LVS結(jié)構(gòu)膠合板的設(shè)計、制造及其力學(xué)性能分析*

沈肇雨 孫獻(xiàn)娥 王 正

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 連云港宮良木業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222506）

20世紀(jì)70年代，美國在木材加工領(lǐng)域率先開發(fā)了LVS（Laminated Venner Sandwich）復(fù)合材料新品種，該板種陸續(xù)在日本、北美等發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。在我國，2005年，徐州南林木業(yè)有限公司年產(chǎn)2萬m3LVS生產(chǎn)線建成投產(chǎn)。2017年，連云港宮良木業(yè)有限公司實現(xiàn)了年產(chǎn)2 500 m3新型結(jié)構(gòu)意楊（Populus deltoides）LVS產(chǎn)品，并成為國內(nèi)唯一一家出口LVS到日本的企業(yè)[1-4]。LVS是以意楊多層膠合板或LVL為芯板材料，中厚或薄型中密度纖維板（MDF）為表板材料，兩者經(jīng)涂膠、組坯并冷壓壓制而成，可有效解決意楊膠合板的翹曲、變形、開裂、著色性能差等缺點[5-7]。

LVS兼具意楊LVL和MDF的優(yōu)勢，趨近于各向同性材料，物理力學(xué)性能優(yōu)良，尤其抗變形能力較好。同時，兩者復(fù)合后，解決了一般膠合板不易于造型、裝飾性差等問題。因此，LVS被廣泛應(yīng)用于實木復(fù)合門（門框，門扇）、移門、窗框、櫥柜、隔板、襯板等領(lǐng)域。本文對意楊LVS結(jié)構(gòu)膠合板的結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對LVS成品進(jìn)行力學(xué)性能無損測試[8-12]，實現(xiàn)了LVS尺寸穩(wěn)定性高、抗變形能力強、面層平整度高、裝飾和涂刷性能好等優(yōu)勢功能，能夠滿足建筑、家具、裝飾、交通、軍事等行業(yè)的廣泛需求，具有較強的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 LVS結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究研發(fā)的新型意楊LVS結(jié)構(gòu)膠合板材依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》、GB/T 1178—2009《中密度纖維板》等標(biāo)準(zhǔn)制造，規(guī)格為2 440 mm×1 220 mm×24 mm（長×寬×厚）。LVS板材由芯板層（LVL）和上、下表板層（MDF）三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中LVL芯板結(jié)構(gòu)采用LVL“橫-縱-橫”排列方式，以提高其抗變形能力，如圖1所示。

圖1 意楊LVS板材結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 Structural design drawing of LVS plate

1.2 材料

LVS芯板選用速生意楊（Populus deltoides）LVL板材，含水率為8%～12%，連云港宮良木業(yè)有限公司生產(chǎn)。LVL由原木經(jīng)過旋切形成厚度為2 mm的單板，再通過單板多層順紋方向?qū)臃e組坯、預(yù)壓、熱壓膠合、養(yǎng)生、鋸切制備而成，通常厚度為16～75 mm，長度不受限制。為提高LVS抗變形能力，本文的意楊LVL芯板基材結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計與加工，即先對LVL進(jìn)行等寬、等厚縱解，再采用“橫-縱-橫”三合一膠合拼接工藝，以避免變形問題。上、下表層使用的MDF為按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）生產(chǎn)的M防潮型板材（型號：DSK-M0-2105），馬來西亞DAIKEN公司生產(chǎn)，經(jīng)過砂光，其厚度公差控制在±0.15 mm。

膠黏劑：脲醛樹脂與面粉混合的膠黏劑，面粉和脲醛樹脂膠黏劑比例為3∶7，河南盛宏豐化工有限公司；拼板膠（型號為301），固體含量為（40±2）%，黏度為450～500 mPa·s，瀏陽市天和膠粘劑廠。

1.3 設(shè)備

LVS板材生產(chǎn)所用的主要設(shè)備有烘干機(jī)、施膠機(jī)、預(yù)壓機(jī)、熱壓機(jī)、高頻拼板機(jī)等，如表1所示。

表1 LVS主要生產(chǎn)設(shè)備Tab.1 Main production equipment of LVS

1.4 生產(chǎn)工藝

本研究研發(fā)的意楊LVS板材加工流程如圖2所示。

圖2 LVS板材生產(chǎn)流程圖Fig.2 Production flow chart of LVS plate

主要生產(chǎn)工序如下：

1）LVL備料：將原料旋切成厚度為2 mm單板，經(jīng)斜磨、干燥、分等、施膠、組坯（縱向沿順紋方向排列）、冷壓（預(yù)壓）、熱壓后得到LVL。

2） 開料：對養(yǎng)生7～10 d后的LVL板材進(jìn)行鋸裁，并進(jìn)行砂光以確定板材厚度；砂光后對板材進(jìn)行質(zhì)量分選，如發(fā)現(xiàn)板材厚度不符合規(guī)定要求，則進(jìn)行重新加工。

3）膠合組坯：對定厚后的LVL板材，按產(chǎn)品尺寸要求進(jìn)行抽條縱解，再對其板條按側(cè)拼組坯方向進(jìn)行人工雙面輥涂，涂膠量為250～300 g/m2，涂膠后陳放約30 min，最后利用高頻拼板機(jī)按照LVL“橫-縱-橫”以側(cè)拼方式組坯。

4）砂光定厚、銑型、鋸裁：對側(cè)拼后的LVL板材進(jìn)行砂光以確定板材厚度，再用四面木工刨床對其進(jìn)行四面刨光并銑型。

5）MDF貼覆面組坯：在MT6213涂膠機(jī)上對MDF板進(jìn)行單面輥涂施膠，施膠量為210～230 g/m2。隨后將其與LVL組坯，即得到LVS板坯。

6）冷壓、養(yǎng)生、裁邊、封邊：首先，對LVS板坯進(jìn)行預(yù)壓，使膠黏劑滲入并分布均勻，同時擠出多余膠黏劑，以增強膠合強度。板垛高度約為1.1 m，冷壓時間為60 min，壓力為0.9 MPa，取出后養(yǎng)生約72 h，最后完成裁邊和封邊。

圖3 LVS貼覆面組坯Fig.3 Overlay blank of LVS

圖4 LVS板材冷壓Fig.4 Cold pressing of LVS plate

LVL單板的質(zhì)量關(guān)系到最終成品的質(zhì)量，而影響單板質(zhì)量的原因主要有兩個方面：一是因制造工藝引起的背面裂隙度、表面粗糙度、厚度偏差及含水率等問題；二是木材的變異特性，如節(jié)子、裂隙、密度變異、斜紋理、樹種以及生長輪等的影響。在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，LVL單板的背面裂隙與厚度關(guān)系密切，厚度越大，背面裂隙越大[13-19]。多次試驗表明，采用鋸切代替旋切可以避免背面裂隙問題，同時高精度的鋸切加工也可減少單板厚度的偏差。對于單板快速干燥中存在的主要問題——單板翹曲變形，本研究采用單板噴蒸快速干燥技術(shù)，既能節(jié)能降耗，又能保持單板表面的平整度[20-25]。

下面對意楊LVS結(jié)構(gòu)膠合板與LVL彈性模量進(jìn)行動態(tài)測試并分析比較。

2 LVS、LVL彈性模量的動態(tài)測試與分析

目前，我國膠合板生產(chǎn)企業(yè)基本采用目視檢測法和靜態(tài)彎曲法檢測產(chǎn)品的靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）來評判板材質(zhì)量。本研究采用自由板瞬態(tài)激勵法，動態(tài)測試LVL、 LVS產(chǎn)品的 MOE 力學(xué)性能參數(shù)，具有快速、簡便、重復(fù)性好和精度高等優(yōu)點。

2.1 測試儀器

CRAS振動信號采集與分析系統(tǒng)1套，主要包括：AZ-308數(shù)據(jù)采集箱、AZ-802信號調(diào)理箱和SsCars軟件，南京安正軟件工程有限責(zé)任公司；CA-YD-125加速度計1只，靈敏度為15.9 PC/m?s2，測量范圍為0～20 000 Hz，揚州市巨豐科技有限公司；自由懸掛裝置1套，自制；橡膠錘1把。

2.2 試件制備

以按照上文方法制得的意楊LVL和LVS為試材，試件規(guī)格和數(shù)量如表2所示。LVL試件規(guī)格為780 mm ×128 mm × 16 mm（長×寬×厚），共12塊（橫向與縱向各6塊），密度為589 kg/m3，含水率為10%。LVS試件規(guī)格為860 mm × 144 mm × 24 mm（長×寬×厚），共12塊（橫向與縱向各6塊），密度為650 kg/m3，含水率為10%。

表2 試件規(guī)格與數(shù)量Tab.2 Specification and quantity of test pieces

圖5 LVL下料圖Fig.5 LVL blanking

圖6 LVS下料圖Fig.6 LVS blanking

2.3 測試原理及主要步驟

采用自由板瞬態(tài)激勵法動態(tài)測試LVL、LVS試件的縱向和橫向彈性模量。自由板作為板材彈性模量測試試件，其依據(jù)是梁理論的一階彎曲頻率和彈性模量的關(guān)系。自由板一階彎曲頻率（f1）與彈性模量（E）的關(guān)系式[26]為：

式中：E為試件彈性模量，Pa；ρ為密度，kg/m3；f1為試件一階彎曲頻率，Hz；L為試件長度，m；h為試件厚度，m。將試件尺寸參數(shù)與一階彎曲頻率值代入式中，即可得出試件彈性模量動態(tài)測量值。

主要測試步驟：首先，在距離LVS試件一端0.224L和0.776L處用牛皮筋懸掛，實現(xiàn)自由板約束方式，連接振動測試系統(tǒng)，并將加速度計牢固粘貼于試件表面，如圖7 所示。其次，信號采集軟件設(shè)置分析頻率為200 Hz，F(xiàn)FT長度為4 096，負(fù)觸發(fā)采集方式，電壓范圍±5 000 mV。示波正確后，即當(dāng)能夠采集到幅值適宜的加速度響應(yīng)信號后，用橡皮錘敲擊試件使其產(chǎn)生橫向自由振動。通過加速度計拾振將其振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)放大、濾波、傅里葉轉(zhuǎn)換后得到試件橫向振動的頻譜圖。最后，通過頻譜圖識別出試件橫向振動的一階彎曲頻率值f，并代入公式得到其彈性模量E值。

圖7 LVS試件測試Fig.7 LVS specimen test

2.4 結(jié)果與分析

表3 LVL試件彈性模量檢測Tab.3 Elastic modulus test of LVL specimen

由表4可知，LVS縱向平均彈性模量為6 898 MPa，平均密度為650 kg/m3，滿足GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》 和GB/T11718—2009 《中密度纖維板》 質(zhì)量要求（縱向彈性模量平均值≥4 000 MPa，密度≥600 kg/m3）。

表4 LVS試件彈性模量檢測Tab.4 Elastic modulus test of LVS specimen

由表5得知，LVL的縱橫向彈性模量之比值為14.3，遠(yuǎn)大于LVS的1.9，表明LVS相對于LVL更趨近于各向同性材料，縱向和橫向力學(xué)性能較為平均，故使用范圍更廣。顯然，LVS可充分發(fā)揮LVL和MDF優(yōu)點，在抗變形以及裝飾和涂刷等方面具有較大的優(yōu)越性。

表5 LVS膠合板與LVL的物理力學(xué)性能比較Tab.5 Comparison of physical and mechanical properties between LVS plywood and LVL

3 結(jié)論

本文介紹了意楊LVS結(jié)構(gòu)膠合板的結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝，并對LVS和LVL彈性模量進(jìn)行了動態(tài)測試研究，研究表明：LVS相對于LVL更趨近于各向同性材料，尺寸穩(wěn)定性高，抗變形能力強；MDF作為LVS產(chǎn)品的上、下表板層，平整度高，裝飾和涂刷性能好。LVS的生產(chǎn)實現(xiàn)了“劣材優(yōu)用、小材大用”，能滿足建筑、家具、裝飾、交通、軍事等行業(yè)的使用需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。