（木材科学与技术专业论文）木质层积复合材热压内部环境研究.pdf

摘要 论文对木质层积复合材热压过程中板坯内部环境进行了模拟研究，研究的总目标是 在已有的物理、数学、数值方法、计算机模拟、热工学、传递过程原理、木材学、木质 材料流变学、胶粘剂化学等工程理论基础上，建立木质层积复合材热压过程中板坯内部 环境的模型，利用这些模型由计算机模拟出木质层积复合材的热压过程，通过虚拟热压 的形式了解热压过程中板坯内部环境随时间和空间的变化。这样可以进行热同性树脂胶 粘剂固化过程中的热效应模拟研究，木质层积复合材热压过程中热传导效应的模拟研 究，热压过程中板坯内部气体环境的研究，木质层积复合材热压模型化的空间条件和时 间条件研究以及模型的计算研究等。通过对木质层积复合材热压过程中板坯内部环境的 模拟研究可以研究和预测热压过程中板坯内部的胶粘剂的固化程度、各离散点的温度、 空气浓度、空气分压、水蒸汽浓度、水蒸汽分压和气体总压力。论文也进行了热压过程 中板坯内部环境试验研究，包括术材单板热压导热研究，木质层积复合材热压过程中板 坯内部温度环境试验研究。这些研究为更好地设计板材的生产工艺，控制并预铡板材的 最终质量，实现木质复合材及其结构的材料设计，提高木质复合材制造的科学性和目的 性，并且为开发毅型木质复合材奠定基础。 关键词木质屡积复合材；热压；内部环境；模型 东北林业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e dt h es i m u l a t i o no fi n t e r i o re n v i r o n m e n to ft h ew o o d c o m p o s i t e sp l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g t h er e s e a r c h st o t a lt a r g e ti st os e tu pt h em o d e l o f t h ei n t e r i o re n v i r o n m e n to ft h ew o o dc o m p o s i t e sp l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g ，o nt h eb a s i s o ft h et h e o r yo ft h ep h y s i c s ，m a t h e m a t i c s ，n u m e r i c a lm e t h o da n a l y s i s ，s i m u l a t i o nb yc o m p u t e r , p y r o l o g y , t h e o r yo ft r a n s f e r , w o o ds c i e n c e ，r h e o l o g yo fw o o dm a t e r i a l ，c h e m i s t r yo fr e s i n a d h e s i v e s oc o m p u t e rc a ns i m u l a t et h ep r o c e s so fh o tp r e s s i n go fw o o dl a m i n a t e dc o m p o s i t e s u s i n gt h e s em o d e l s ，a n dk n o wt h ev a r i a t i o no ft h ep l a t eb l a n ke n v i r o n m e n ti nt i m ea n ds p a c e d u r i n gh o tp r e s s i n g s ow ec a ns i m u l a t e h e a to ft h e r m o s e t t i n gr e s i na d h e s i v e ，r e s e a r c h s i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f o r m a t i o nd u r i n gh o tp r e s s i n go fw o o dl a m i n a t e dc o m p o s i t e s ，r e s e a r c h t h ei n t e r i o rg a se n v i r o n m e n to fp l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g ，r e s e a r c hs p a c ec o n d i t i o na n d t i m ec o n d i t i o no f t h em o d e l ，a n dc a l c u l a t i o nm e t h o do f m o d e l ，a n ds o0 n t h r o u g ht h e s ew o r k ， c a nr e s e a r c ha n df o r e c a s tr e s i nc u r ei n d e x ，t e m p e r a t u r e ，a n dd e n s i t yo fa i r , p a r t i a lp r e s s u r eo f a i r , d e n s i t yo f v a p o u r , p a r t i a lp r e s s u r eo f v a p o u r , t o t a lp r e s s u r eo f g a s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a l s o r e s e a r c h e di n t e f i o re n v i r o n m e n to fp l a t eb l a n kb ye x p e r i m e n t s a n ds t u d i e do nw o o dv e l l e e r h e a tt r a n s f e r , t e s t e ds t u d yo nt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to fp l a t eb l a n ko fw o o dl a m i n a t e d c o m p o s i t e sd u r i n gh o tp r e s s i n g t h e s er e s e a r c hi n c l u d es t u d yo nw o o dv e n e e rh e a tt r a n s f e r , t e s t s t u d yo nt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to fp l a t eb l a n ko fw o o dl a m i n a t e dc o m p o s i t e sd u r i n gh o t p r e s s i n g t h e s ew o r k sa r eu s e f u lt or a t h e rb e t t e rd e s i g nm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s ，c o n t r o la n d f o r e c a s tt h ef i n a lq u a l i t yo fm a t e r i a l ，r e a l i z ed e s i g no fw o o dc o m p o s i t e sa n di t ss t r u c t u r e ，r a i s e t e c h n o l o g yo fw o o dc o m p o s i t e sm a n u f a c t u r i n g ，a n dd os o m eb a s i cw o r kf o rd e v e l o pn e ww o o d c o m p o s i t e s k e y w o r d s w o o dl a m i n a t e dc o m p o s i t e s ；h o tp r e s s i n g ；i n t e r i o re n v i r o n m e n t ；m o d e l n 1 绪论 e e l l _ _ _ _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ l _ - e 日_ _ _ l 口_ _ l _ _ l _ l l - _ _ e l j 目_ l _ _ j 日_ _ j _ l _ - _ _ - _ - i i l 1 绪论 1 1 课题背景 随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，建筑业、家具工业、室 内外装饰业等行业对术质复合材的需求量越来越大，特别是由于木质复合材的原料具有 可再生性的特点，属于环保材料，并且能变废为宝，因此它使用上的优势和深入研究的 必要性不言而喻，具有十分重要的意义。在“九五”期间，我国在以木材为基材的复合 材料方面的研究和生产取得重大进展，并正向着功能强、性能优、资源可持续利用的方 向发展。以小径木、加工剩余物为主要原料制成的木质复合材产品强度高、材质均匀稳 定，使用性能优于天然木材，并已经得到广泛应用。但是由于木质复合材料属于多种物 质复合，制造过程中包括高温高压的过程，整个过程中存在多种复合机理和相变过程， 因此在实际生产中，即使是经过研究和试验制定的工艺，在复合材料制造过程中仍然会 产生缺陷，造成材料和能源的浪费，究其原因主要是对木质复合材制造过程中的重要一 环一热压过程中板坯内部环境变化规律的研究不足，认识不够，因为板材热压过程中内 部环境的参数决定了各种材料间的复合效应和界面效应，进而决定板材最终的性能。在 本质复合材制造过程中，热压是一个最重要的阶段，疏松的板坯按照适宜的热压工艺压 制成板材，传统的热压工艺参数的确定，包括热压板的温度、热压时间、压力和热压曲 线等都是按照经验的方法来确定，根据生产实践表明，这存在很大的误差，并且需要反 复多次试验。随着木质复合材制造技术的发展，木质复合材的原料特别是多种原料复合 时的生产工艺发生了很大的改变，由于整个热压过程中木质材料内部环境发生复杂的物 理与化学变化，而这些变化与板材的性能( 力学强度) 直接相关，因此为了进一步提高 板材的质量，优化生产工艺，做到材料设计，有必要对木质复合材热压时的内部环境与 板材的性能关系理论进行深入研究。 论文研究的木质层积复合材热压过程中内部环境包括材料内部温度、水蒸汽压力、 空气压力、结合水的含鹰和胶粘剂固化程度等。参考其它种类的复合材料研究资料表 明，这些内部环境指标与所青4 造复合材的最终质量有密切的关联，而这些内部珏境擐播 又是由复合材制造时的热压参数及热压工艺决定的，热压参数如热压温度、总的加压时 问、压力闭合的时间、及材料的初始条件( 材料的初含水率和温度) 在生产过程中能够 进行控制，如果能建立制造参数和内部环境指标的模型联系，通过计算机模拟后，板材 的制造者在对热压过程中内部环境随时间和空间变化更准确掌握的基础上，能够更好的 设计板材的生产工艺，控制并预测板材的最终质量，极大提高木质复合材制造的科学性 和目的性。 该项研究所建立木质层积复合材热压过程中内部环境的数学模型及模型的计算机模 拟结果对于认知复杂木质材料加工过程提供了一个很好的途径，模型也能用来优化热压 参数以达到提高木质层积复合材的热压质量、缩短热压时间提高生产效率的目的，对于 本质材料与其它材料的进一步复合也具有指导意义，特别是作为实现木质材料智能生产 系统的基础工作，因此该项研究的成果具有重要的意义【卜鄞。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 关于热压内部环境模型的研究 从最初对于传统木质人造板材的热压过程研究开始，国内外许多研究者一直在实验 室条件下对木质复合材热压过程的内部环境进行研究，但由于这项研究的复杂性，其关 键问题一直没有得到解决。k e l l e y ( 1 9 7 7 ) ，s t i c l d e l ( 1 9 5 9 ) ，m a k u ( 1 9 5 9 ) ， k a m k e ，c a s e y ( 1 9 8 8 ) 研究并建立了一些经验数据。这些经验数据用来统计分析热压 板温度最初的含水率和板子的最终密度对板子的性能的些变量的影响。这种方法的 不利之处在于，虽然可以观察到一般的趋势，但数据的有效性仅适用于试验范围。为了 弥补这种试验方法的缺陷，国外的学者开始采用数学模型的方法来研究木质复合材热压 过程。 b o w e n ( 1 9 7 0 ) 最早建立刨花板的二维方向上的温度和含水率分布模型，他通过 测量温度数据和有限差分模型去预测传导热和潜能热对材料中热传递的影响。他认为除 了热传导以外，胶粘剂的聚合热也起到很大的作用。辐射热和压缩热也被提出来考虑影 响热的传导和生成。模型建立在一个半经验的方法上。因此，模型仅对于研究中的刨花 板是有效的。 h u m p h r e y ( 1 9 8 9 ) ，b o r o n ( 1 9 8 9 ) 的几篇相关的文章描述了刨花板热压时热和水 分的传递模拟模型。在模型中包括了热和质的传递其中包括对流、传导、团块流动和水 相的改变。该模型能够预测温度。蒸汽压力和平衡含水率在半径和垂直方向上的值。板 子角部的内部环境也可以通过插值的方法计算，但模型忽略了压机闭合时间和胶粘剂放 热的影响。 h a t l e s s ( 1 9 8 7 ) 等人是第一个认识到板材最终质量与内部温度和压力分布存在关系 的研究者e 模型用来模拟热和含水率对密度分布的响。模型虽然比较全面，但也有很多 限制，问题简化到了一维。假设了板材宽和长是无限大的，特别是忽略了外界环境对板 材边部条件的影响。并且仅考虑了热的传导而忽略了对流热，因此在能量方程中没有考 虑蒸气的潜伏热。 c a r v a l h oa n dc o s t a ( 1 9 9 8 ) 建立了中密度板材热压三维模型，这个模型以s t a n i s h ( 1 9 8 6 ) 提出的干燥模型为基础，假设中密度板材为实木，模拟了典型的热压过程，并 对模型结果与实验结果进行了比较与分析。c a r v a l h oa n dc o s t a ( 2 0 0 3 ) 将该模型进一 步细化。 膏信息表明( 2 0 0 4 ) 年加拿大阿尔博塔科学院的林产品研究所正在进行木质复合材 热压过程中热和质传递方面研究。 目前对于生物质复合材热压过程板坯内部环境模型的建立与研究在该学科领域是 热门研究课题，并且不断取得新的成果，这方面研究的发展趋势是：木质材料热质传导 的基础研究、较全面条件的模型建立和模型结果计算机模拟等方面。 这项研究属于学科交叉性较强的研究，整个研究体系涉及到了物理、数学、胶粘剂 l 绪论 = = j = ，= ，_ - 衄i i i 墨 化学、热工学、质传递原理、计算机模拟、木材学、术质材料流变学等学科的知识，在 术质复合材热压过程中内部环境和热质传递方面的研究，特别是传热和传质共同作用对 内部环境影响的研究仍是当前国际相关领域研究的关键性难点。国内的相关研究工作基 本还是空自，虽然有过一些研究，也只是单项研究。根据文献。北京热能研究所对木材 热压的热传导现象进行了研究( 2 0 0 1 ) ，中南林学院对于无胶纤维板板坯的热传导进行 了研究( 2 0 0 4 ) f 和3 0 1 。 1 2 2 关于热压内部环境试验的研究 根据已有的文献记载，木质复合材料热压过程中板坯的内部环境研究除了理论研究 之外还应该采用试验的方法，为了测量内部环境中温度和气体压力的变化，可以将热电 偶和压力探针放置到材料中来确定压制参数与材料内部环境的关系。 图i - 1 圜外制造定向刨花板时所使用的压力与温度传感器 f i g 1 - it h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o rf o rm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c a lb o a r d 国外从很早开始就开始这方面的研究，有文献表明m a k u ( 1 9 5 9 ) ，s t r i c k l c r ( 1 9 5 9 ) ，b o w e n ( 1 9 7 0 ) 的研究中使用了热电偶放置到材料中用来监控温度的变化规 律。h u m p h r e y ( 1 9 8 2 ) ，k a m k e 和w o l c o t t ( 1 9 8 8 ) ，c a s e y ( 1 9 8 7 ) ，w a n g ( 2 0 0 0 ) 的 几篇研究报告中都描述了使用热电偶和压力传感器来实时测量温度和内部气体压力的改 变。如k a m k e 和w o l e o t t ( 1 9 9 1 ) 放置了温度和压力探针在材料的临界位置，用来测量温 度和压力的瞬间改交，测量得到的温度和压力值可以转化去说明刨花周围气体的相。 s t e f f e n ( 1 9 9 9 ) 描述了个连续施压过程中内部压力和温度监控系统。c a r v a l h o ( 2 0 0 3 ) 在研究中密度纤维板热压模型时使用压力传感器测定了板坯内部压力。目前， 测量人造板内部温度和压力在板子内已经成为工业中的一项应用措旋，测量压力的成套 设备有p r e s sm o n i t o r ( g pr e s i n si n c 。a t l a n t a ，g e o r g i a ) 和p r e s m a n ( a i b e r t ar e s e a r c h c o u n c i l ，e d m o n t o n 。a l b e r t a ) 。 东北林业大学顾士学位论文 1 3 研究方法与应用软件简介 木质层积复合材热压模型化研究的方法采用数学建模、计算机模拟求解与实验相结 合的方法。论文研究的技术路线确定为从初期试验开始，通过试验初步掌握木质层积复 合材热压过程中内部环境各项参数的变化规律，根据变化规律利用相关物理、数学等理 论归纳总结后建立数学模型，然后进行模型求解的研究，同时将该模型建立起来的热压 过程利用计算机模拟，最后将模拟的结果用于指导木质层积复合材的制造。在整个研究 过程中，数学建模、数值计算方法、计算机应用是非常重要的研究手段。 1 3 1 数值计算方法简介 数值计算方法是2 0 世纪6 0 年代初发展起来的，由于数学发展水平的局限，理论研 究的方法往往只局限于比较简单的物理模型。生产技术的日益提高要求能研究更复杂更 符合实际的过程。随着高速计算机的出现，以及一系列有效的近似计算方法( 如有限差 分法、有限元法等) 的发展，使得数值计算方法成为具有重要意义的研究方法，数值计 算方法的目的就是为求解各类数学问题去构造算法、分析算法和使用算法。所谓算法就 是由基本运算及规定的运算顺序所构成的完整的解题步骤。构造算法应以计算机所能执 行的运算为依据。分析算法就是在数值计算类闯题中，主要分析算法的收敛性、稳定性 和误差估计等，在逻辑计算类问题中判断算法的时间复杂性和空间复杂性。 1 3 2m a t l a b 中的偏微分方程工具箱简介 偏微分方程工具箱( p d et o o l b o x ) 提供了研究和求解空间二维偏微分方程的环 境，可求解的基本方程有椭圆形方程、抛物线方程、双曲线方程、特征值方程、椭圆形 方程组以及非线性椭圊方程。它的研究分支包括： ( 1 ) 椭圆形和抛物线方程来自定常和非定常传输问题。 ( 2 ) 多孔介质的流动和扩散问题。 ( 3 ) 绝缘和导体材料的静电场问题。 ( 4 ) 双曲型方程来自暂态和谐波在声音和电磁场中的传播。 ( 5 ) 势流问题。 ( 6 ) 特征值问题，例如结构力学的固有震动问题。 ：銮璺曼塑墨耋茎垫量鎏堡：篓誊空苎至釜兰鉴型竺耋 2 木质层积复合材热压过程中板坯内部环境的模拟研究 2 1 热压过程中板坯内部环境广义物理模型 在大多数木质复合材制造过程中，热压是一个最重要的阶段，疏松的板坯在合适的 温度和压力下被压制成板，由于整个热压过程中板材内部发生复杂的物理与化学变化， 这些变化与板材的最终性能直接相关，因此热压过程中板坯内部环境变化这一制造环节 对板材的性能有很大影响。 在整个热压周期中，扳坯内部的环境变化十分复杂，首先来自热压板的热量以传导 的形式传输到板坯的表面，根据傅立叶定律的隐含法则，热传导速度为极大值，因此板 坯表面温度突然升高，表面单板中的水分开始迅速汽化，使整个板坯表层蒸汽压力和浓 度增加。由于板坯表面与内部的气体压力和浓度不同，在局部形成压力梯度和浓度梯 度，这些动力驱使水蒸汽由温度较高的板坯表面向温度较低的板坯中心移动，并且在此 过程中可能发生冷凝。这种由于压力差和浓度差不同而引起的水蒸汽的扩散，其方向是 垂直于板坯表面由外向内进行的，这种情况一般发生在热压周期开始的时候。由于板坯 表面水分的蒸发使得含水率下降，因此表面温度很快达到热压板温度。 同时板坯内部温度逐渐升高，但是要使扳坯中心线的温度达到其内部压力条件下水 沸腾的温度要花较长时间。当板坯中心达到这个温度时，水分的汽化加速，板坯中心压 力的升高将驱使水蒸汽向板子边部移动，然后从边部部分水蒸汽将被释放到外界环境 中。在热压周期中的很长时间板坯中心线的温度保持接近一个常数值，这是由于能量在 汽化过程中消耗，直到这个位置处的含水率降低到与板子表面相等。因此垂直板坯表面 方向上的水蒸汽流动加速了中心层温度的升高，而水平方向上的流动降低了这种趋势。 垂直和水平方向上质的传输速度受到水蒸汽在多孔性材料中流动理论的控制。在压 板闭合期间，板坯之间的空隙将被排除，木材这种多孔性材料将被压实。这种材料结构 的实质改变使得板坯的物理特性改变进而影响质传递的速度。因此在计算模型中，考虑 材料的结构特性与传输性能影响了板坯的物理特性是非常重要的。 水分分布的变化可以作为温度梯度的反应，在热压周期中以水蒸汽形式的水分流动 影响温度梯度。因此，热和质的传递是相互联系的。蒸发和凝结将分别消耗和释放潜在 热，这也将引起温度和气体压力的改变，这些相互作用的热和质传递的机理的结果是一 种三维方向变化，这种变化影响材料内部温度、含水率和压力等各个方面。 在热压过程中，木材的粘弹性特性，例如松弛模量和可压缩性，也受到内部环境变 量的影响，如含水率和温度对材料弹性模量的影响。胶粘剂固化的速度和程度也是影响 材料内部环境的因素。 热压参数如热压温度、总的加压时间、压力闭合的时间、及初始材料的条件( 术材 的初含水率和温度) 能被控制在生产加工中。如果制造参数和最终的性能之间的联系能 被建立，制造者将对板子的最终质量有很大影响。因此描述板坯含水率和温度在空间和 时间上的改变十分重要扣“l 。 东北林业大学硕士学位论文 2 2 模型研究的假设条件 在数学、物理学、木材科学理论、传递过程原理、数值计算方法等理论的基础上建 立模型，综合考虑木材生物材料特性、以及整个热压过程的变化，确定模型的维数是二 维的。模型作适当假设以简化热压过程中联系在一起的热和质传导机理。其中包括： ( 1 ) 模型是二维的，考虑厚度、宽度方向。 ( 2 ) 模型中的相都符合热力学平衡。 ( 3 ) 热和质的传递在热压时的速度非常大，因此在固体和气体阶段的任何阻力都 可忽略。 ( 4 ) 板材空隙间的气体被认为是空气和水蒸汽的混合物，并且遵循理想气体定 律。 ( 5 ) 空气被认为是单一成分气体。 ( 6 ) 水能以细胞中的结合水和水蒸汽的形式存在，由于单板具有较低的含水率， 因此自由水的成分被忽略。 ( 7 ) 在细胞壁中的结合水总是和大气中的水蒸汽平衡，他们之间的关系可以根据 等温吸附线衡量。 ( 8 ) 热压过程中的热量提供来自热压板和胶粘剂的反应热，材料的压缩热及其他 因素产生的热量没有被考虑。 ( 9 ) 胶粘剂固化时产生的水不考虑。胶粘剂固化后的水分量在计算时加入到结合 水的量中。 ( 1 0 ) 物理和传输性能是温度，含水率，密度，多孔率，和蒸汽压力的函数，因此 他们可以随着时间和空间改变，但是在部分计算中由于时间较短被认为是常数。 ( 1 1 ) 四个边界条件是相互对称，能随时间改变而改变。 ( 1 2 ) 热质传递的机理是： a 热的传导可以由于温度的不同通过传导来进行，也可以通过对流由水蒸汽来传 递：传导遵循傅立叶定律和牛顿冷却定律。 b 两个气体相( 空气和蒸汽) 传导通过分子扩散进行，遵循菲克定律：其驱动力是 浓度差引起的。 c 水从吸附水到蒸汽状态的改变是隐含的，其汽化热包含在结合水到水蒸汽的转化 过程中。 2 木质层积复合材热压过程中板坯内部环境的模拟研究 2 3 热固性树脂胶粘剂固化过程中热效应的模拟研究 燕固性树脂胶粘剂是大多数木质复合材制造的重要原料，这种胶粘剂在高温高压下 将木质碎料、木材单板等胶合，或将木质材料与其它材料胶合成木质复合材料。最常用 的热固性树脂胶粘剂是酚醛树脂胶粘剂和脲醛树脂胶粘剂。为了获得良好的胶结性能， 应该充分了解胶粘剂固化过程中固化指数的变化规律，这样才可以较准确的确定热压时 间，优化热压工艺。另外在木质复合材热压过程中传输的热包括胶粘剂的固化热，而固 化热与固化指数是相关的，因此掌握热压过程中胶粘剂固化指数的变化规律十分必要。 根据热固性树脂胶粘剂的固化机理，聚合反应要放出热量，这部分热量对板坯内部环境 有所影响。b o w e n ( 1 9 7 0 ) 根据研究结果指出，聚合热是影响板坯内部环境的因素之 一，由胶粘剂聚合而产生的热量约占总能量的2 2 。根据已有对胶粘剂固化研究的文 献，确定由胶粘剂产生的热量数学模型公式如下： 鼻f g 2 & 等 ( 2 1 ) 式中g 一胶粘剂聚合热( j i m 3 ) p 。一胶粘剂的施胶量( k g m 3 ) h 。一胶粘剂焓的平均值( j k g ) f 一胶粘剂的固化指数( 反应程度) 对于胶粘剂的固化指数，根据s c o t t ( 1 9 8 9 ) 和i y e r ( 1 9 9 4 1 的研究成果确定胶粘剂 体系固化动力学方程如下： o f ：寺( 1 一f ) 一 ( 2 2 1 口 式中爿一反应常数 e 一活化能( j m 0 1 ) f 一胶粘剂的固化指数( 反应程度) r 一反应指数 r 一温度( k ) r 一理想气体常数8 3 1 6 9 6 ( j m o l k ) a h m a d ( 2 0 0 0 ) 以及s e m e k ( 2 0 0 0 ) 等人通过研究确定酚醛树脂胶粘剂体系固化方 程参数是： a = 0 2 5 ( 1 s ) e = 1 2 4 2 3 0 ( j m 0 1 ) n = 05 8 7 ：= 型銎些塑些箜些坠。一 2 4 木质层积复合材热压过程中热传导效应的模拟研究 由于热压板与板坯之间存在温度差，因此热量自发地从高温物体传导到低温物体， 这种由温度不同的两个物体之间直接接触而发生的热传递现象称为导热，导热是热压过 程中影响板坯内部环境改变的最重要的因素。 2 4 1 导热模型 热压过程中热量的主要来源是两块热压板，另外胶粘剂的聚合热和板坯的压缩热也 在内部产生热量。根据b o w e n ( 1 9 7 0 ) 的研究成果压缩热大约占热压过程中总热量的 2 因此材料的压缩热可以忽略不计，热压过程中热量的来源主要来自热压板和胶粘 剂的聚合热。热量在材料的内部主要以热传导的方式进行，根据热传导理论，当紧密接 触的表面具有不同的温度时，热量将通过热压板和材料的界面传递。热传导在热压过程 中对于材料内部热传输的贡献也是逐渐变大的，在材料被压制到目标厚度过程中，材料 的含水率将枯竭，热传导将作为热量传输的主要方式。传导可以通过傅立叶( f o u r i e r ) 第一定律，公式( 2 - 3 ) 来表达： q ；一七。- 8 r (23)d = 一定m ( 2 3 ) 公式中的k 是在被给定温度下材料的导热系数，导热系数是由材料结构和内部环 境( 含水率) 决定的。由公式( 2 - 3 ) 可得，当物体内各点温度分布不均匀时，热量就 要从温度较高的点向温度较低的点处流动，这种现象就是热传导，在热量传递的过程中 又引起温度随时间和点的位置而变化。所以解决热传导问题归结于求物体内部温度的分 布从而温度是表征物理量。若以r ( x ，y ，= ，) 表示物体内任一点m ( x ，y ，：) 在时 刻t 的温度则r ( 工，y ，z ，f ) 所满足的方程就是热传导方程。下面推导热传导方程， 以函数t ( 石，y ，z ，) 表示物体内某点( x ，y ，= ) 处r 时刻的温度。根据傅立叶定 理，在无穷小时段讲流过物体一个无穷小面积勰的热量d o 为 d q = k ( x ，y ，：) ；一d s d t ( 2 - 4 ) 其中k ( x ，y ，z ) 是物体在点( x ，y ，z ) 处的热传导系数，取正值；a 7 锄为温度函数 在( x ，y ，z ) 处沿外法线的方向导数，规定挥所指的一侧为凼的正侧，式( 2 4 ) 表 示在时间以内从出的负侧流向正侧的热量。 在物体g 内任取一封闭曲面，它所包围的区域记为n 从时刻，l 到t 2 经过曲面流出 的热量为 卵一“p f f 棚锄r 出p 协5 ) 设物体的比热为c ( 工，y ，：) ，密度p 的温度由r ( x ，y ，z ，“) 升高到r ( x ，y ，= ( 工，y ，z ) ，那么无穷小体积d w d x d y d z 龟) 所需的热量为 2 木质层积复合村热压过程中板坯内部环境的模拟研究 d q = c p f ( x ，j y ，：，t o t ( x ，y ，z ， ) p - ( 2 6 ) 因此使物体内各点温度变化 a t ( x ，y ，z ，f ) = t ( x , y ，z ，t o t ( x ，y ，z ，) ( 2 7 ) 所需热量为 q 2 = ii c p u ( x ，y ，互) 一“( 工，y ，：，t 0 】由 ( 2 8 ) 。i 如果物体内部有热源，设热源密度为f ( 工，y ，z ，f ) ，则在时间p 1 ，f 2 】内物体产生热 量为 幺= l 巾啦 y z ，t ) a v a t ( 2 9 ) 根据能量守恒定律，有q 2 = g q l ，假设函数t ( 工，y ，= ，f ) 关于变i x ，y ，：具 有二阶连续导数，关于t 具有一阶连续偏导数，g a u s s 公式，可得 r 圳印i o u v ( k v t ) - f ( 训刖b = o ( 2 _ 1 0 ) 由于 n ，翻及区域v 是任意取的，而积分号下面的函数是连续函数，因此在任何时 刻物体内任何一点都满足公式( 2 11 ) ： 肛ot=k(丽02t+萨ozt+警)川x,y,z,t-ff ) ( 2 1 1 ) 肛3 ( 丽+ 萨+ 虿) + f ( ) ( 2 _ ) 其中比热c 的量纲为( j k g ) ，f ( 工，y ，z ，r ) 为t 时刻材料内部热源释放 的热量，所得到的方程是一个偏微分方程模型。 2 4 2 导热方程可视化数值解的解法 使用m a t l a b 软件中的偏微分方程工具箱( p d et o o l b o x ) 可以研究和求解空间二 维偏微分方程问题，其中包括： ( 1 ) 设置偏微分方程的定解条件、边界条件以及方程的形式和系数。 ( 2 ) 用有限元法( f e m ) 求解p d e ，即网格的生成、方程的离散以及求出数值 解。 ( 3 ) 解的可视化。 根据热传导方程的特点，可以将其归结为抛物线型方程： d 罢竺一v ( c v “) + 口“= f ，加q ( 2 1 2 ) 删 其中q 是平面有界区域，c ，a ，f 以及未知函数u 是定义在q 上的实或复函数。这个方程 有两种边界条件： ( i ) d i r i c h l e t 条件，即h u = ， ( 2 ) n e u m a r m 条件，即盯( c v u ) + q u 。g 将该方程迸一步代换与化简后，可得到m a t l a b 软件用于描述热传导现象的抛物线 东北林业大学磺士学位论文 型偏微分方程： 鼻7 p c 等一v - ( k v t ) = q + ( 气。一r ) ( 2 - 1 3 ) 研 它用于描述平面的热传输现象，以及由轴对称三维问题经过降维后的热传输问题。 其中参数r 为温度，p 为密度，c 为比热，k 为导热系数，q 为内部热源，h 为对 流热的传输系数，瓦。为环境温度，矗( 瓦r d 表示从环境向区域内部的传输热量。确定 方程后，可在p d e 模型环境中求出可视化模型解和动画解。 2 5 材料导热物理性能模型 2 5 。1 导热系数模型 导热系数的物理意义是物体以传导的方式传递热量的能力，其定义为在物体两个平 行的相对面之闯的距离为单位，温度差恒定为l 时，单位时问通过单位面积的热量， 单位为( w i n 1 k “) 。材料的导热系数受密度、温度、含水率和热流方向影响。许多 研究者进行过关于木材导热系数和影响因子之间关系的研究，例如i m c l e a n ( 1 9 4 1 ) ， k o l l m a n n 1 c o t e ( 1 9 6 8 ) ，k o l l m a n n 和m a l m q u i s t ( 1 9 5 6 ) ，l e w i s ( 1 9 6 7 ) ， k a m k e 和 z y k t o w s k i ( 1 9 8 9 ) ，李坚( 2 0 0 2 ) 。 根据文献，s i a u ( 1 9 9 5 ) 提出木材的比重和含水率决定实体术材导热系数，并且在 顺纹方向和横纹方向上是不同的，其中横纹方向上包括径向和切向( r a d i a la n d t a n g e n t i a l ) ，其导热系数是 k r = s g ( + k 。t m ) + 屯v ( 2 - 1 4 ) 式中s g 一木材的比重 盘。一木材细胞壁物质的导热率( 0 2 1 7 j r r d s k ) 一水的导热率( 0 4 5 m l s k ) k 一空气的导热系数o 0 2 4 m s k m 一木材含水率 v 一木材孔隙率 方程也可以按照下面的形式通过替换变量得到： 辞2 急( k + 吒警m 氧， ( 2 - 1 5 ) 厂一板坯的细胞空腔率 2 术质层积复台材热压过程中板坯内部环境的模拟研究 实体木材顺纹方向的导热系数大约是横向导热系数的2 5 倍。 轧一木材顺纹方向导热系数 ： l 、 = 1 ( c u l c u l a t ef ( 1 ，n ) ) l f ( 1 ，n ) c ， l ( m i d d l em a l r i x - - 毒 ( 1 ，畸)( m i d d l e r m t r i x = l t 眯8 嘶e ro f t i m e p 咖t c 三亟夏) l = n t n b e r o f p o i n t 、m m im a 矾e c | 奇s e f k n1 、 le l s e 图2 - 9 程序流程圈 f g 2 9t h ef l o wc h a r to f p r o c e d u r e ：銮璺量翟兰主翌兰量兰堡：堡錾窖苎至鉴氅堡型兰耋 翻2 一l o 胶粘剂崩化程度随时间变化幽形 f i g 2 一1 0t h ev a r i a t i o no f a d h e s i v eg u r ei n d e xw i t ht i m e 2 5 2 9 4 热压过程中板坯内部气体环境的数值解 为了简化计算难度，对板坯内水蒸汽变化的广义物理模型作如下假设：水蒸汽板坯 内温度由最低上升到最高的过程中，由于材料被压实压密，温度升高的速度所引起的水 蒸汽浓度的变化远大于由扩散所引起的水蒸汽的浓度变化。因此在板坯升温阶段水蒸汽 的变化主要考虑由温度引起，另外边部水蒸汽的向外扩散在这个阶段忽略。当温度芯层 达到最高时水蒸汽浓度达到最高，从这个时候开始水蒸汽开始沿着板材水平方向向板 子边部扩散，板坯内部水蒸汽浓度及压力逐渐降低直到热压结束。 2 9 4 1 板坯内部水蒸汽浓度变化 热压初期，板坯内温度迅速发生变化，温度的改变引起结合水和水蒸汽之间的平衡 改变，一部分结合水要转变成水蒸汽，根据h a i l w o o d h o r r o b i n 方程，编写计算程序， 部分计算程序内容如图2 - l l 所示，程序中要从温度时间矩阵中读取计算点在每一时刻 的温度，根据温度，计算水蒸汽的浓度。在热压中后期，板坯内部水蒸汽的浓度高于边 部外界环境水蒸汽浓度，因此从边部逐渐向外散发水蒸汽，但是由于板坯已经被压得很 密实，气体排放速度很慢。根据公式( 2 - 3 0 ) 可求得中后期板坯内水蒸汽浓度时间矩 阵。这个矩阵与前节所求得矩阵合并得到热压期间板坯内水蒸汽浓度的矩阵，所求得的 数值解如下图2 1 2 所示。 剧2 - i i 计算程序 f i g ，2 - l1t h ep r o c e d u r eo f c a l c u l a t i o n 2 6 ：查要星罄墨皇茎鎏曼鎏堡主堡耋空苎至釜塑堡堡要塞 蹦2 - 1 1 热雁过程中板坯肉部术蒸汽浓度随时阃变化可视化数值解 f i g2 - 1 2t h ev a r i a t i o no f v a p o u r sd e n s i t yi np l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g 2 1 东北林业大学硕士学位论文 2 9 4 。2 扳坯内部空气浓度数值解 热压板闭合后，板坯空气浓度达到最高，在整个热压过程中，空气浓度逐渐降低已 保持与外界平衡，所得空气浓度矩阵可视化数值解表示如下图2 1 3 所示。 削：一1 3 热乐过程中板坯内部空气浓度随时间变化可视化数值解 f ( g 2 - 13t h ev a r i a t i o no f a i r sd e n s i t yi np l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g ：銮墨量互耋主翌銎量兰耋：篓鉴空竺至誊望兰鳘要窑 2 9 4 3 板坯内部水蒸汽分压数值解 计算得热压过程中板坯内部水蒸汽分压的数值解如图2 1 4 所示。 矧2 - 1 4 热压过程中板坯内部水蒸汽压力随时间变化可况化数值解 f i g 2 1 4t h ev a r i a t i o no f p a r t i a lp r e s s u r eo f v a p o u ri np l a t eb l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g 2 9 东北林业大学硕士学位论文 2 9 4 4 扳坯内部空气分压数值解 计算得热压过程中板坯内部空气分压数值解如下图2 1 5 所示。 幽2 - 1 5 热压过稗中扳坯内部空气压力随时间变化可视化数值解 f i g 2 - 1 5t h ev m s a t i o no f p a r t i a lp r e s s u r eo f a i ri np l a t eb l a n kd u r i n gh o t p r e s s i n g 2 本质层积复台材热压过程中板坯内部环境的模拟研究 2 9 4 5 板坯内部气体压力数值解 热压过程中板坯内部气体压力值等于水蒸汽分压和空气分压之和，其数值解可视化 图形如图2 2 4 所示。 劂2 - 1 6 热压过程中极坯内部气体压力随时间变化可视化数值解 “g 2 - 1 6 t h ev a r i a t i o no f p a r t i a lp r e s s u r e o f v a p o u r i np l a t e b l a n kd u r i n gh o tp r e s s i n g 东北栋业大学硕士学位论文 2 10 计算结果的分析 2 。1 0 1 热压过程中板坯内部环境的动态分析 根据热压过程中板坯内部环境几个特征变量随时间变化建立的三维图形，说明了材 料内部环境在热压过程中是动态变化的。这一节讨论分析热压过程中板坯内部环境变量 随时间改变的动态性质，其中研究的变量包括温度、含水率、气体的压力，相对湿度和 胶粘剂的固化指数，实际上这些变量是相互作用的。 2 10 1 1 板坯内部温度的动态改变 由图2 6 可以看出，在热压开始时候( t = o s ) ，图形表明了温度模型定义的初始和边 界条件。可以看到材料的内部温度是相同的2 9 0 k ，热压板温度在4 1 3 1 5 k ( 3 0 0 ) ，由 于板子的上下表面温度与板坯内部温度之间存在很大的温度梯度，根据傅立叶原理热量 将由板子的上下两个表面向中间传输。随着热压时间的延长，可以看到在t = l o s ，板坯内 部温度不再保持一致，而是从内向外温度逐渐升高，值得注意的是，由于边部温度这时 低于热压板温度而又高于板坯内部温度，因此在边部的对流热是由外向内的，所形成的 温度轮廓呈碗型，如图2 1 7 所示。随着进一步热压，板坯内部温度逐渐升高，当板坯边 部温度高于环境温度( 3 7 3 1 5 k ) 时，边部对流热方向发生改变，板子边部开始向外散 发热量，如t = 3 0 s 、6 0 s ，这时的温度图形在三维方向上呈马鞍形，如图2 1 8 所示。随着 热压时间的延长，板坯内部温度逐渐趋向一致，如t = - 1 2 0 s ，并且在某一特定的时刻，板 坯中心温度达到压板温度时，整个图形在三维方向上接近平面，并保持到热压结束。 图2 1 7 热压初船边部对流热由外向内 f i g 2 - 1 7 t h eh