竹木复合结构长材加工方法的研究.doc

用间歇冷热冷法压制竹木复合结构长材 王传耀 杨文斌 陈刚 （福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002） 摘要 ：研究用间歇冷热冷法压出竹木复合结构连续长材的加工方法。试验采用竹集成层为表板与木单板层积层为次中板、竹丝集成层为中间芯板的5层对称均衡组坯工艺；设计装配一条间歇冷热冷热压长材生产线；试验工艺采用正交试验法，得出板厚17mm使用UF胶时的较佳工艺为热压温度120、单位压力2.4Mpa、热压时间16min（使用喷蒸装置可显著缩短至11min）、双面施胶量240g/，达到试验预期较优指标。关键词：竹木复合材料；结构用长材；加工工艺；设备;喷蒸装置 中图分类号：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用于建筑行业的木质结构长材，其规格化的长度一般为4、6、9、15 m（如檩条跨度一般为4、6、9 m）；而普通幅面1 220 mm2 440 mm热压机一般仅适用于生产小于2.44 m家俱用板材，限制了规格长材的生产，造成建筑结构用长材生产较大的困难与市场供应的紧缺。国外木质结构长材有木质集成材、单板层积材（LVL）、胶合梁等,已在建筑行业广泛应用。LVL被大量用于生产I字型楼板托梁，年消费量1997年比前10 a增长近5倍达105万m3;北美以每年20%的速度在增长1。目前，国内所需木质建筑结构长材一般靠进口。国外有生产长材的热压生产线，进口设备价格以数亿元计，国内中小企业一般无法接受。因此，能否利用现有普通幅面1 220 mm2 440 mm热压机，通过设计改造，开发一种新的“冷热冷”加工工艺，即以间歇式冷热冷热压方法生产出连续竹木复合结构长材，来替代进口产品的适用技术，就显得很有必要。所谓竹木复合材料是指竹材与木材以相同或不同的结构单元形式进行组合及胶接而成的复合板材或方材2。竹材与木材相比较，具有强度高、韧性大、刚性好、易加工等特点，竹木复合结构板材性能优于同类木质产品。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但其性能却不是简单叠加，而是有着重要改进3-4。竹木复合可有效地发挥竹、木材各自的优势，科学地确定组合形式和胶合工艺，可获得既降低竹木材利用成本，又提高产品质量的双重效果。长材指长度大于5 m。1 试验设计、材料与方法设计装配一条适用于生产竹木复合长材的冷热冷热压生产线，创新采用冷热冷热压主基金项目：国家自然科学基金项目（30371134）;福建省科技型中小企业创新基金重点项目（2001C040W）资助.第一作者简介：王传耀（1948），男，福建福州人，副教授，从事木材科学与技术研究.机、斜接-指接双用长拼机、可伸缩侧面喷蒸装置与竹木复合集成-层积结构组坯法，其中，独创竹丝集成层定向组坯层压方法，既提高废料综合利用率，又提高结构材力学性能5-6 。1.1试验设计 无现成的连续热压国产设备可用，从工业化生产看，需研制开发新工艺和新的设备。试验设计采用1套间歇式冷热冷热压法压制连续长材的生产线，可用于批量生产连续长材，主要包括5台主机：辊筒进料台、指接-斜接双用长拼机、复合组坯升降台、冷热冷热压主机与可升降出板运输台。其组成见图1所示。工艺过程：各组坯层材料按组坯需要放入辊筒进料台1、经指接-斜接双用长拼机2拼长至需要长度，再依次输入复合组坯升降台3组坯，再输入冷热冷热压主机4,按工艺要求压板后出板、堆垛。主要工作原理：（1）长拼机用于单板斜接拼长或层板指接拼长。设计2套拼长装置，一套不用 1辊筒进料台， 2指接-斜接双用长拼机， 3复合组坯升降台，4冷热冷热压主机 （4-1热压机、4-2、4-3冷压机，4-4侧面喷蒸装置），5可升降出板运输台， 6板垛图1冷热冷热压生产线组成示意图 Fig1 The reequips a cold-hot-cold press unit时可升起，可按需要灵活选用斜接或指接。（2）主热压机组4利用BY6148/9型单层贴面热压机（总压力9 000 kN）改装，增设用于热压厚板的可伸缩侧面喷蒸装置，再在前后各串接一台总压力5 000 kN的冷压机（用预压机加强制装冷却水系统，水泵压力0.7 MPa），其中，热压机按所需的热压工艺操作，前端冷压机起预压和冷作用；后段冷压机则起消除前端热压温度对已压长材坯的影响，并冷却定型后出板作用。（3）侧面喷蒸装置结构示意图见图2（因两侧对称，只画出右侧一半）。喷蒸模块靠同步伸缩油缸作用可伸进热压板(1015 cm)，最适用压制窄幅厚板时近距离喷蒸处理。改装现场在某木业企业二次加工车间。 1、2同步伸缩油缸 3、4同步侧面喷蒸模块 5过热水蒸气罐 1竹片集成层， 2单板层积层， 3竹丝集成层 图2可伸缩侧面喷蒸装置 图3竹木复合材结构示意图 Fig3 The construction Fig2 the equipment of steam jet on both sides of the long Bamboo/Wood Composite Materials 其它设备采用常规胶合板、竹胶板、细木工板设备，增设生产竹丝集成层的剖丝机与自动铣榫指接机，由某综合木业企业提供。试件物理力学性能试验机等检测设备，由学校实验室自备。1.2试验材料与产品结构竹木材分别采用南平5-8年生毛竹和杉木间伐材， 一般毛竹与杉间材比例为6：4搭配。胶料采用低游离醛改性脲醛胶，F:U=1:1.12。试制产品采用5层对称结构均衡组合，结构方案见图3所示：即表底面用竹材集成层，紧靠表底层用单板层积层，中间层用竹丝集成层。1.3主要工艺路线竹质集成层制备木单板层积层制备复合组坯冷热冷连续热压裁边砂光成品1.3.1竹质集成层制备（1）竹片集成层的制备方法：径向剖分竹片侧立施胶拼宽斜接拼长预压间歇式连续热压锯边定厚砂光指接拼长(按所需长度,下同)半成品。其中,斜接磨削机磨削斜面3 5。用改性脲醛胶的热压压力为0.8 1.0 Mpa、温度为120 。(2) 竹丝集成层的制备方法：非规格短竹材剖分成束竹丝成束浸胶干燥顺纤维定向铺装、层压定厚砂光截断、指接拼长半成品。1.3.2木单板层积层制备工艺 杉木厚单板干燥施胶、斜接拼长多层组坯热压锯边定厚砂光指接拼长半成品。新伐衫间材,可直接旋切;存放较干材,应蒸煮80 90 软化,在未冷却前立即旋切,单板厚度1.5 2.5 mm,宽度与长度按材质取舍或取规格长。 表1 正交试验水平及因素表1.3.3 组坯工艺 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 2.617 270五层对称结构均衡组合：将竹质材处于表层，具有硬度大强度好的特点；木质材处于次中层，具有胶合力强，可降低密度的优点；中间层采用竹丝集成层，强度较好，又提高竹材利用率。1.3.4 热压工艺 表 2 正交试验结果采用间歇式冷热冷法热发压出连续长材，需 要检验 Table 2 Results of orthogonal test 序号 MOR/MpaMOE/MpaIB/Mpa186.276591.95298.586206.33106.688306.0489.391205.15105.080103.1687.569502.57103.288305.2895.371202.19105.281935.8产品（特别是两次热压交界处）的物理力学性能，为与常规方 法对比，先不用喷蒸处理，设计用正交试验法，寻求优化热压工艺参数。试验热压中板或厚板（17mm）时，再试用侧面喷蒸装置。1. 4正交试验试验指标预期值见表5。试样名义厚度17 mm (组坯厚度18.5 19.5mm)，幅面920mm5000mm，选A热压温度/、B单位压力/MPa、C热压时间/ min 、D双面施胶量/gm-2 4个 因素，每个因素取3个水平，适用的正交表为L9（34），见表1。 正交试验结果与极差分析分别见表2、表3。 2.结果与讨论 2.1 结果 2.1.1影响因素主次排列按极差大小对各个性能指标的影响因素主次排列如下：CABD / CBDA /CADB；结合生产率、板坯压缩率、生产成本等因素，综合判定影响因素主次为：CABD . 表3 正交试验结果极差分析 Table3 The maximum variation analysis of the results级差因 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静曲强度、MOE弹性模量、IB胶合强度，单位均Mpa,下同。2.1.2显著影响因素结构长材对静曲强度与弹性模量有较高要求，以A、D列为误差项进一步进行方差分析，可得到热压时间均对其有显著影响（各指标均方比分别为6.965/15.869/10.17均大于F0。05(2,4) =6.94），而单位压力、热压温度、施胶量均对其无显著影响的结论。2.1.3优化热压工艺组合 从试验指标结果并从直观分析看，优化工艺组合为A3（热压温度120）、B2（单位压力2.4Mpa）、C2（热压时间16min）与D2（施胶量240g/.双面）。多施胶，对力学性能影响不大却加大施胶成本；少施胶，则可明显降低力学性能,（如试件1的胶合强度1.95MPa2Mpa预期值）。若提高单位压力与延长热压时间均会增加板坯压缩率损失，对静曲强度MOR有所增大，但对主要指标弹性模量MOE与胶合强度IB影响却不大。 据此工艺组合作重复试验。外观检验没有发生翘曲、扭曲现象，翘曲度小于1%。取样（试件除按规范截取外，特别在两次胶合结合处截取），经权威部门检测，性能指标达到预期要求,与国外先进指标比较，优于特等锯材、胶合梁，基本达到最优质的单板层积材指标（1项接近、2项达到），见表4。 表4 竹木结构材检测指标与木质结构材性能比较2.1.4喷蒸处理效果 Table4 The properties of the compared性能指标类别MOR/ MpaMOE/ MpaIB/Mpa甲醛释放量/mgL-1竹木结 预期值构材 检测值35800021.5108.991706.411.35特等锯材T301170001.0胶合梁L401484001.2单板层积材18100001.7 按优化工艺条件，在每次热压开始与中间分别进行两次2min喷蒸，经试制 可 缩短固化时间 16s/(从50 s/降为34 s/)即C2从16min缩短为11min（取9个 试件 的平均值），并检测主要物理性能： MOR（纵向Mpa）为99.9、MOE（纵向 Mpa）为8358、IB(Mpa)为4.45均达到要求。已有一定效果，但由于初试条件不够理想，还具有进一步缩短固化时间的潜力。 2.2 讨论前端冷压机起预压和冷却阻挡后端热压板传递给的大量热量的作用；后段冷压机则同步消除前端热压温度对已压长材坯的影响，并冷却定型后出板，可有效防止长材坯的扭曲变形。（3）侧面喷蒸装置结构示意图见图2（因两侧对称，只画出右侧一半）。喷蒸模块靠同步伸缩油缸作用可伸进热压板(10-15cm)，最适用压制窄幅厚板时近距离喷蒸处理。由于板坯的蒸汽透过性在与热压板子平行的水平方向较高，故从侧面喷蒸，用来制造单板层积材等材料效果较好。其中，在破竹机后同步串接剖丝机将剖分成成束竹丝。根据复合材料的力学理论，板材在受到垂直板面的外加载荷作用时，弯曲应力主要由靠近表层的材料承担，芯层材料主要承受剪应力作用，强度大的材料距离板材厚度中心愈大可承受弯曲应力愈大。因此将表、芯层材料经合理搭配，可制成具有高性能、低成本的竹木复合结构板材。（1）理论上可以生产热压板有效长度整数倍的长材，实际上受生产厂地、传输带与铺装台工作长度、各层板坯可连续预铺装长度等因素的影响，仅适用于生产15m以内的长材。特别适用于生产9m以内的长材：竹质集成层可以直接拼长胶压至组坯长度备用；单板层积层也可以用三张以上单板经斜接拼长，在组坯台上直接铺装。生产大于9m长材，分别需要单独制作(57.5)m长竹质集成层或单板层积层，再二次指接胶合至所需长度。（2）进一步解决厚板热压周期较长的问