單板層積材生產(chǎn)工藝及性能研究進(jìn)展*

常思宇 邢 東 王喜明 徐偉濤 姚利宏

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010）

隨著人們生活水平的提高，對住宅的要求也愈發(fā)嚴(yán)苛。貼近自然、節(jié)能環(huán)保的木結(jié)構(gòu)建筑再一次引起人們的重視。由于現(xiàn)階段優(yōu)質(zhì)木材資源逐漸匱乏，生長迅速、價格低廉的人工林木材是一種較好的替代材料。但人工林木材材質(zhì)松軟、強(qiáng)度小、易腐朽；加上外部環(huán)境高溫、高濕的影響，容易加速人工林木材老化、分裂和變形，降低其利用價值和使用壽命。單板層積材的出現(xiàn)很好地解決了這些問題，已發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的木結(jié)構(gòu)工程材料。單板層積材（Laminated Veneer Lumber，LVL）是以小徑級原木為原材料，經(jīng)圖1 所示一系列工序加工而成[1]。LVL按用途不同可以分為以下兩類：1）非結(jié)構(gòu)型LVL；2）結(jié)構(gòu)型LVL。前者強(qiáng)度大、尺寸穩(wěn)定性好，常用于制作非承重部件，如家具等；后者結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、耐腐蝕，常用于制作托梁、桁架等。

圖1 單板層積材生產(chǎn)工藝Fig.1 Production process of laminated veneer lumber

LVL不僅具有天然實(shí)木的優(yōu)良特性，甚至在力學(xué)性能等方面還優(yōu)于天然實(shí)木，這些特性是LVL成為天然實(shí)木首選替代品的關(guān)鍵[2]。與天然實(shí)木相比較，LVL具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)均勻、尺寸穩(wěn)定性好。LVL與其他木質(zhì)材料最大的區(qū)別是具有層積結(jié)構(gòu)，可以大大降低應(yīng)用過程中出現(xiàn)的變形問題[3]；2）強(qiáng)度高，LVL將原木的一些缺陷隨機(jī)地分布在各個單板之間，提高了力學(xué)性能，也增加了LVL的可靠性[3]；3）耐候性良好，LVL的單板是利用耐水性能良好的膠黏劑粘合在一起，與其他木質(zhì)材料相比較，耐候性較好[4]；4）抗振減震性能良好，LVL可以很好地抵抗變化應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞破壞；5）易加工，便于處理，LVL可以依照生產(chǎn)要求的不同，進(jìn)行各種不同的加工，如刨切、鋸切、開榫等；6）經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，利用一些邊角木料或者不同樹種、質(zhì)量不等的原木來制作單板，出材率為60%左右[3]。

1 單板層積材應(yīng)用現(xiàn)狀

LVL作為一種新型的人造板材，在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注。20 世紀(jì)70 年代初，LVL進(jìn)入北美、北歐市場，在短時間內(nèi)便得到快速發(fā)展。隨后，加拿大、芬蘭也開發(fā)了LVL產(chǎn)品。全球首條LVL生產(chǎn)線由芬蘭的Raute公司和Finforest公司基于膠合板生產(chǎn)線改造而成[5]。目前，美國擁有6 家LVL生產(chǎn)公司，是全球最大的LVL生產(chǎn)國和消費(fèi)國，而且擁有全球最大的LVL生產(chǎn)廠商——Trusjois公司。LVL生產(chǎn)設(shè)備的主要供應(yīng)商是位于芬蘭的Raute公司[6]。最大的LVL生產(chǎn)廠位于日本，日本是全球第二大LVL生產(chǎn)國，其生產(chǎn)能力約為加拿大的2 倍[7]。此外，印尼、新西蘭、法國、英國等國家都擁有不同的LVL生產(chǎn)線，其中芬蘭和法國擁有工業(yè)化的LVL生產(chǎn)線。在北美，結(jié)構(gòu)型LVL發(fā)展最快，且木結(jié)構(gòu)類型的住宅約為90%。性能優(yōu)良的LVL在美國常被用作普通建筑住宅中的大規(guī)格構(gòu)件[8]。

20 世紀(jì)80 年代，我國相關(guān)研究人員開始對LVL展開了研究[9]，但迄今為止，大規(guī)格結(jié)構(gòu)型LVL尚未成功進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。我國LVL生產(chǎn)線主要分布在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)，如：江蘇、浙江、山東等地；有10 家生產(chǎn)量相對較大的公司分布于膠合板產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的地方，其生產(chǎn)和應(yīng)用仍局限于附加值較低的家具和室內(nèi)裝飾等非結(jié)構(gòu)型應(yīng)用領(lǐng)域。LVL在我國被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是目前LVL主要還是依賴于進(jìn)口，應(yīng)用于混凝土模板、汽車底梁和車箱板等[6]。

目前，我國研究人員主要對LVL進(jìn)行了以下幾個方面的研究[9]：1）由不同樹種制備LVL的適應(yīng)性：2）生產(chǎn)工藝對LVL性能的影響；3）LVL的物理、力學(xué)性能和耐久性；4）LVL足尺構(gòu)件性能測試和理論模型的預(yù)測；5）生命周期評價；6）LVL功能化和密實(shí)化處理 。

2 單板層積材生產(chǎn)工藝

LVL的生產(chǎn)工藝是在膠合板生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上改造而來，兩者極為相似，但在產(chǎn)品前期的組坯、熱壓以及產(chǎn)品后期處理等工序存在較大差異。

選用的樹種決定了LVL性能。大部分用于制作膠合板的樹種均適用于制作非結(jié)構(gòu)型LVL。楊木是我國生產(chǎn)LVL的主要原料，近幾年，桉木也常被用于制作LVL。Ozarska[10]通過試驗(yàn)表明可以用桉木代替硬木生產(chǎn)LVL。結(jié)構(gòu)型LVL，常選用中低密度的針葉木材[11]，如輻射松、花旗松、赤松、冷杉等樹種。若選用密度相對較大的樹種來制作LVL，則需要解決產(chǎn)品膠合強(qiáng)度和單板的旋切質(zhì)量等關(guān)鍵難題。樹種會影響旋切單板的厚度，在同等條件下，針葉木材單板質(zhì)量明顯優(yōu)于闊葉木材單板。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)型LVL的單板厚度一般均在6.4 mm以內(nèi)，通常情況下為2.5～3.2 mm。為了達(dá)到單板層積材標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將單板的含水率控制在6 %以下，一般利用噴氣式干燥機(jī)或者熱壓式干燥機(jī)來除去多余的水分[12]。

單板接長是生產(chǎn)LVL必不可少的一個環(huán)節(jié)[5]，一般情況下，結(jié)構(gòu)型LVL采取斜接的方式，斜面的長度約為單板厚度的7～10 倍；而非結(jié)構(gòu)型LVL，為確保應(yīng)力均勻，通常采取對接的方式，而且要求單板端頭的縫隙不得大于5 mm。單板涂膠[13]是采用淋涂或者滾涂方式將膠黏劑涂布在單板的表面，通常施膠量為220～250 g/m2，有時為了縮短熱壓時間和提高預(yù)壓性能，可以在涂膠時加入一定量的催化劑。涂膠之后對單板進(jìn)行組坯，一般選用強(qiáng)度較小的單板作為芯層材料，強(qiáng)度較大的單板作為表層材料。LVL的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率（MOE、MOR、TSR）等性能，會隨著單板性能的增加而逐漸提高。經(jīng)過預(yù)壓和熱壓，得到最終產(chǎn)品。研究人員曾嘗試采用熱—冷兩步法、分步熱壓等方法來縮短熱壓時間，提高產(chǎn)品性能。有研究以杉木為原料制備LVL[14]，最佳工藝條件為熱壓溫度（T）165 ℃，熱壓時間（t）1.20 min/mm。

3 單板層積材性能

國內(nèi)外科研人員對LVL的力學(xué)、物理性能進(jìn)行了大量研究。田昭鵬[15]等的研究表明，竹木復(fù)合LVL的MOR、MOE、HSS、TSR等性能優(yōu)于楊木LVL。于利[16]等研究發(fā)現(xiàn)，LVL的MOE、MOR與壓縮率和熱壓溫度呈正相關(guān)，與干燥溫度和熱壓時間呈負(fù)相關(guān)。張心安[17]等通過研究得出，單板厚度與LVL的MOR和MOE呈負(fù)相關(guān)。強(qiáng)明禮[18]等的研究表明：單板厚度和LVL的均布載荷呈負(fù)相關(guān)，且單板越厚，其背面裂隙度越大。若生產(chǎn)相同厚度的LVL，單板越厚，施膠量就越少，但是LVL的強(qiáng)度卻較低；反之，單板越薄，原木自身的缺陷越分散，但對應(yīng)的成本卻越高。北美曾用12.7 mm厚的單板制作LVL[19]。我國用4～10 mm單板制成的LVL，不僅性能優(yōu)良，而且尺寸穩(wěn)定性較好。Xu[20]等研究發(fā)現(xiàn)，LVL的蠕變特性曲線與木材的蠕變特性曲線基本一致。Huang[21]等的研究表明：楊木LVL與楊木單板的縱向MOE非常接近，甚至高于楊木單板的縱向MOE。利用楊木LVL這一特性可以加工重型包裝箱。Xue[22]等研究發(fā)現(xiàn)，有限元模型預(yù)測LVL的MOE和MOR值與測試結(jié)果非常接近，最大相對誤差僅為5%。Bal[23]研究了楊木LVL的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果證明水平方向的抗彎強(qiáng)度高于其他方向。李文玲[24]等通過測試分析得出，橫紋單板越多，楊木LVL的力學(xué)性能越好。

為了提高LVL的性能，需要對LVL進(jìn)行改性處理。Wei[25]等研究人員通過在LVL內(nèi)部植入碳纖維的方法來提高LVL的MOE和MOR。鐘偉[26]等用改性楊木制備LVL，研究發(fā)現(xiàn)采用分步熱壓法可以增強(qiáng)楊木LVL的MOR和MOE，而且還可改善HSS。劉一楠[27]等在LVL中加入玻璃纖維布和碳纖維布制備增強(qiáng)LVL，并研究了兩種材料的鋪裝方式對LVL力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：增強(qiáng)材料置于表層時，LVL的MOR和MOE效果最好。而朱一辛[28]等研究發(fā)現(xiàn)用濕熱處理單板制備的LVL，隨著單板的密度、MOR和HSS的增加，TSR和斷面密度變異的可能性降低。Wang[29]等通過對單板浸漬的研究發(fā)現(xiàn)，使用特制低分子量樹脂容易浸漬到木材細(xì)胞壁中，用這種浸漬技術(shù)處理的單板制備的LVL性能較好。Chui[30]等對比研究了用水溶性PF浸泡單板與僅浸泡外層的單板制備的LVL，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩者的性能都得到了明顯的改善。

4 結(jié)語

LVL力學(xué)性能優(yōu)良，在我國被廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、運(yùn)輸以及家具等行業(yè)。但仍面臨以下問題：1）原料來源有限，目前僅限于楊木、樺木、桉木、竹木等。2）生產(chǎn)工藝有待改進(jìn)，當(dāng)前進(jìn)口LVL用量比例較大。3）生產(chǎn)成本較高，需改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低成本。

根據(jù)我國LVL的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究現(xiàn)狀，結(jié)合木材資源等情況，今后應(yīng)著重在以下幾方面進(jìn)行深入研究：

1）不同樹種的木材性能各異，在綜合考慮生產(chǎn)工藝、成本、增強(qiáng)效果及使用場合基礎(chǔ)上，研究不同樹種的合理組合，實(shí)現(xiàn)LVL較高性價比。

2）不斷優(yōu)化LVL生產(chǎn)工藝，研發(fā)更加自動化、智能化和節(jié)能的LVL生產(chǎn)線。

3）加強(qiáng)對功能性LVL（如：高耐候、高防腐、阻燃性能良好等）的研發(fā)，將不需刷漆的LVL用于戶外景觀材料，作為未來研究發(fā)展的主要方向。

4）LVL作為一種新型材料，應(yīng)朝著節(jié)能環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)等方向發(fā)展。