桉树单板层积材的制造工艺和主要性能

林

SCIENTIA

业科

SILVAE

学

SINICAE

Vol143,No18Aug.,2007

桉树单板层积材的制造工艺和主要性能

余养伦　于文吉　王　戈

关键词:　桉树;单板层积材;静曲强度;弹性模量

中图分类号:TS65312　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-7488(2007)08-01-05

1

1

2

(11中国林业科学研究院木材工业研究所　北京100091;21国际竹藤网络中心　北京100102)

ManufacturingTechnologyandMainPropertiesfor

LaminatedVeneerLumberofEucalyptus

YuYanglun1　YuWenji1　WangGe2

(11ResearchInstituteofWoodIndustry,CAF　Beijing100091;2.InternationalCenterofBambooandRattan　Beijing100102)

Abstract:　Thehot2presstemperaturecurveswereresearchedandeffectsofhot2pressingtemperature,thicknessofveneerandthenumbersoflayeronmechanicalpropertiesoflaminatedveneerlumber(LVL)wereanalyzedwithemphasisinthepaper.Resultsshowedthattherewaspositiverelationshipbetweenhot2pressingtemperatureandmodulusofelastic(MOE);themodulusofrupture(MOR)ofLVLwasbestwhenmanufacturedat160℃.Whenthethicknessofveneerswas3125mmtheLVLusuallydestroyedduetoveneertearing;whilewhenthethicknessofveneerswas1170mmiteasilysplitedinadhesivelayer;themechanicalpropertiesofLVLwerebestwhenthethicknessofveneerswas1170mm;the3multinomialdegreesoffittingthenumbersoflayerswithMOEandMORofEucalyptusLVLmatchedverywell,theR2valuewere019516and019812,respectively.

Keywords:　Eucalyptus;laminatedveneerlumber(LVL);modulusofrupture(MOR);modulusofelastic(MOE)

随着木材需求量的增加,木材资源陡减,世界木材资源正经历着从主要来自天然林到主要来自人工林的重大转变,合理地利用人工林资源是林业研究的重要课题(,2002)。桉树(Eucalyptus)萌芽能力强、生长快、干形通直,现已成为世界上最具有经济活力和市场前景的人工林树种之一。全世界桉树种植面积800

223

万hm,我国的种植面积约为155万hm,木材蓄积量达6000万m(Turnbull,1991;殷亚方等,2001)。目前,桉树主要用于生产木片、造纸工业,也有部分用于木材加工和人造板工业。在人造板工业中,桉树主要用于纤维板生产,也有少量用于胶合板和刨花板生产。由于桉树的生长应力大,干燥过程中易产生皱缩、开裂,板材在锯解后易变形弯曲、开裂;木材耐腐性较弱,不易进行防腐处理;有脆心、应拉木和节疤等缺陷,极大地了桉树的高附加值和高效的利用。我国除了一些小型木材加工厂利用桉树人工林木材生产包装箱板和小工艺品以外,也有部分工厂采用桉树单板为芯板生产集装箱底板和水泥模板。

单板层积材(laminatedveneerlumber,LVL)是一种新型结构板材,与OSB、PSL、MDF一起为20世纪80年代世界各国新开发的一个人造板新品种,在美国、日本、芬兰等国家发展较为迅速(Gen,1999)。单板层积材单向叠层复合的结构特点决定了它是人造板材料中模拟树木生长形成木材天然特性(各向异性、层状结构等)最为逼真的一种材料(Baldwin,1995;Kamalaetal.,1999;Wangetal.,2005)。国内外对桉树单板化利用进行了一系列研究:分析了用桉树代替热带雨林阔叶材生产胶合板和LVL的可行性(Ozarska,1999;Jessica,2003);研究了单板等级、树种、热压工艺和胶种对桉树单板层积材物理力学性能的影响(Aydinetal.,2004;Wangetal.,2005);用BlackButt桉(Eucalyptuspilularis)生产的层积材胶合性能达到了耐久性结构用材料性能要求(Mathieuetal.,2004);用从海狸香[从大戟属(Euphorbia)植物中提取出的海狸香油(castoroil)]合成的油基聚氨酯胶和桉树试验生产7层14mm厚胶合板,胶合强度超过欧洲人造板标准(EN314-2,1993),静曲强度和弹性模量超过巴西胶合板标准(NBR9532)(Fabricioetal.,2004);探讨了桉树解剖构造、收缩率、桉树pH值、缓冲容量、热压工艺(包括压力、时间、温度)和涂胶量等对胶合性能影响,产品性能超过国家一类胶合板胶合强度要求(赵荣军,2002;余养伦等,2006)。但有关用桉树生产单板层积材在国内尚未见报道。

收稿日期:2006-03-15。

(2000-04-13)。基金项目:国家林业局“948”项目“桉树人工林木材材性与实木加工利用技术的引进”

　第8期余养伦等:桉树单板层积材的制造工艺和主要性能155

为了开发速生桉树小径材在木质结构材领域的应用,提高其利用价值,本文从单板层积材热传导性能、热压温度、单板厚度和单板层数对层积材静曲强度和弹性模量等性能进行研究,以求为桉树单板化利用提供一些借鉴。1　材料与方法

111　材料　桉树单板选用尾叶桉(E.urophylla),采自广东湛江,胸径15～20cm,幅面尺寸110cm×90cm,

含水率8%～9%。酚醛胶,取自太尔公司,固含量44%,pH值1215,粘度220mPa・s,密度11200g・cm。

试验设备:QD-100试验热压机,205B4C-20KC多端口测温仪,MWD-10B万能力学试验机,XL30ESEM-FEG场发射环境扫描电子显微镜,美国FEI公司。112　工艺流程　将单板裁成50cm×40cm(长×宽),放入烘箱中干燥,温度控制在60～80℃,终含水率控制在3%～4%。按试验设定的涂胶量,采用双面涂胶法涂胶。涂胶后陈放2h再进行组坯,放入热压机中热压,热压参数按试验设定进行。热压时采用厚度规,每组平行压制3张板,每张板各取3个试件,结果取其平均值。热压后的胶合板存放24h后裁边、取试件,试件的检测参照GBΠT17657-1999和GBΠT984611-984618-2004进行。

工艺流程:桉树单板→裁剪→涂胶→陈放→组坯→热压→取样→检测。113　工艺参数　采用单因素试验方法。固定工艺参数为:热压压力4MPa;热压时间110min・mm

-2

-3

-1

-3

;施胶

量250g・m;密度0170g・cm。变动工艺参数为:热压温度取130、140、160、170和180℃5个水平,板坯13层,单板厚度2125mm;单板厚度取1170、2125和3125mm3个水平,板坯取19、17和13层,热压温度140℃;单板层数取5、7、9、11、13、15、17、19和21层9个水平,单板厚度2125mm,热压温度140℃。2　结果与分析

211　桉树单板层积材热压升温曲线　木材热传导性能是木材加工和利用的重要物理性质。热传导性能是热压工艺制定的重要依据之一,与层积材的热压时间、板材力学性能、生产和经济效率密切关系。图1为热压温度分别为130、140、160和180℃时13层板坯中心层温度随时间变化的曲线图。随着热压温度的升高,升温速率增大,当热压温度为130℃,600s时芯层的温度仅为113℃,胶层达不到酚醛胶第二步固化温度120℃(黄发荣,2003);随着温度的增加,芯层的温度升高,当温度为140、160和180℃时,芯层达到120℃的时间分别为6、392和263s,随着热压温度升高,板坯内的温度梯度增大,传热速率加快;温度增加,单位时间内板坯形成的过热蒸汽蒸发量增多和过热蒸汽的温度升高,在压力的作用下,过热蒸汽将热量传递给板坯芯层,使芯层快速升温。图2为不同层数桉树板坯芯层升温曲线,从图2可以看出,随着层数的增加,板坯芯层升温速率减慢,芯层的温度较低,表芯板的温差扩大,5、7、9、11和13层芯层到达120℃的时间分别为108、160、253、402和6s,板材的厚度与升温速率并非线性关系,制定热压时间时应予以考虑。

212　温度对桉树单板层积材物理力学性能的影响　从表1可以看出:在密度相当的情况下,随着热压温度

的升高,层积材的MOE呈增加趋势,当温度从130℃升到140℃时,MOE增加了13%;当温度高于140℃时,MOE增速减缓。板材的MOR从130℃到160℃呈递增趋势,增幅为2315%;随着温度的再增加,MOR开始减小,当温度从160℃升到180℃时,MOR减小了719%。从胶黏剂角度考虑,在所测的温度范围内,温度升高对胶合强度是有益的。Hultzsch认为酚醛树脂固化反应分三步进行,当温度在120～140℃,羟甲基与酚核上活泼的氢缩合,同时醚键裂解失去甲醛而转变为次甲基键,这时脱出甲醛会与酚核上未反应的活泼氢失水缩合,形成交联结构,胶的强度大大增强(黄发荣,2003)。结合图1和图2,当层数为13层时,热压温度为140℃,9min左右板坯芯层温度就达到120℃,胶能进行第二步固化,当层数多于13层时,为使芯层温度达到120℃,应适当地增加热压温度,以提高胶合强度。　　从木材角度考虑,温度的影响较为复杂。在持续的温度和压力作用下,木材会发生弹塑性变形,使表面单板密实化,表层单板的力学性能提高,从而增强板材物理力学性能。但在压厚板时,当温度超过160℃时,木材发生热解,表面单板有明显的炭化迹象;此外在板坯内的余热在堆放过程中会造成胶层过度固化和热分解。这些对于板材的强度极为不利,故温度超过160℃,强度下降。

156林业科学43卷　

图1　不同热压温度13层板坯芯层的升温曲线

Fig.1　Thermotransfercurveof13layersπLVLmid2layer

indifferenthotpressingtemperature

图2　不同层数板坯芯层的升温曲线

Fig.2　Thermotransfercurveofmid2layerindifferent

layernumbersofLVL

　　从水分传输角度考虑,温度越高,板内的蒸汽压力越高,而单板会阻碍水分的迁移,水气集中在胶层处,以过热蒸汽形式存在,易产生鼓泡现象,特别是酚醛胶,在热压过程中有大量的水生成。观察试验过程,在压厚板时,当温度超过160℃,板材容易鼓泡,工艺难以控制。213　单板厚度对桉树单板层积材物理力学性能的影响　从表2可以看出:当单板厚度从1170mm增加到

-3

3125mm时,单板密度从0161g・cm

-3

下降到0149g・cm(厚单板裂隙大,结构疏松,测量密度较小),单板的MOR和MOE分别降低了42%和44%。单板旋切应力σ=ESΠ2ρ,式表1　温度对单板层积材物理力学性能的影响①

Tab.1　Effectsoftemperatureonthephysic2mechanicalpropertiesofLVL

热压温度TemperatureΠ℃

130140160170180

产品厚度

ThicknessofproductionΠmm24140241222412413324129

压缩率CompressionratioΠ%17109171241612715186161

密度DensityΠ(g・cm-3)01720170017101730171

静曲强度MORΠMPa

102(914)122(1115)126(1310)121(1117)116(1315)

弹性模量MOEΠMPa

123(511)13933(918)14503(914)13252(315)14941(819)

中:ρ为单板旋切的曲率半径,E为木　　①括号内为变异系数,下同。Valuesinparenthesisarecoefficientofvariation,thesamebelow.材横纹方向的弹性模量,S为单板的

表2　单板厚度对单板物理力学性能的影响①

厚度(华毓坤,2002)。从式中可以看Tab.2　Effectsofthicknessofveneeronphysic2mechanicalpropertiesofveneer出:单板厚度越厚,木段直径越小,旋切时单板的应力越大。当单板的应力大于木材横纹抗拉强度时,背面产生裂隙,单板的物理力学性能降低。从表2还可以看出:经过涂胶热压处理

单板处理条件单板厚度

Treatmentcondition

a

ThicknessofveneerΠmm1170(7126)

压缩率

Compression

ratioΠ%

密度

DensityΠ(g・cm-3)

静曲强度

MORΠMPa弹性模量

MOEΠMPa

Π0161(12127)136(20160)11427(28153)

b1162(4147)41140165(10111)141(19198)12019(28162)a2125(8192)Π0152(7166)90(18112)7801(19107)b2102(41)101220165(8143)138(13156)120(21104)

后,在密度相当的情况下,原单板厚度a3125(9193)Π0149(7180)79(11172)6347(20104)

b2169(5103)1615001(6179)127(10125)11652(12128)为1170和2125mm的单板条MOR和

　　　①试件的制作和测试方法参照纤维增强塑料弯曲性能试验方法(GBΠT1449-2005)。a

MOE相差不大,而厚度为3125mm的-2

为未处理,单板直接加工成试件;b为涂胶热压,单板经过涂胶(250g・m)、热压(140℃、1

-1

单板MOR和MOE明显低于前2种。min・mm、4MPa)加工成试件。ThespecimensweremadeandtestedaccordingtoGBΠT1449-20051astandsforun2treatment,specimensweremadedirectlyfromveneer;bstandsforglueandhot2

从表3可以看出:单板厚度对层pressing,specimensweremadefromveneertreatedwithglueapplication(250g・

m-2)andhotpressing

积材的MOR和MOE影响很明显,厚(140℃,1min・mm-1,4MPa).

度为2125mm的单板生产的桉树单板

表3　单板厚度对层积材物理力学性能的影响

Tab.3　Effectsofthicknessofveneeronthephysic2mechanicalpropertiesofLVL单板厚度

ThicknessofveneerΠmm

117021253125

产品厚度

ThicknessofproductionΠmm

28112810628109

压缩比

CompressionratioΠ%

10168171261913

密度

(g・DensityΠcm-3)

017001720173

静曲强度

MORΠMPa

99(11143)107(10121)94(10155)

弹性模量MOEΠMPa

11855(9153)12371(7178)10768(13149)

　第8期余养伦等:桉树单板层积材的制造工艺和主要性能157

层积材物理力学性能较其他2种效果好。厚单板的物理力学性能低,而单板的力学性能对层积材的力学性能影响极为显著(Wangetal.,2005)。如图3～6所示,厚单板增加了单板表面不平度和粗糙度,增大了比表面积,使单位面积相对涂胶量减少,在胶合时胶层容易出现缺胶而形成裂缝,因此厚单板生产的板材力学性能较低。在测试时,观察到厚单板层积材经常在单板间撕

裂而破坏如图7。当单板厚度较小时,容易在胶层剪切破坏如图8。在单位图3　不同厚度单板横截面特征面积涂胶量相同时,单板越薄相对涂胶量越大,胶层的应力越大,受载时容易Fig.3　Characteristicoftransverse引起胶层剪切破坏。主要原因是:首先,酚醛胶固化时要释放出水,卸压时,sectionwithdifferentthickness水蒸气突然释放,产生的瞬间冲击使胶层受到破坏;其次,酚醛胶和桉树单

板的热膨胀系数和材料力学性能不同,在降温和受载时容易在胶合界面产生很大、不均匀应力,从而使板材的性能降低;此外,薄单板相对施胶量大,胶与木材纤维胶合增强了木质纤维的强度,相对而言胶层却是薄弱环节,因此在做静力弯曲试验时,薄单板层积材会在胶层开裂。

图4　1170mm厚单板层积材胶合界面Fig.4　GluelineofLVLwith1170mmveneer

图5　3125mm厚单板层积材胶合界面

Fig.5　GluelineofLVLwith3125mmveneer

图6　剪切和撕裂破坏的横截面

Fig.6Fracturesurfaceoftransversesection

图7　单板间撕裂破坏

Fig.7　Fracturesurfaceoftearingintheveneers

图8　胶层剪切破坏

Fig.8　Fracturesurfaceofshearingingluelayers

214　单板层数对桉树单板层积材物理力学性能的影响　由表4和图9、10可以看出:随层积材厚度的增加,

板材的MOR和MOE都随着减小。当层积材的厚度从9131mm增加到38194mm时,板材的MOR和MOE分

2

ε=12s・别减小了约42%和24%。对于桉树单板层积材任意层的应变按下式计算(王耀先,2001):ddyΠl,式

2

中:ε为应变,s为试样跨距中点处的挠度,y为距层积材中性面的距离。当y=hΠ2时,此时的ε=6s・hΠl

表4　单板层数对层积材物理力学性能的影响

Tab.4　Effectsoflayernumbersonthephysic2mechanicalpropertiesofLVL层数

Layernumbers

579111315171921产品厚度

ThicknessofproductionΠmm

9131

1310517108201372410627173311493419738194压缩比CRΠ%17128171131516317168171741718417168181217156密度(g・DensityΠcm-3)017201700167017101710171017201730172静曲强度MORΠMPa146(1311)135(1219)114(813)122(919)108(816)103(712)100(813)98(713)84(1310)弹性模量MOEΠMPa13652(1217)12600(916)12076(812)12008(518)119(1113)11604(615)11078(914)10720(1011)10435(413)158林业科学43卷　

为层积材表层的应变。随着板材厚度的增大,最外层单板应变增大,根据最大应变准则,当最外层应变达到极限应变时,最外层开始破坏,在继续加载时,板材的刚度发生调整,整体刚度有所下降,但该层的破坏并不意味着整个层积材的破坏,层积材仍可以承受更大的载荷,直至所有铺层都失效后,整个构件才算完全破坏。板坯厚度增加,层间剪切应力增大,弯曲刚度系数减小,强度降低。通过三阶多项式拟合结果可以得

3

出:弹性模量与层数的回归方程为y=-116065x+

22

671539x-103919x+17262,x为层积材的层数,R值为

3

019812;静曲强度与层数的回归方程为y=-010269x+

22

111517x-1813999x+213126,R值为019516。3　结论

图9　单板层数与静曲强度关系

Fig.9　RelationshipsbetweenlayernumbersandMOR

热压温度对板材物理力学性能的影响是一个复杂的物理化学反应过程。在所测试的温度范围内,随着热压温度的升高,层积材的MOE呈增加趋势,当温度从130℃升到140℃时,MOE增加了13%;当温度高于140℃时,MOE增速减缓。板材的MOR从130℃到160℃增幅为2315%;当温度从160℃升到180℃时,MOR减小了719%。

当单板的厚度从1170mm增加到3125mm时,单板的图10　单板层数与弹性模量关系MOR和MOE分别降低了42%和44%。单板厚度为3125mmFig.10　RelationshipsbetweenlayernumbersandMOE的层积材经常在单板间撕裂而破坏,而单板厚度为1170mm容易在胶层剪切破坏,厚度为2125mm的单板生产的桉树单板层积材物理力学性能较其他2种效果好。

随着层数的增加,桉树单板层积材的弹性模量和静曲强度降低,从5层增加到21层,层积材的MOR和

32

MOE分别减小了约42%和24%。弹性模量与层数的回归方程为y=-116065x+671539x-103919x+

2322

17262,R值为019812;静曲强度与层数回归方程为y=-010269x+111517x-1813999x+213126,R值为019516,拟合效果较佳。

参考

文

献

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(责任编辑　石红青)