、芯層采用木束條的結(jié)構(gòu)。

2.2木束條與碎料用量比對復(fù)合板性能的影響

根據(jù)2.1的試驗(yàn)結(jié)果，選擇以木束條為表層、碎料為芯層的復(fù)合方式制造復(fù)合板，探討木束條與碎料所占比例對復(fù)合板密度、WC、24hTS、IB、MOR和MOE等物理力學(xué)性能的影響，由此確定木束條和碎料的較佳配比。

圖7　木束條用量對復(fù)合板密度的影響

圖8　 木束條用量對復(fù)合板WC的影響

由圖7、圖8可知，隨著木束條用量的增加，復(fù)合板的密度逐漸降低，而WC卻逐漸升高。木束條用量為20%（碎料用量為80%）復(fù)合板的密度，分別是木束條用量為30%（碎料用量為70%）和40%（碎料用量為60%）復(fù)合板的101.8%和103.6%；而木束條用量為20%復(fù)合板的含水率，則分別是木束條用量30%和40%復(fù)合板的98.9%和97.7%?？梢姡臼鴹l與碎料的配比對復(fù)合板的密度和含水率影響很小。

圖9　木束條用量對復(fù)合板24hTS的影響

圖10　木束條用量對復(fù)合板IB的影響

從圖9可知，隨著木束條用量的增加，復(fù)合板的24hTS逐漸升高。木束條用量為40%復(fù)合板的24hTS，分別是木束條用量30%和20%復(fù)合板的104.3%和106.8%，但三者相差不大，故木束條與碎料的配比對復(fù)合板的24hTS影響較小。由圖10可知，隨著木束條用量的增加，復(fù)合板的IB逐漸降低，木束條用量為20%復(fù)合板的IB，分別是木束條用量30%和40%復(fù)合板的105.9%和128.6%，說明木束條與碎料的配比對IB有較大影響。

圖11　 木束條用量對復(fù)合板MOR的影響

圖12　 木束條用量對復(fù)合板MOE的影響

從圖11和圖12可知，隨著木束條用量的增加，復(fù)合板的MOR和MOE均逐漸增加。木束條用量為20%復(fù)合板的MOR，分別是木束條用量30% 和40%復(fù)合板的85.2%和76.2%；木束條用量為20%復(fù)合板的MOE，分別是木束條用量30%和40%復(fù)合板的90.9%和82.4%，說明木束條與碎料的配比對MOR和MOE都有較大影響。

綜上所述，木束條與碎料的用量（配比）對復(fù)合板的密度、WC、24hTS、IB、MOR和MOE等性能都有不同程度的影響。綜合考慮各方面因素，確定當(dāng)表層木束條用量在30%～40%之間，即木束條與碎料的配比在3∶7到4∶6范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合板具有較好的物理力學(xué)性能。

3　結(jié)論

3.1木束條和碎料無論作為復(fù)合板的表層還是芯層，對復(fù)合板的物理力學(xué)性能均有不同程度的影響。木束條和碎料的復(fù)合方式對復(fù)合板的密度和含水率的影響很小，對復(fù)合板的24hTS影響較大，對復(fù)合板的IB、MOR和MOE的影響顯著；表層采用木束條、芯層采用碎料的結(jié)構(gòu)優(yōu)于表層采用碎料、芯層采用木束條的結(jié)構(gòu)。

3.2木束條與碎料的用量（配比）對復(fù)合板的密度、含水率和24hTS的影響較小，對復(fù)合板的IB、MOR和MOE影響較大；表層木束條的用量在30%～40%之間時(shí)，復(fù)合板具有較好的物理力學(xué)性能。

［1］方晰.杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與碳平衡的研究［D］.長沙：中南林學(xué)院，2004.1-108.

［2］周騰飛，黃彬，承湘.杉木間伐材在杉木家具材料中的應(yīng)用研究［J］.中國包裝工業(yè)，2015（3）：11-113.

［3］杜春貴，劉志坤，張齊生.杉木間伐材及制材板皮加工研究現(xiàn)狀與高效加工的新途徑［J］.林產(chǎn)工業(yè)，2008，35（3）：5-7.

［4］杜春貴，劉志坤，張齊生.杉木制材板皮輥壓制備梳解加工坯料的研究［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25（2）：267-27.

［5］杜春貴，劉志坤，張齊生.杉木積成材制造工藝研究［J］.林業(yè)科技，2009，34（4）：48-50，81.

［6］杜春貴，張齊生，劉志坤.杉木積成材的熱壓傳熱特性［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（2）：25-27.

［7］杜春貴，陳思果，劉志坤，等.杉木積成材的剖面密度分布特征及其CT輔助分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（6）：95-99.

第1作者及通訊作者簡介：杜春貴（1967-），男，博士，教授，主要從事竹木材加工與人造板工藝、生物質(zhì)復(fù)合材料等方面的教學(xué)與研究。

（責(zé)任編輯：潘啟英）

Themanufacture Technology ofcomposite Panel withchinese Fir Wood Sticks/particles

DU Chungui
（Zhejiang A&F University，ZhejiangLin′an311300）

In order to improve the utilization rate ofchinese fir，the woodsticks/particlescomposite panel was prepared bycompounding the woodsticks and particles ofchinese firsawmillslabscombing processed. Resultsshowed that：the bettercompositemethod of woodsticks and particles was that thesurface layer ofcomposite panel adopted woodsticks and itscore layer using particles；when the amounts of thesurface layersticks were 30%～40%（the amounts of thecore layer particles were 60%～70%），thecomposite panel had good physical andmechanical properties.

Chinese fir；Woodsticks；Particles；Composite panel；Manufacture technology；Properties

TS653.5

A

1001-9499（2016）05-0052-04

2016-05-21

* 國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201404503）