人造集成薄木制備技術(shù)的研究進(jìn)展分析

張國梁，沈明哲，邢義虎，張 棟，李新業(yè)

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧木匠創(chuàng)新工作室，河北 保定 071000；4.河北省智慧農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000)

人造集成薄木是利用木材本身組織，經(jīng)過單元的細(xì)小加工從而改變木材的紋理、結(jié)構(gòu)和色調(diào)，可通過重新設(shè)計、編排出新型圖案或新的花色，也可仿制珍貴樹種的紋理。目前人造集成薄木的制備主要是通過單板、板材、小徑木剖方等單元經(jīng)組坯后平壓而集成毛方，然后經(jīng)刨切或旋切加工而成。此種方法已經(jīng)取得了長足進(jìn)展，但還存在毛方生產(chǎn)效率較低、人工對紋理調(diào)控能力有限、裝飾仿真性較差等不足。研發(fā)重組木和重組裝飾材的快速成型技術(shù)有利于人造集成薄木生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化，將是重組裝飾材和人造集成薄木方法的新突破，有助于人為調(diào)控薄木花紋能力的進(jìn)一步提升，使薄木質(zhì)量得到有效保證，薄木花紋的裝飾功能得到進(jìn)一步加強(qiáng)，對速生林高效利用和提高附加值具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

2019年，中國人造板總生產(chǎn)能力約2.827 1億m3，同比增長13.9%。與此同時，人造板產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革全面展開，落后產(chǎn)能淘汰進(jìn)一步加速。2019年，全國注銷或吊銷膠合板類產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)900余家；關(guān)閉、拆除或停產(chǎn)刨花板生產(chǎn)線約30條，淘汰落后生產(chǎn)能力約117萬m3/年；關(guān)閉、拆除或停產(chǎn)纖維板生產(chǎn)線約26條，淘汰落后生產(chǎn)能力約105萬m3/年[1]。推進(jìn)清潔生產(chǎn)和綠色發(fā)展理念，切實推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級成為必然趨勢。因此，從木材和人造板工業(yè)發(fā)展需要出發(fā)，探究利用低品質(zhì)木材單板制備重組木/重組裝置材的成型機(jī)理和技術(shù)，對推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)革新和升級具有重要意義，對木材行業(yè)踐行國家碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的推動作用。本文主要從人造集成薄木的基材——重組裝飾材的研發(fā)、成型過程的力學(xué)表征、成型過程的傳熱傳質(zhì)及人造集成薄木的紋理調(diào)控等方面進(jìn)行綜述，以期為推動人造集成薄木制備的技術(shù)提升和快速發(fā)展提供參考。

1 重組裝飾材的研發(fā)

利用珍貴樹種制造的薄木，花紋美觀、雅致，色澤悅目，香氣怡人，是高級建筑裝飾、家具制造等領(lǐng)域良好而極珍貴的裝飾材料。但我國珍貴樹種蓄積量很少，需大量從國外進(jìn)口。隨著珍貴樹種的減少，靠天然刨切薄木越來越難以滿足日益增長的加工需要。上世紀(jì)70年代，意大利、美國、日本等國開始致力于用普通樹種木材制造薄木技術(shù)的開發(fā)，上世紀(jì)80年代初我國開始致力于人造薄木試制，目前已取得了很大的進(jìn)步。

人造集成薄木生產(chǎn)的基礎(chǔ)是重組裝飾材。重組裝飾材又稱科技木，是以普通、廉價的人工林或普通樹種木材或竹材，經(jīng)旋切或刨切而成的單板等為主要原材料，采用單板調(diào)色、層積、模壓膠合成型等技術(shù)制造而成的一種具有天然珍貴樹種木材的質(zhì)感、花紋、顏色等特征或其他藝術(shù)圖案的木質(zhì)裝飾材料[2-4]。重組裝飾材的制造方法根據(jù)所使用膠黏劑的不同而不同，用常溫固化膠黏劑生產(chǎn)重組裝飾材方法稱為冷壓法；用熱壓固化膠黏劑方法生產(chǎn)重組裝飾材稱為熱壓法[5]。

重組裝飾材組坯后的冷壓和熱壓成型法基本上采用的是常規(guī)的平壓技術(shù)[6-8]。隨科技的進(jìn)步，高頻熱壓技術(shù)在重組裝飾材和集成材的研發(fā)中也日益發(fā)揮重要作用。2010年，北京林機(jī)所在國內(nèi)率先將高頻技術(shù)引入竹材重組領(lǐng)域，開發(fā)出“CGPB-65SP多功能竹材弧形重組高頻拼板機(jī)”[9]；詹先旭等[10]以非洲白木(Ayous)旋切單板為原材料，探究了單板含水率、施膠量、熱壓壓力、熱壓時間等主要因子對重組裝飾材理化性能的影響，確定了適宜重組裝飾材制造的高頻熱壓工藝參數(shù)；阮氏香江等[11]采用酚醛樹脂膠黏劑，以竹條含水率、涂膠量為試驗因子進(jìn)行竹集成材的高頻熱壓膠合試驗，得出了較優(yōu)的高頻熱壓膠合工藝條件。對于桉樹等速生材，可直接利用旋切單板生產(chǎn)木質(zhì)復(fù)合裝飾材料，李寧等[12]采用桉木單板條雙向定向方法生產(chǎn)重組木，板材中單板條的長度方向與板材長度方向大致相同，單板條的寬度方向與板材的板面傾斜相交。不同于單板層積膠合制造裝飾材的方法，中國林科院木工所于文吉和余養(yǎng)倫團(tuán)隊提出了單板纖維化再重組技術(shù)用于生產(chǎn)重組木[13-14]。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)木質(zhì)工程材料課題組自主研發(fā)了第一代鋼木結(jié)構(gòu)的單板卷曲輥壓成型機(jī)，已取得國家發(fā)明專利1項，實用新型專利2項[15-17]，并進(jìn)行了單板卷曲重組“原木”的初步試驗；但工藝和材料因素對“原木”物理力學(xué)強(qiáng)度的影響還有待定量分析，成型機(jī)制尚需進(jìn)一步明確。

單元和生產(chǎn)工藝是影響重組材力學(xué)性能的重要因素。吳振華等[18]以非洲白木單板為單元制備重組裝飾材，在單板染色工序中添加了阻燃劑，發(fā)現(xiàn)隨著阻燃劑載藥量的增加，重組裝飾材的膠合強(qiáng)度逐漸降低；Rosa[19]等發(fā)現(xiàn)采用三聚氰胺脲醛樹脂和間苯二酚甲醛制作的竹集成材性能較好。在竹材和楊木、桉樹等速生材的重組過程中，原材料的改性處理[20]、濕度和加載方向[21]等對重組材的性能都將產(chǎn)生重要影響；此外通過添加增強(qiáng)材料可以改善或提高重組材的物理力學(xué)性能。林雨斌[22]等采用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料對楊木單板重組材進(jìn)行了增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)隨著玻璃纖維鋪裝層數(shù)的增加，重組材的力學(xué)性能增加但非線性關(guān)系。多種增強(qiáng)材料的使用往往可以相互補(bǔ)充，以玻璃纖維線為底線、輔助聚乙烯纖維線為面線植入楊木單板可以強(qiáng)化LVL力學(xué)性能[23]；鐘偉[24]等采用玻璃纖維布與碳纖維布復(fù)合材料及分步熱壓法增強(qiáng)楊木單板層積材；Wei[25]等采用纖維復(fù)合材料(FRP)作為重組竹橫梁的增強(qiáng)材料并提出了配筋竹結(jié)構(gòu)的概念[26]。改善單板重組材性能的可用方法還包括熱處理，在不同熱處理溫度下，重組材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性特征[27]，而熱處理溫度和方式對集成材的物理力學(xué)性能影響顯著[28]，林秋琴[29]等采用預(yù)壓縮處理施膠技術(shù)提高了楊木重組木尺寸穩(wěn)定性。

在上述研究中，重組材均需要預(yù)先組坯，然后利用間歇式熱壓機(jī)或冷壓機(jī)進(jìn)行平壓，經(jīng)過后處理獲得一定規(guī)格的木(板)方或竹(板)方。類似于通過逆單板旋切過程的輥壓熱成型方式制備具有一定尖削度和優(yōu)良物理力學(xué)性能的重組“原木”技術(shù)未見報道，而如何保證重組“原木”的物理力學(xué)性能更是一個全新的課題。

2 人工集成薄木的紋理調(diào)控

重組裝飾材經(jīng)刨切或旋切加工可制成人造薄木。其紋理設(shè)計主要有兩個方向：一方面力求完美的再現(xiàn)自然界中珍稀而又極具裝飾價值樹種的紋理效果；另一方面是以裝飾性和流行性創(chuàng)造與潮流同步的新奇紋理。

紋理設(shè)計和調(diào)控的首要任務(wù)是對天然珍貴樹種花紋進(jìn)行分析識別，包括顏色識別和紋理形狀識別兩個部分。通過兩個方面的識別，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行生產(chǎn)，例如通過部分去木質(zhì)素凸顯木材本身的顏色和紋理可生產(chǎn)多層結(jié)構(gòu)透明的復(fù)合板材[30]。有關(guān)學(xué)者根據(jù)圖像處理理論，運(yùn)用彩色圖像灰度化、中值濾波、圖像二值化處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、I-BGLAM等一系列圖像處理手段抽取板材紋理，為家具和裝飾板材加工中仿真板材紋理等工藝提供了天然的木材紋理圖案[31-33]。還有學(xué)者進(jìn)行了木材紋理的定量化算法探究，如改進(jìn)Canny算子[34]、自相關(guān)函數(shù)、灰度共生矩陣、行程長度統(tǒng)計、快速傅里葉變換功率譜函數(shù)、小波、分形、自回歸模型、Radon 函數(shù)變換等的可行性及優(yōu)缺點[35-36]。

通過單板染色，進(jìn)行不同的組合設(shè)計，可呈現(xiàn)出各種天然紋理達(dá)不到的裝飾效果，如具有裝飾圖案的花式拼花門板、花紋腰線、幻彩木花線、彩色拼花地板、甚至木質(zhì)彩色裝飾畫等[37]。木材的酸堿性、漂染藥劑的種類、工藝、配方、助劑等因素對木材和單板的漂染具有重要影響[38-40]。Tang[41]等在竹材染色中，用殼聚糖作為固色劑，提高了上染率，改善了水洗牢度和日曬牢度；王曉倩[42]等以殼聚糖(CTS)和活性艷藍(lán)KN-R染料為原材料，通過兩步反應(yīng)法制備新型N，O-羧甲基殼聚糖染料，明顯改善了薄木的染色效果，提高了染色薄木的耐日曬和耐水洗牢度。木材的深度染色，要求染透、染均勻并且無色差[43]；還要使木材染色的色調(diào)接近所需要的自然木材顏色，并具備較好的保色性[44]，使薄木在高溫?zé)釅杭伴L時間陽光照射下不褪色。

重組裝飾材的紋理模擬主要以模擬徑向花紋和弦向花紋為主，而為了模擬弦向花紋，設(shè)計制造不同形狀的模具至關(guān)重要。趙英杰[45]等研究了將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于重組裝飾材模具的設(shè)計和制造中的方法，并結(jié)合實例闡述了其具體應(yīng)用過程，包括紋理識別、模具設(shè)計、模壓制方和模擬刨切等。而數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于重組裝飾材模具設(shè)計已經(jīng)成為研究熱點[46-48]，設(shè)計過程包括幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如紋理源圖的矢量化，所需單板厚度、模具形狀等參數(shù)計算和模具曲面的三維造型等[49]。

目前人造集成薄木紋理主要是通過單板染色生產(chǎn)徑切直紋或利用不同形狀的曲面模具壓制出曲形坯方刨切小花紋，存在花紋品種相對較少，裝飾仿真性不高，薄木較易離縫開膠，成本高等不足?？商剿骼盟偕姆N之間的色差或通過單板染色后逆原木旋切過程的卷曲輥壓而重組成具有尖削度的“原木”，從而保證“原木”年輪的高仿真，重組“原木”通過連續(xù)旋切或不同的刨切方式可生產(chǎn)具有弦向花紋的人造薄木，從而提高人工對薄木紋理的調(diào)控能力，增加裝飾薄木品種，實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動化，保證裝飾薄木質(zhì)量。

3 成型過程的力學(xué)表征

重組裝飾材等復(fù)合材料的成型制備，尤其是高壓成型伴隨著材料內(nèi)部復(fù)雜的力學(xué)變化，為了表征致密成型過程中的力學(xué)變化規(guī)律，常采用的幾種力學(xué)模型包括：壓力與壓縮密度模型、黏彈塑性模型、熱黏塑性模型和粘彈塑性統(tǒng)一本構(gòu)模型等[50]。復(fù)合成型過程涉及到大變形、大位移和幾何非線性等問題，由于具有靈活處理復(fù)雜的幾何形狀以及邊界條件的特點，有限元、離散元等方法在此問題的力學(xué)建模中發(fā)揮了重要作用[51-52]。

基于薄竹材纏繞技術(shù)與加工工藝的應(yīng)用優(yōu)勢，依靠纏繞卷曲方式開發(fā)的環(huán)保型竹質(zhì)復(fù)合纏繞壓力管等產(chǎn)品相繼問世[53]。由于環(huán)剛度是衡量管環(huán)在外載荷作用下抗徑向變形能力的一個重要性能參數(shù)，竹纏繞復(fù)合管母管、承插口連接及束節(jié)連接后的竹纏繞復(fù)合管的環(huán)剛度值都得到了測量[54]。在木材仿生纏繞技術(shù)開發(fā)過程中，南京林業(yè)大學(xué)孫豐文課題組[55]根據(jù)結(jié)構(gòu)層復(fù)合板帶的纏繞方式和纏繞角制備了層合板以研究管道結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能，建立了木基纏繞管道的結(jié)構(gòu)層、內(nèi)襯層和外防護(hù)層的剛度預(yù)測公式并根據(jù)剛度疊加原理建立了管道整體結(jié)構(gòu)的剛度預(yù)測模型。海軍工程大學(xué)周曉松[56]等從被纏繞體考慮，建立了纖維纏繞復(fù)合材料夾芯圓柱體結(jié)構(gòu)的軸壓力學(xué)模型，并在考慮靜力學(xué)平衡條件及表層和芯材間位移協(xié)調(diào)條件的基礎(chǔ)上，建立了表層側(cè)向約束應(yīng)力和結(jié)構(gòu)軸向壓縮變形間的關(guān)系。纏繞過程涉及到的外力可能包括壓縮、扭轉(zhuǎn)和軸向載荷，Geng[57]等基于正交本構(gòu)關(guān)系和軸對稱厚壁圓柱理論建立了多角度纖維纏繞模型，并通過有限元技術(shù)進(jìn)行了驗證。

依靠輥壓纏繞方式制備重組“原木”的過程不同于已有竹/木復(fù)合纏繞常用的螺旋纏繞方式，各層單板的彎曲應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律十分復(fù)雜，因此表征其力學(xué)模型并實現(xiàn)輥壓力的精確控制至關(guān)重要。

4 成型過程的傳熱傳質(zhì)

在重組木(竹)和集成材的制備過程中，高壓力是必備條件；如果是熱壓工藝，還將伴隨著溫度的變化。在高溫高壓作用下，重組材和集成材內(nèi)部溫度和水分的分布和變化對成型質(zhì)量具有顯著影響。

在木材干燥領(lǐng)域，針對不同樹種不同干燥方法下的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和模型構(gòu)建的研究已經(jīng)取得了很大的成就[58-59]。郝曉峰[60]以杉木人工林木材作為試驗材料，考慮了木材早晚材密度不均勻性對木材干燥的影響，建立了木材干燥過程中傳熱傳質(zhì)一維的“多場-相變-擴(kuò)散”數(shù)學(xué)模型，但傳熱傳質(zhì)模型的部分物性參數(shù)依然是基于理論推導(dǎo)出來的，并沒有通過實際的試驗測量；鮑詠澤[61]等探討了過熱蒸汽干燥對柳杉鋸材干燥質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能的影響，但并未深入研究木材邊界層內(nèi)部速度梯度，溫度梯度和濃度梯度對傳熱傳質(zhì)的影響；劉紀(jì)建[62]等建立了樟子松干燥過程傳熱傳質(zhì)的多尺度模型，但只研究了一維模型，且沒有考慮試材的形狀和干燥干裂情況。

在人造板熱壓生產(chǎn)過程中，刨花板表層、芯層的溫度和水分變化曲線具有明顯的差異[63]，熱壓板與板坯表面接觸的熱傳導(dǎo)以及壓板自身形成的熱場之間的耦合作用對刨花板具有輻射傳熱的影響[64]；熱壓溫度、目標(biāo)密度、施膠量、板坯密度對膠合板和纖維板的熱壓傳熱特性的影響程度也不盡相同[65]。

在單板輥壓熱成型重組“原木”過程中，單板含水率和溫度變化規(guī)律是否呈現(xiàn)與人造板熱壓生產(chǎn)類似的分層變化，影響溫度和水分傳遞的因素及其貢獻(xiàn)度如何，是否可以借鑒木材干燥過程中的傳熱傳質(zhì)模型分析輥壓重組“原木”的溫度場和含水率場分布特性都充滿不確定性并有待深入研究。

5 結(jié)束語

綜上所述，目前已有的重組材制造技術(shù)多采用平壓法生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低、人工對紋理調(diào)控能力有限，裝飾仿真性較差，而輥壓重組“原木”技術(shù)未見報道，其成型過程中的力學(xué)變化、傳熱傳質(zhì)等機(jī)制尚不明確。如能通過研究逆原木旋切過程，揭示單板重組“原木”輥壓熱成型機(jī)制，必將為人造集成薄木的基材制備技術(shù)提供新的高效技術(shù)手段，并推動人造集成薄木制備的技術(shù)提升和快速發(fā)展。