竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)長材加工方法的研究.doc

用間歇冷熱冷法壓制竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)長材 王傳耀 楊文斌 陳剛 （福建農(nóng)林大學材料工程學院，福建 福州 350002） 摘要 ：研究用間歇冷熱冷法壓出竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)連續(xù)長材的加工方法。試驗采用竹集成層為表板與木單板層積層為次中板、竹絲集成層為中間芯板的5層對稱均衡組坯工藝；設(shè)計裝配一條間歇冷熱冷熱壓長材生產(chǎn)線；試驗工藝采用正交試驗法，得出板厚17mm使用UF膠時的較佳工藝為熱壓溫度120、單位壓力2.4Mpa、熱壓時間16min（使用噴蒸裝置可顯著縮短至11min）、雙面施膠量240g/，達到試驗預(yù)期較優(yōu)指標。關(guān)鍵詞：竹木復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)用長材；加工工藝；設(shè)備;噴蒸裝置 中圖分類號：TS653.929Study on the processing the long Bamboo-Wood Composite Materials, using method of the cold-hot-cold. press WANG Chuan-yao, YANG Wen-bin, CHEN Gang (College of Materials Engineering, Fujian Agricultural and Forestry University Fujian Fuzhou,350002,China) Abstracts： Study on the processing the long bamboo-wood composite materials using method of the cold-hot-cold press. The experiment uses five symmetries balanced groups craft that uses the bamboo integration as the table board ,the wooden veneer stacking as the order in the board and the bamboo filament integration as the among core level. Necessary reequips the cold - hot cold press unit, takes the continual long lumber with the batch process hot press; After using the orthogonal testing method and the FU rubber, thick board, 17mm, obtains the good craft of the hot pressing temperature 120, unit pressure 2.4MPa, hot pressing time 16min（using the Steam-impacting press can greagly shorten the hot pressing time on 11min）, spreading the rubber to measure 240g/M2.Achieves the experimental anticipated advanced target.Keyword： Bamboo-wood composite materials; long structural lumber; production technology; equipment; unit of steam jet用于建筑行業(yè)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)長材，其規(guī)格化的長度一般為4、6、9、15 m（如檁條跨度一般為4、6、9 m）；而普通幅面1 220 mm2 440 mm熱壓機一般僅適用于生產(chǎn)小于2.44 m家俱用板材，限制了規(guī)格長材的生產(chǎn)，造成建筑結(jié)構(gòu)用長材生產(chǎn)較大的困難與市場供應(yīng)的緊缺。國外木質(zhì)結(jié)構(gòu)長材有木質(zhì)集成材、單板層積材（LVL）、膠合梁等,已在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用。LVL被大量用于生產(chǎn)I字型樓板托梁，年消費量1997年比前10 a增長近5倍達105萬m3;北美以每年20%的速度在增長1。目前，國內(nèi)所需木質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)長材一般靠進口。國外有生產(chǎn)長材的熱壓生產(chǎn)線，進口設(shè)備價格以數(shù)億元計，國內(nèi)中小企業(yè)一般無法接受。因此，能否利用現(xiàn)有普通幅面1 220 mm2 440 mm熱壓機，通過設(shè)計改造，開發(fā)一種新的“冷熱冷”加工工藝，即以間歇式冷熱冷熱壓方法生產(chǎn)出連續(xù)竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)長材，來替代進口產(chǎn)品的適用技術(shù)，就顯得很有必要。所謂竹木復(fù)合材料是指竹材與木材以相同或不同的結(jié)構(gòu)單元形式進行組合及膠接而成的復(fù)合板材或方材2。竹材與木材相比較，具有強度高、韌性大、剛性好、易加工等特點，竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)板材性能優(yōu)于同類木質(zhì)產(chǎn)品。復(fù)合材料的組分材料雖然保持其相對獨立性，但其性能卻不是簡單疊加，而是有著重要改進3-4。竹木復(fù)合可有效地發(fā)揮竹、木材各自的優(yōu)勢，科學地確定組合形式和膠合工藝，可獲得既降低竹木材利用成本，又提高產(chǎn)品質(zhì)量的雙重效果。長材指長度大于5 m。1 試驗設(shè)計、材料與方法設(shè)計裝配一條適用于生產(chǎn)竹木復(fù)合長材的冷熱冷熱壓生產(chǎn)線，創(chuàng)新采用冷熱冷熱壓主基金項目：國家自然科學基金項目（30371134）;福建省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金重點項目（2001C040W）資助.第一作者簡介：王傳耀（1948），男，福建福州人，副教授，從事木材科學與技術(shù)研究.機、斜接-指接雙用長拼機、可伸縮側(cè)面噴蒸裝置與竹木復(fù)合集成-層積結(jié)構(gòu)組坯法，其中，獨創(chuàng)竹絲集成層定向組坯層壓方法，既提高廢料綜合利用率，又提高結(jié)構(gòu)材力學性能5-6 。1.1試驗設(shè)計 無現(xiàn)成的連續(xù)熱壓國產(chǎn)設(shè)備可用，從工業(yè)化生產(chǎn)看，需研制開發(fā)新工藝和新的設(shè)備。試驗設(shè)計采用1套間歇式冷熱冷熱壓法壓制連續(xù)長材的生產(chǎn)線，可用于批量生產(chǎn)連續(xù)長材，主要包括5臺主機：輥筒進料臺、指接-斜接雙用長拼機、復(fù)合組坯升降臺、冷熱冷熱壓主機與可升降出板運輸臺。其組成見圖1所示。工藝過程：各組坯層材料按組坯需要放入輥筒進料臺1、經(jīng)指接-斜接雙用長拼機2拼長至需要長度，再依次輸入復(fù)合組坯升降臺3組坯，再輸入冷熱冷熱壓主機4,按工藝要求壓板后出板、堆垛。主要工作原理：（1）長拼機用于單板斜接拼長或?qū)影逯附悠撮L。設(shè)計2套拼長裝置，一套不用 1輥筒進料臺， 2指接-斜接雙用長拼機， 3復(fù)合組坯升降臺，4冷熱冷熱壓主機 （4-1熱壓機、4-2、4-3冷壓機，4-4側(cè)面噴蒸裝置），5可升降出板運輸臺， 6板垛圖1冷熱冷熱壓生產(chǎn)線組成示意圖 Fig1 The reequips a cold-hot-cold press unit時可升起，可按需要靈活選用斜接或指接。（2）主熱壓機組4利用BY6148/9型單層貼面熱壓機（總壓力9 000 kN）改裝，增設(shè)用于熱壓厚板的可伸縮側(cè)面噴蒸裝置，再在前后各串接一臺總壓力5 000 kN的冷壓機（用預(yù)壓機加強制裝冷卻水系統(tǒng)，水泵壓力0.7 MPa），其中，熱壓機按所需的熱壓工藝操作，前端冷壓機起預(yù)壓和冷作用；后段冷壓機則起消除前端熱壓溫度對已壓長材坯的影響，并冷卻定型后出板作用。（3）側(cè)面噴蒸裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2（因兩側(cè)對稱，只畫出右側(cè)一半）。噴蒸模塊靠同步伸縮油缸作用可伸進熱壓板(1015 cm)，最適用壓制窄幅厚板時近距離噴蒸處理。改裝現(xiàn)場在某木業(yè)企業(yè)二次加工車間。 1、2同步伸縮油缸 3、4同步側(cè)面噴蒸模塊 5過熱水蒸氣罐 1竹片集成層， 2單板層積層， 3竹絲集成層 圖2可伸縮側(cè)面噴蒸裝置 圖3竹木復(fù)合材結(jié)構(gòu)示意圖 Fig3 The construction Fig2 the equipment of steam jet on both sides of the long Bamboo/Wood Composite Materials 其它設(shè)備采用常規(guī)膠合板、竹膠板、細木工板設(shè)備，增設(shè)生產(chǎn)竹絲集成層的剖絲機與自動銑榫指接機，由某綜合木業(yè)企業(yè)提供。試件物理力學性能試驗機等檢測設(shè)備，由學校實驗室自備。1.2試驗材料與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)竹木材分別采用南平5-8年生毛竹和杉木間伐材， 一般毛竹與杉間材比例為6：4搭配。膠料采用低游離醛改性脲醛膠，F(xiàn):U=1:1.12。試制產(chǎn)品采用5層對稱結(jié)構(gòu)均衡組合，結(jié)構(gòu)方案見圖3所示：即表底面用竹材集成層，緊靠表底層用單板層積層，中間層用竹絲集成層。1.3主要工藝路線竹質(zhì)集成層制備木單板層積層制備復(fù)合組坯冷熱冷連續(xù)熱壓裁邊砂光成品1.3.1竹質(zhì)集成層制備（1）竹片集成層的制備方法：徑向剖分竹片側(cè)立施膠拼寬斜接拼長預(yù)壓間歇式連續(xù)熱壓鋸邊定厚砂光指接拼長(按所需長度,下同)半成品。其中,斜接磨削機磨削斜面3 5。用改性脲醛膠的熱壓壓力為0.8 1.0 Mpa、溫度為120 。(2) 竹絲集成層的制備方法：非規(guī)格短竹材剖分成束竹絲成束浸膠干燥順纖維定向鋪裝、層壓定厚砂光截斷、指接拼長半成品。1.3.2木單板層積層制備工藝 杉木厚單板干燥施膠、斜接拼長多層組坯熱壓鋸邊定厚砂光指接拼長半成品。新伐衫間材,可直接旋切;存放較干材,應(yīng)蒸煮80 90 軟化,在未冷卻前立即旋切,單板厚度1.5 2.5 mm,寬度與長度按材質(zhì)取舍或取規(guī)格長。 表1 正交試驗水平及因素表1.3.3 組坯工藝 Table 1 Levels and factors of orthogonal test 水平 因 素A B C D1 100 2.215 2102 110 2.416 2403 120 2.617 270五層對稱結(jié)構(gòu)均衡組合：將竹質(zhì)材處于表層，具有硬度大強度好的特點；木質(zhì)材處于次中層，具有膠合力強，可降低密度的優(yōu)點；中間層采用竹絲集成層，強度較好，又提高竹材利用率。1.3.4 熱壓工藝 表 2 正交試驗結(jié)果采用間歇式冷熱冷法熱發(fā)壓出連續(xù)長材，需 要檢驗 Table 2 Results of orthogonal test 序號 MOR/MpaMOE/MpaIB/Mpa186.276591.95298.586206.33106.688306.0489.391205.15105.080103.1687.569502.57103.288305.2895.371202.19105.281935.8產(chǎn)品（特別是兩次熱壓交界處）的物理力學性能，為與常規(guī)方 法對比，先不用噴蒸處理，設(shè)計用正交試驗法，尋求優(yōu)化熱壓工藝參數(shù)。試驗熱壓中板或厚板（17mm）時，再試用側(cè)面噴蒸裝置。1. 4正交試驗試驗指標預(yù)期值見表5。試樣名義厚度17 mm (組坯厚度18.5 19.5mm)，幅面920mm5000mm，選A熱壓溫度/、B單位壓力/MPa、C熱壓時間/ min 、D雙面施膠量/gm-2 4個 因素，每個因素取3個水平，適用的正交表為L9（34），見表1。 正交試驗結(jié)果與極差分析分別見表2、表3。 2.結(jié)果與討論 2.1 結(jié)果 2.1.1影響因素主次排列按極差大小對各個性能指標的影響因素主次排列如下：CABD / CBDA /CADB；結(jié)合生產(chǎn)率、板坯壓縮率、生產(chǎn)成本等因素，綜合判定影響因素主次為：CABD . 表3 正交試驗結(jié)果極差分析 Table3 The maximum variation analysis of the results級差因 素 A B C DMOR / MOE / IBMOR / MOE / IBMOR / MOE / IBMOR / MOE / IBK1jK2jK3jRj97.10 / 8 369.7 / 4.7593.93 / 8 026.7 / 3.57101.23 / 8 047.7 / 4.377.30 / 343.0 / 1.1892.90 / 8 536.3 / 4.0899.60 / 7 916.7 / 3.8399.77 / 7 991.0 / 4.776.87 / 619.7 / 0.9489.67 / 7 243.0 / 2.1897.67 / 8 644.3 / 5.73104.93 / 8 556.7 / 4.7715.27 / 1 401.3 / 3.5598.80 / 7 954.0 / 3.6296.40 / 8 133.3 / 4.6797.07 / 8 356.7 / 4.402.4 / 402.7/ 1.05注：MOR靜曲強度、MOE彈性模量、IB膠合強度，單位均Mpa,下同。2.1.2顯著影響因素結(jié)構(gòu)長材對靜曲強度與彈性模量有較高要求，以A、D列為誤差項進一步進行方差分析，可得到熱壓時間均對其有顯著影響（各指標均方比分別為6.965/15.869/10.17均大于F0。05(2,4) =6.94），而單位壓力、熱壓溫度、施膠量均對其無顯著影響的結(jié)論。2.1.3優(yōu)化熱壓工藝組合 從試驗指標結(jié)果并從直觀分析看，優(yōu)化工藝組合為A3（熱壓溫度120）、B2（單位壓力2.4Mpa）、C2（熱壓時間16min）與D2（施膠量240g/.雙面）。多施膠，對力學性能影響不大卻加大施膠成本；少施膠，則可明顯降低力學性能,（如試件1的膠合強度1.95MPa2Mpa預(yù)期值）。若提高單位壓力與延長熱壓時間均會增加板坯壓縮率損失，對靜曲強度MOR有所增大，但對主要指標彈性模量MOE與膠合強度IB影響卻不大。 據(jù)此工藝組合作重復(fù)試驗。外觀檢驗沒有發(fā)生翹曲、扭曲現(xiàn)象，翹曲度小于1%。取樣（試件除按規(guī)范截取外，特別在兩次膠合結(jié)合處截?。?，經(jīng)權(quán)威部門檢測，性能指標達到預(yù)期要求,與國外先進指標比較，優(yōu)于特等鋸材、膠合梁，基本達到最優(yōu)質(zhì)的單板層積材指標（1項接近、2項達到），見表4。 表4 竹木結(jié)構(gòu)材檢測指標與木質(zhì)結(jié)構(gòu)材性能比較2.1.4噴蒸處理效果 Table4 The properties of the compared性能指標類別MOR/ MpaMOE/ MpaIB/Mpa甲醛釋放量/mgL-1竹木結(jié) 預(yù)期值構(gòu)材 檢測值35800021.5108.991706.411.35特等鋸材T301170001.0膠合梁L401484001.2單板層積材18100001.7 按優(yōu)化工藝條件，在每次熱壓開始與中間分別進行兩次2min噴蒸，經(jīng)試制 可 縮短固化時間 16s/(從50 s/降為34 s/)即C2從16min縮短為11min（取9個 試件 的平均值），并檢測主要物理性能： MOR（縱向Mpa）為99.9、MOE（縱向 Mpa）為8358、IB(Mpa)為4.45均達到要求。已有一定效果，但由于初試條件不夠理想，還具有進一步縮短固化時間的潛力。 2.2 討論前端冷壓機起預(yù)壓和冷卻阻擋后端熱壓板傳遞給的大量熱量的作用；后段冷壓機則同步消除前端熱壓溫度對已壓長材坯的影響，并冷卻定型后出板，可有效防止長材坯的扭曲變形。（3）側(cè)面噴蒸裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2（因兩側(cè)對稱，只畫出右側(cè)一半）。噴蒸模塊靠同步伸縮油缸作用可伸進熱壓板(10-15cm)，最適用壓制窄幅厚板時近距離噴蒸處理。由于板坯的蒸汽透過性在與熱壓板子平行的水平方向較高，故從側(cè)面噴蒸，用來制造單板層積材等材料效果較好。其中，在破竹機后同步串接剖絲機將剖分成成束竹絲。根據(jù)復(fù)合材料的力學理論，板材在受到垂直板面的外加載荷作用時，彎曲應(yīng)力主要由靠近表層的材料承擔，芯層材料主要承受剪應(yīng)力作用，強度大的材料距離板材厚度中心愈大可承受彎曲應(yīng)力愈大。因此將表、芯層材料經(jīng)合理搭配，可制成具有高性能、低成本的竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)板材。（1）理論上可以生產(chǎn)熱壓板有效長度整數(shù)倍的長材，實際上受生產(chǎn)廠地、傳輸帶與鋪裝臺工作長度、各層板坯可連續(xù)預(yù)鋪裝長度等因素的影響，僅適用于生產(chǎn)15m以內(nèi)的長材。特別適用于生產(chǎn)9m以內(nèi)的長材：竹質(zhì)集成層可以直接拼長膠壓至組坯長度備用；單板層積層也可以用三張以上單板經(jīng)斜接拼長，在組坯臺上直接鋪裝。生產(chǎn)大于9m長材，分別需要單獨制作(57.5)m長竹質(zhì)集成層或單板層積層，再二次指接膠合至所需長度。（2）進一步解決厚板熱壓周期較長的問