（木材科学与技术专业论文）竹胶合板变形和表面应变及相关因素影响的研究.pdf

摘要 现有竹胶合板( 竹帘竹席胶合板) 热压工艺均为“冷进冷出”工艺， 这种工艺热压周期长、生产效率低、耗热耗水量大。将该工艺改造成“热 进热出”工艺，需解决的一个突出问题是高温状态下卸压出板，板子的 变形和表面应变( 主要表现为产品的整体翘曲和表面粗糙不平) ，减小和 消除这种变形和表面应变，是这项工艺改造的一项关键技术。本课题研 究的目的，是在实际生产的基础上，通过对主要工艺因素与产品应变之 间关系的研究与分析，探索导致产品发生变形和表面应变的基本规律， 为竹胶合板工艺改造提供理论依据和进一步研究的基础。本课题是在确 定课题研究总体方案的基础上，根据实际生产情况，选定热压温度、热 压压力、热压时间和竹材含水率作为影响产品变形和表面应变的主要因 素，并对每个因素取六个水平，按多因素正交试验方法进行正交试验方 案设计。制品分竹胶合板素板和覆面竹胶合板两种，根据正交试验方案 完成全部压板试验工作，对压制的两种竹胶合板进行翘曲度和表面粗糙 度的检测，检测结果在计算机上通过s p s s 和e x c e l l 软件进行统计分析。 试验结果表明：在竹胶合板翘曲度检测结果中，有7 5 集中分布在 0 4 6 5 1 1 1 4 m m 、1 1 1 4 1 1 6 2 m m 和1 1 6 2 2 4 1 2 m m 三组区间内，全 部制品翘曲度的变化范围在0 4 6 5 m m 和3 7 1 m l y l 之间；覆面竹胶合 板与竹胶合板素板表面粗糙度各参数的分布状态具有大致相同的情况， 在反映它们表面粗糙度的5 个参数中r 。比较集中，其余各参数数值均比 较分散；覆面竹胶合板表面粗糙度各参数的平均值均小于竹胶合板素 板相应参数的平均值，表明在相同热压工艺条件下，覆面竹胶合板的表 面粗糙度小于竹胶合板素扳的表面粗糙度；在反映竹胶合板表面粗糙 度的各参数中，覆面竹胶合板表面粗糙度各参数平均值的分布比较集中， 竹胶合板素板比较分散；在所考察的四个因素中，对制品翘曲度的影 响，温度的作用最显著，其次为压力、时间和竹材含水率。对制品表面 粗糙度，各参数影响的大小没有明显规律；竹胶合板素板表面粗糙度 参数邱和s 与各工艺因素之间具有显著的线性相关关系，其余各参数线 性相关关系不显著，覆面竹胶合板表面粗糙度各参数与各工艺因素相互 之间均不存在线性相关关系。 关键词：应变；翘曲度：表面粗糙度；统计分析 a b s t r a c t n o w a d a ys ，b ar a b o op ly w o o dh e tp r o s s i n gp xocessisa 1 1 “c o ldir lc 0 1d o u t ”t h isk in d o fp r o e e ssh a sas h o r t a g eo f1o n gh o tp r e ss i n g c y c l e ，l c wp r o d u o i n ge f f i o i e n a ya n dh u g eu s a g eo fh e a ta n dw a t e r t os o l v eam a i op r o b l e mo ft h isp r o c e ssc h a n g e di n t o “h e ti nh o z o u t ”p r o e e s sisw a r p i n ga n ds u r f a c er o u g h a e sso fb a m b o op l y w o o d w h e ni tisu n l o a d e df r o mh e tp r e s sa th i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h e k e yt e c h n io u eo ft h i s p r o e e s sr e f o r i l lisf e d l l c in ga n dr e m o v in g w a r p i n ga n ds u r f a c es t r a i no fb a m b o op l y w o o dt r e f e r sm a i n lyt o t o t a lw a r p i n ga n ds u r f a c er o u g f n e s s ) t i l et a r g elo ft h es t u d yis t oe x p l o r eb a s i cr e g u i a ro fr e a s o nt h a t 1 e a dt ow a r pa n ds l i t f a c e r o u g h n e s so fb a m b o op l y w o o da n d t os u p p yt h e o r e t i c a lb a s i st o b a m b o op ly w o o dp r a t essr e f o r ma n df ur t h e rs t u d yo i lc h eh a s i co f p r a e ，i e a l1 7 a n u m e t u r ea n dt h r o u g ha n a l y s i so ft h er e i a t i o nb e t w e e n p r i m a r yt e c h n o l o g i c a lf a c t o r sa n ds t r a i no fp r o d u c t s t h e s t u d y d e t e r m i n e sh o tp r e s s i n g t e m p e r a t u r e。h o t p r e s s i n g p r e s s u r e ，h o t p r e s s i n gt i m ea n db a m b o om o l s t u r ec o n t e n ta sp r i m a r y f a c t o r sa f f e c t i n gw a r p i n ga n ds u r f a c es i r a i no fp r o d u c tso nt h e h a s i so fe x p tic a t ，u gt o t a ls c h e m ea n ds i t u a t i o no fp r a c t i c a l p r o d u c i n g a n ds o l e c t ss i xl e v e lse a c hf a c t o r ，a n dt h e n ，d e s i g ns t h ei l l u t u a lt e s ts c h e m ea c c u r d i n gt om e a n so fm u n i p l ef a c t a r s m u t u a lt e s tp r o d u c tsf i n is b e db yt h em o h d so fm u t u a lt e s ta r e d i v i d e di n t ot w ok i n d s ，i nw h ic ho n eisb a m b o op 1 y w o o da n dt h e a t h e ri sf a c i n go r l e ，a n da f ec h e c k e dw a r p i l gd e g r e ea n ds u r f a c e r o u g h n e sst og e tt h ed a t ao fe a c hp a r a m e t e r ，w h i c his a n a l y s is e d b ys p s sa n de x c e l ls o f t w a r eo nt h ec o m p u t e r t h ec h o c k i n gr e s u l ts o fw a r p i n gd e g r e es h o wt h a t7 5p e r c e n to fd a t ar a n g esr e s p e c t i v e l y f r o m04 6 5 m m ，1i 1 4 m ma n d11 6 2 m mt o1 1 1 4 m m ，1 i6 2 m m a n d2 4 l2 m m a n de x t e n to ft o r a lw a r p i n gd e g r e eo fp r o d u c t sc h a n g e sf r a m0 4 6 5 m m t o3 7 1 m m 。t h es t a t eo fd is t r ib u t i o no fe a c hp a r a m e t e ro ff a c in g b o a t da n db a r eb o a r dh a sa b o u tt h es a m es i t u a t i o n ，a n da m o n gt h e f iv ep a f a m e t e r sw h l e hr e f l o c t st h e i rt a r f a c er o u g h n e s s ，g t c o n c e n t r a t e sr e l a t i v e l y ，a n dt h eo t h e r ss c a t t e r t h ea v e r a g eo f e a c hp a r a m e t e ro ff a c i n gb o a r diss m a l l e rt h a n t h a to ft h eb a r e b o a r d ，w h i c hi n d i c a t e st h a ts u r f a c er o u g h n e s s0 ft h ef o r m e ris s m a 1e ft h a nt h a t o ft h e1 a t t e ru n d e rt h es a m es i t u a t jo no f h o t p r e s s i n gp r o c e s s a m o n ga l lt h ep a r a m e t e r sf e f l e e t i n gs u r f a c e r o u g h n e s s ，t h ed is t r i b u t i o no fa v e r a g ed a t ao fe a c hp a r a m e t e ro f t h ef a c i n gb o a r dc o n c e n t r a t e sr e l a t i v e l y ，a n dt h a t 0 ft h e b a r e b o a r ds c a t t e r s a m o n ga 1 1t h ep a r a m e t e r sr e f l e c t i n gs u r f a c e r o u g h n e s s ，t h ed is t r i b u t i o no fa v e r a g ed a t ao fe a c hp a r a m e t e ro f t h ef a c i n gb o a r dc o n c e n t r a t e sr e l a t i v e l y a n dt h a t o ft h eb a r e b o a r ds c a t t e r s a m o n gt h ef o u rp a r a m e t e r se x a m i n e d ，w a r p i n gd e g r e e o fp r o d u c t sisa f f e c t e de s s e n t i a l l yb yt e m p e r a t u r e ，t h es e c o n d i n f l u e n t i a lf a c t o ris p r e s s u r e ，t h et h i r do n eist i m ea n dt h e1 a s t o n eism o is t a r ec o n t e n t a n dt h ee f f e c t0 fe a c hp a r a m e t e ro n s u r f a c er o u g h n e s s0 fp r o d u c t sh a s h to b v i o n sr e g u l a r 肋a n ds o fp a r a m e t e ro ft h eb a r eb a m b o op 1 y w o o dh a v en o t a b l e1 i n e a r r e l a t i o n t oe a c ht e c h n o l o g i c a lf a c t o r a n dt h e1 i n e a rr e l a t i o n o ft h e0 t h e r sis n tn o t a b l e a n de a c hp a r a m e t e ro fs u r f a c e r o u g h n e s so ff a c i n g b o a r dh a sn o1 i n e a rr e l a t i o nt oe a c h t e c h n o l o g i c a lf a c t o r s k e yw o r d s ：s t r a i n ；w a r p i n gd e g r e e ；s u r f a c er o u g h n e s s ；s t a t i s t i c sa n a l y s i s i i i 彭井磺浇 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导f 独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 蘩毫 0 萨p 1 年6 窍 ，b 翱舟浚晚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请您在以上响应方框打“t )矗 作者签名：黔方琴导师签名： 辫瘟 童伯c 导屯a t oe t0 6 c j 辱8a i 学位论文原创性声明与版权使用授权书示例( 送审时用) 彳胶合板变形祁表丽应变及相关凼索影响的研究笨l 页5 l 兜 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我国是一个森林资源较为贫乏的国家，特别是在国家实施了天然林保护工程 后，我国每年木材的供需缺口高达60 0 0 多万m 3 ，为了缓解我国木材的供需矛盾， 除了大力营造人工林和高效利用现有森林资源外，充分利用农业加工剩余物及非 木材植物纤维原料也是缓解我国木材供需矛盾紧张的一项战略措施i l i 。 竹子是我国的第二森林，竹材人造板具有投资少、上马快、加工工艺比较简 单等特点。为此，发展竹材人造板具有良好的经济效益和社会效益和1 2 j 。 2 0 世纪8 0 年代初至今的2 0 年里，我国的竹材工业从无到有得到了迅速发展， 尤其是在1 9 9 0 年以后发展的速度进一步加快。目前我国的竹材加工利用已经成为 一个独立的新兴工业产业，在国家经济建设和人民生活当中发挥着越来越重要的 作用 3 1 。但是，由于我国竹材工业化利用的时问还不长，各种以竹材为原料的工 业产品在生产工艺、设备配簧和产品质量上都还存在着较多的问题，还有许多不 够成熟的地方，在基础理论的研究方厩，也还有许多比较突的问题没有得到很好 的回答和解决，这对我国的竹材工业化利用的进一步发展将会产生较大的影响和 制约，因此开展这方面的研究有着熏要的现实意义。 竹帘竹席胶合扳( 竹胶合板) 是目前我国最主要的竹材人造板产品之，也 是我国竹材工业化利用最具代表性的一种产品，这种产品的主要用途是作为混凝 土浇注工程的模板。作为混凝土模板，要求该产品能在高温、高湿、低温、干燥 等各种恶劣的自然环境条件下均能保持其良好的性能和状态。为了使竹胶合板达 到混凝土模板的使用要求，目前在我国的竹胶合板生产中，采用的热压工艺均为 “冷进冷出”工艺。这种“冷进冷出”热压工艺虽然本身具有一些优点，但是这 种t 艺由于热压周期长，生产效率低，耗热耗水量大，而使其进一步发展受到了 较大的限制，如果将“冷进冷出”工艺改造成“热进热出”工艺，对我国的竹胶 合扳的生产将是一个巨大的推动和发展。 目前，国内不少单位和科技人员都在研究竹胶合板热压工艺的改造，虽然取 得了不少的进展和成果，但他们在研究中碰到的一个突出问题就是在高温状态下 卸压出板，由于多种因素的影响，竹胶合板的表面会变得粗糙不平，而且产品也会 发生翘曲变形从而导致竹胶合板产品质量的严重下降，甚至使产品报废。冈此， 第2 贞共5 1 页 竹胶合板变形和表面应变及相关因素影响的研究 在开展对竹胶合板热压工艺改造研究的时候，减小和消除竹胶合板在高温状态f 卸压出板时板面的粗糙不平和产品的翘曲变形，是这项工艺改造中的一项关键技 术。本课题研究的目的是在实际生产基础上，通过对主要工艺因素与产品应变之 间相互关系的研究与分析，探索导致产品发生表面应变和变形的基本规律从而 为竹胶合板的工艺改造提供理论上的依据和进一步研究的基础。 1 2 文献综述 1 2 1 我国竹材加工利用现状 1 2 1 1 我国竹材资源及竹材的基本特征 我国是世界上竹类资源最丰富的国家之一，我国的竹子约有4 s 属5 0 0 多种， 全国竹林面积5 5 0 ，2 6 万h m 2 ，约占世界竹林总面积的2 5 ，竹材蓄积量为1 51 2 2 9 万吨，约占世界竹材蓄积总量的4 0 。据统计，我国每年竹材的砍伐量约为9 0 0 万吨，全国竹业年产值已达1 7 0 亿元 4 , 5 1 。竹子是一种既同于木材又不同于木材的 特殊材料，它与木材的共性是它们都是大自然赋于人类的一种天然生长的有机体， 主要的化学组成都是纤维素和木质素，竹子和本材都具有作为材料和燃料的使用 价值，它们的存在还对人类生存环境起着重要的作用竹子强度高，硬度大耐磨性 好，同时，竹子又具有良好的柔韧性和弹塑性，因此它可以作为一种优良的结构材 料。但是，竹子也有不阿移槲啪呲目阵够# 眭，竹子壁薄中空，宣稆陡划、，尖削度大，结构 不均匀。内含淀粉，蛋白质等营养物质，容易产生虫蛀，霉变等缺陷1 6 1 。 t 2 1 2 我国竹材产品的品种和用途 按人造板的传统分类方法，我国生产的竹材人造板可以分为竹胶合扳、竹碎 料板、竹纤维板和各种竹质或竹基装饰板或复合板等i _ ”。目前我国的竹材工业产 品以竹胶合板为主，竹碎料板和竹纤维板由于工艺和质量尚不够稳定，目前还没 有形成规模化生产降1 。 竹材人造板产品按其用途分，可分为以下7 大类： 1 车辆用竹胶合板：公路客、货车车厢底板用竹材胶合板：铁路棚车地 板；铁路平车地板；铁路棚车顶板及包装用板；铁路车厢芯盘垫板【9 】。 2 混凝土模板用竹胶合板：竹帘竹席复合混凝土模板：浸渍纸覆面竹席 竹帘混凝士模板；高强覆膜竹胶合板：竹刨花板模板；覆膜竹刨花扳模板： 覆膜强化竹刨花板模板 1 “。 3 船用竹胶合板：船用空心脚手板：用竹胶板。 ， 笪墼鱼焦至受塑垂雪鏖竺壁塑苤旦壅墅堕塑塑壅塑! 曼墨! ! 壅 4 竹材地板：全竹地板：竹木复合地板。 5 集装箱用竹胶合板：竹材集装箱底扳；竹木复合集装箱底板。 存我国的竹材种类中，毛竹是产量最大，分布地区最广的竹种，也足目前我 国竹材工业化利用的主要竹种【”l 。毛竹的纵向静曲强度是杨木的28 倍，纵向 弹性模量是杨术的1 5 倍，静瞳强度和弹性模量商，是竹胶合板作为水泥模板的 一个显著优势，正是由于竹胶合板良好的静曲强度和弹性模量，使它们在作为水 泥模板时，可以减少模板支承，减轻模板的重量，提高工程经济效益和施工效率。 同时它们具有较大的幅面，适用于大型混凝土的浇注_ 程 1 4 1 6 1 2 1 3 竹材加工利用中存在的问题 1 原料利用率低 从对目前我国竹材原料的利用情况看，各种竹材人造板均普遍存在原料利用 率低，竹材资源浪费大的问题1 7 j 。如按目前生产方式生产的竹片胶合板，竹材利 用率一般只有2 0 3 0 ，而且需要大径级的原竹；竹帘竹席胶合板的竹材利用率 只有3 0 4 0 左右；竹材层集材的竹材原料利用率也只有4 0 左右f l ”。目前各 种竹材胶合板在生产中都会产生大量的边角废料和加工剩余物，这一方面使我国 宝贵的竹材资源没有得到充分的利用，同时也对竹材加工企业的经济效益产生较 大的制约作用1 1 9 1 。 2 产品单一应用面窄 目前竹材人造板的种类虽然很多，但大多数竹材人造板的生产规模小，产品 质量低，生产规模较大的竹材人造板品种仅限于竹帘竹席胶合板、竹片胶合板等 少数几个品种1 2 0 1 。此外，大多数竹材人造板均使用单一竹材为原料，这使他们的 性能和使用范围受到了很大的限制。以竹帘竹席胶合板为例，由于原材料、胶粘 剂以及生产工艺、产品性能等多方面因素的影响，目前主要只能用作水泥模板1 2 ”。 3 生产规模小工艺落后 我国的各种竹材人造板企业的规模普遍偏小，设计年生产能力一般为2o o o 1 00 0 0 m 3 之间，大多数厂家在20 0 0 4o o o m 3 左右。而且由于多种原因，往往 还达不到上述设计生产能力，加上产品单一、市场竞争激烈，导致经济效益普遍 下降f 2 3 1 。有些企业已经倒闭，大多数企业也仅能勉强维持，生产规模偏小是一个 重要原因【2 4 j 。如江西某地的九条竹胶合板生产线都是年产2o o o m 3 的生产线，由 于多种原因，这九条生产线通常均达不到设计的生产能力，即使在生产比较难常 的情况下，单线的年产量也仅能达到18 0 0 m 3 左右，因此企业的运转经常处在非 第4 页共5 j 页竹胶合扳变形和表面应变及相关因素影响的研究 常困难的状态| 2 “。目前竹材人造板的主要品种一竹帘竹席胶合板，在生产中采用 的热压工艺为“冷一热一冷”工艺，这种工艺热压板需要反复被冷却和加热，不 仅耗水，耗热量大，工艺复杂，生产成本高，而且热压周期很长，如生产l o 1 2 m m 厚的板，每一热压周期约5 0 6 0 m i n ，而生产同样厚度的木胶合板或刨花板 只需要】2 1 5 m i n 庀右，一个投资在1 1 0 0 l3 0 0 万元的竹胶合板厂，年产量只 有40 0 0 m3 左右 2 6 2 8 。 4 生产技术滞后 我国竹材胶合板发展初期主要是两大系列产品，即：货车车厢底板和包装板， 当时建厂上线的产品针对性较强，对生产下艺及设备的“兼容往”缺乏细致深入 的研究。现在模板市场需求量大，以前专门生产车厢底板和包装材料的厂家转而 生产模板，但生产工艺和设备却无法改变，因此勉强生产出来的竹材人造板模板， 由于产品在表观质量，力学性能指标，产品规格上的缺陷，很难和木胶合板模板 及钢模板竞争 2 9 1 。 在各种竹材人造板生产工艺中，最具代表性的是“软化一展开”生产工艺和 “破篾一织帘”的生产工艺。虽然“软化一展开”工艺可以通过二次加工对板材 表面质量进行改善，但生产成本、生产效率均会受到很大的制约。“破篾一织帘” 工艺也面临同样的问题1 3 “。此外“软化一展开”工艺在生产厚度9 m m 规格的模 板时，出材率急剧下降，原材料成本大增。同时上述两种工艺在材性的均匀性方 面也很不稳定，“等宽一等厚”工艺、“定宽厚一纵横拼”工艺虽然在材性的均匀 度方面及表观质量方面有所突破，但原材料的综合利用率却降低了f 引l 。 1 2 ，2 国外竹材加工利用情况 全世界有竹子7 5 属，l2 5 0 余种，l9 0 0 万h m 2 其中韵8 5 分布在亚洲国家， 如中国、印度、日本、马来西亚、菲律宾、泰国、缅甸、斯里兰卡、孟加拉、越 南、老挝和尼泊尔等，其余郝分主要分布在南美和非洲国家，如哥伦比弧、墨西 哥、巴西、阿根廷、厄瓜多尔、赞比亚等1 3 2 j 。由于这些国家的社会经济发展水平 不同，形成了竹子利用的不同层次。比如，在巴西、哥伦比亚、马来西亚、斯里 兰g - 、盂加拉等国家，竹子主要以原竹形式用于传统的竹结构建筑r ”1 ；在印度、 泰国等国家，除了以原竹形式用于建筑结构以外，还以竹代木生产纸浆、纸张和 板型材等【3 4 j ；在日本，竹子则作为原料通过深层次加工生产饲料和活性炭等，同 时为了保护其本土资源，日本提出了“工艺化”而不是“工业化”利用竹子的发 展方向【3 “。各国传统的竹编日用品和工艺品，也因各国经济和工业化水平不同， 竹腔台扳变形和表面应变及相关因素影响的研究第5 页共5 l 页 形成r 手工作业和机械化生产的巨大差异m3 朝。 印度于1 9 5 1 年在阁内建立了第一鹰竹浆厂，至2 0 世纪5 0 年代中叶，竹浆产 最曾达到全国纸浆总产量的7 36 。然而，尽管印度目前仍拥有13 0 0 万h m 2 竹 林5 0 0 万t 年产量的竹资源，全印度的竹浆产量却呈逐年下降趋势。至1 9 8 6 年， 印度竹浆厂的开工率只有5 8 ，1 9 8 8 年竹浆总产量仅占全印度纸浆总产量的 2 6 5 。同时，由于阔叶材和速生树种的开发利用，全印度的木浆产量却从1 9 5 0 年的零点开始上升到1 9 8 9 年的1 0 0 万t 。据认为，这是因为较之速生树种，单位 面积的竹材产量较低且制浆成本过高的缘故【3 8 3 ”。其它东南亚国家也面临着同样 问题。泰国、菲律宾、中国台湾等一些国家和地区的竹浆厂甚至因此而先后被迫 倒闭f4 0 1 。 印度和泰国也曾生产过竹编胶合板，后因原料供应出现问题而被迫倒闭1 4 “。 为稳定生产，印度于1 9 9 0 年初筹划生产室外型竹编胶合板。2 0 世纪8 0 年代，尼 泊尔也曾与澳大利亚合作试生产过竹编胶合板4 2 1 。2 0 世纪8 0 年代末，印度生产 过一种增强塑化模压竹层积板，其密度仅为其它植物纤维增强塑化产品的密度的 8 0 ，但其抗拉强度却可达到2 6 4 3 8 6 n m m 2 f 4 3 1 。马来西亚等国也曾对竹碎料板 等产品做过试验研究，但尚未形成正规的工业化生产4 4 叫翻。 1 2 3 弹性力学及热应变基础理论 12 ，3 1 弹性力学基础理论 弹性体力学，是研究弹性体由于受到外力作用或因温度改变等原因发生的应 力、形变和位移，经常用到的概念有外力、应力、形变和位移。 1 外力外力可分为体积力和表面力，简称体力和面力。体力是分布在物体 体积内的力，物体内各点受体力的情况一般是不相同的。体力平均集度可以用式 1 1 表示： 1 i m 等= f ( 1 1 ) v o a 矿 、7 面力是分布在物体表面e 的力，物体在其表面上各点受面力的情况， 相同的h 7 1 。面力平均集度可以用式1 2 表示： l i r a 矿箜：f 醢s 一般也是不 ( 1 2 ) 2 应力物体受到外力的作用，或由于温度有所改变，其内部将发生内力。 为了研究物体在某一点处的内力，假设用经过该点的一个截面将该物体分为两部 第6 页共5 l 页 竹胶合扳变形和表面应变及相关因素影响的研究 铲_ ( u + 塞d x ) - u ：罢 ( 14 ) s ，= - = 罢 ( 14 ) l 一一学j 图1 1形变分量与位移分量示意图 f 毽1 1 & 出m 单0 f 佃朗复聍d 诖蛀皿劬l 向d i 单h 脚丘t 堕篮宣堑童翌塑壅里宣銮壁塑羡盟蠢鬟响的研究 第7 贞 共51 页 12 3 2 热应力应变基础理论 通常物体都随温度升高而膨胀，随温度降低而收缩。当温度的变化引起的膨 胀或收缩受到约束时，即使没有外力的作用，在物体内也会产生成力【5 2 1 。在均质 物体里，如果温度变化不均匀，物体内各部分将会产生不同程度的膨胀或收缩。 为使物体内每一点只产生单值连续的位移，各部分之问必将发生相互约束作用， 产生这个约束作用的力就是黝，因此引起热应力的原因是由于温度的变化1 5 ”。 当物体温度由n 增至n ，如果物体的变形完全不受限制，则在任何方向都将 产生相同的正应变，其值为f = d ( 疋- - t 1 ) = a t , 式中口为膨粕i 撇。7 s 乃一n 1 热弹性方程 在直角坐标系中，当物体发生温度变化l 微元体的膨胀完全不受阻碍时， 长度微元出将成为d s7 = ( 1 + 口，) d s ，因此对于各向同性体，自由膨胀情况f 的应变分量为f = e y = f 口t ，= 尺矿恁产0 。 在一般情况下，应变是由两 部分组成的，即一部分是由温度引起的，另一部分是由应力引起的f 5 ”。 应力一应变温度关系方程如式1 6 式1 1 1 所示： = 击【盯；一( 仃，+ 盯瑚+ 砑= 去【仉一戋o 】+ 甜 ；吉【仃，一( 盯，十o - 捌+ = 互i 1 盯，一1 + - 0 1 + 口7 = 圭t o - , 一( 巩+ 西) 】+ 时= 丽1 【仃：一击o 】+ a 7 竹t 竹 s ”2 t 2 面 y 乃f 口 如5 丁2 丽 ，：厶：盘 。了2 兹 式中：o = 仃，+ 盯y + 仃：，2 g = _ l - 十“ e 一弹性模量( m p a ) ： “一泊松比( 横向压缩应变与纵向压缩应变的比值) g 一切变模量( 剪应力与正应力比值) ( m p a ) ： a 一热膨胀系数。 ( 16 ) ( 17 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 第s 页莛5 l 页竹胶台板变形和表面应变及相关因素影响的研究 2 弹性理论基本方程 弹性理论是对处理承受给定载荷、位移和温度分布的弹性体内应力和应变分 布的许多知识所给的名称。弹性理论中包括三个基本方程，它们分别是：平衡条 件方程，应变位移方程和应力应变温度关系式。 平衡条件方程式1 1 2 式1 1 4 ： 孥+ 孥+ 孥+ x ：。 吼砂 窿 望+ 塑+ 望+ y _ o( 1 _ 1 3 ) 切旁 忍 垫+ 孥+ 拿+ z ：o ( 11 4 ) 勃 旁 龟 庵变位移方程式1 ，1 5 式1 1 7 ： 8 u s x 2 瓦 加 s x 2 面 却 & 2 瓦 ，加即 2 磊+ 斋 跏加 厂一2 万+ 瓦 加跏 以3 瓦+ 面 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 11 7 ) 平衡方程式1 1 2 式1 1 4 ，应变位移方程式1 1 5 式1 1 7 和应力应变温度 关系式1 6 式1 ，1 1 为六个应力分量，六个应变分量和三个位移分量提供了1 5 个方程。这1 5 个方程通常称为线弹性理论的基础i 5 9 l 。 1 2 4 竹材应力应变研究的意义及内容 1 2 ，4 1 研究竹材应力应变的意义 在竹胶合板生产中，竹材在热压过程中和在热压完成后，因受多种因素的影 响，其内部会产生很大的应力，这种应力会导致竹材内部和表面形成相应的应变， 应变的外在表现是竹材的总体变形以及表面粗糙度显著增加f 6 。对于竹胶合板产 品来说，如果其变形严重，表面粗糙度大，其质量就会受到严重影响，也由此影 响到产品的等级和应用范围。对竹材热应变特性的研究，不仅为实际生产提供一定 竹胶合扳变形和表面应变及相关围素影响的研究第9 页兵5 l 贝 的理论依据也可以进一步中富和加深我们对竹材应力一应变特性的认识【6 1 i 。关j 二 术材在压缩大变形卜 的力学行为已有许多报道，其研究结果对开发人造板和成型 制品工艺起到了重要作用。近年来由于术材资源紧缺，“以竹代木”给我闺竹材工 业带来了发展机遇，已有许多新研发的竹材产品投入i 缸场，所以有必要对竹材的 力学性能作进一步的了勰1 6 2j 。竹材质轻，但却异常坚韧，并具有很高的硬度、弹 性和韧性，其顺纹抗拉强度最高可达2 8 0 m p a ，几乎是普通碳素钢的一半。l a k k a r d 和p a t e l 的研究报告指出，就杨氏模量而言，竹材明显地优于单向玻璃纤维增强 塑料，而竹材的比强度则比低碳钢高3 倍1 6 。人们对竹材的常规力学性质已经有 所了解，但有关竹材在大变形下的力学行为、微观特征尚未见报道i 6 。在许多竹 制品生产过程中，给竹材或其坯料施加压力的工序都必不可少，如竹胶合板的热 压工艺以及竹片展平、辊压丁艺等 6 5 1 。因此，研究竹材在压缩大变形下的力学行 为及其微观特征，将有助于了解加工过程中工艺因素对竹材的物理、力学性质影 响，从而为制定合理的工艺参数提供依据1 6 6 j 。 124 2 竹材应力应变方面的研究情况 中南林学院林产工业系韩健教授对竹胶合板表面热应力应变做了人量研究。 研究表明：在竹胶合板生产中，由于多种因素的影响，竹材表面会产生一定的粗 糙度，其中热应变是一个重要因素 6 7 1 。通过用“热进热出”工艺和“冷进冷出” 工艺对竹材进行热压处理，并用表面粗糙度测试仪对竹材表面进行检测，发现竹 材表面粗糙度不仅与竹材本身构造有关，而且与其处理工艺有密切的关系。研究 结果表明，用“冷进冷出”工艺处理的竹材表面的热应变比用“热进热出”工艺 处理的竹材表面的热应变要小得多，因此竹材表面的粗糙度也要小得多【6 8 。0 1 。 安徽农业大学林产工业系邵卓平副教授，曾以毛竹为对象，研究了竹材在不 同温度及约束条件下沿径向、弦向和轴向压缩大变形下的力学行为，建立了描述 竹材在压缩大变形下的应力一应变关系0 7 卜7 ”。试验表明，竹材在径向施压和弦向 施压下具有相同的力学行为，其整个大变形过程可分为三个阶段：线弹性阶段、 屈服后弱线性强化阶段和幂强化阶段i ”】。同时，他又以毛竹小试件为对象，使用 显微加载装置研究了竹材在i 个方向的压缩大变形f 微观结构的变化特征。研究 表明，竹材在径向受压和弦向受压时具有相同的屈服极限，这主要取决于薄壁基 本组织在横向具有相同的屈服行为m ”i 。由于竹材基本组织是传递荷载的优良基 第1 0 页共5 1 页竹胶合板变形和表面应变及相关园素影响的研究 体，竹壁在径向压缩和弦向压缩下具有相同的宏观力学行为，可视为两相纤维复 合材料；在轴向压缩大变形下，竹材承载的主体是竹纤维，轴压屈服极限是横压 屈服极限韵3 倍【7 7 j 。 中国杯科院木材工业研究所研究员陈士英。龙玲等人对竹材刨花板蠕变性能 做了一定的研究。由于结构用刨花板由本质刨花和胶粘剂热压而成，属高分子材 料，具有粘弹性f 7 8 】。在负荷作用f 产生弹性变形，在长期负荷下发生蠕变。试验 表明，竹材制成的酚醛胶刨花板，在高湿环境下，比竹材脲醛胶刨花板有较好的 抗蠕变能力：如在竹材刨花板表面贴上一层竹席，则抗蠕变性能进一步提高。竹 材脲醛胶刨花板比木材脲醛胶刨花板有较好的抗蠕变性能。在低湿度环境下，所 有板材的蠕变性能差别较小。木材是天然有机复合材料，既有弹性又有塑性1 7 。 在外力作用下发生如图1 2 所示的应力一应变。在t o 时刻给木材以应力，便立即 产生相应的弹性变形o a ，在此应力常数下，随着时间的推移产生蠕变a b 。在时 问t l 解除应力，便立即产生弹性恢复b c l ( 一o a ) ，到t 2 时又出现部分蠕变恢复， 即从c i 回到d ，恢复的变形量是c l c 2 。t 2 以后进一步的恢复量不大，可以忽略不 计。因此，d e 便是荷载一卸载循环终结时残留的永久变形1 8 0 】。竹材和木材一样， 都属于弹塑性材料，而且它们的内在结构也有很多相同和相似的地方，因此竹材 在外力作用下也会发生如木材类似的蠕变行为，其蠕变规律也可用图1 2 的木材 蠕变曲线进行分析和解释i s ”。 图1 2 应力一应变曲线 f i g 12 c u r v eo f s t r e s ss t r a i n 伯胶合板变形和表函应变及相关固素影响的研究 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于导师韩健教授的研究项f 1 “竹帘竹席胶合板热压工艺改造”，是 该项日的一个子项目。本课题的研究内容包括：适合于竹帘竹席胶合板热压工 艺的高温和中温固化型p f 树脂胶私剂的合成；根据实际生产情况确定影响竹 胶合板变形和表面应变的主要工艺参数和各参数水平；按多因素正交试验方法 设计和制定竹胶含板的热压工艺方案；对按试验方案压制的全部竹胶合板制品 进行变形和表面应变( 主要是板的翘曲度和表面粗糙度) 的检测；对检测结果 用数学方法通过计算机程序运算，确定制品翘曲度和表面粗糙度的相关数字特征 和备丁艺因素与制品翘曲度、表面租糙度之间的相关关系，揭示制品变形和表面 应变存一定条件和范围内的变化规律。 2 竹帘竹席胶合板两种热压工艺的特点及比较 2 1 两种热压工艺特点 2 1 1 冷进冷出工艺 “冷迸冷出”工艺又称为“冷一热一冷”工艺，该工艺是板坯进入热压机时， 热压机的热压板处于“冷”的状态，温度一般在5 0 。c 左右，当热压板全部闭右以 后，通入蒸汽，对热压板进行加热，也可以在板坯进入热压机以后，一边闭合一 边往热压板通入蒸汽对热压板加热。热压板闭合以后，继续升压并使热压单位面 积压力达到工艺规定的最高压力( p m a x ) ；同时继续升温到舰定的温度，一般在 1 3 0 。c 左右开始计算热压时间。在热压时间内，热压温度足在一定范围内变化的， 热压时| 、日j 由产品的厚度确定，产品厚度越人，热压时间越长。热压时间结束以后， 保持热压力不变，将蒸汽关闭，排除热压板内的蒸汽，并且往热压板内通入冷水 对热压板进行冷却，当热压板的温度降到5 0 。c 左右的时候，卸压出板。 “冷进冷出”具有以_ f 特点：生产过程容易控制，操作比较简单；产品的物 理力学稳定，同一批产品的质量差异较小：产品厚度回弹小，尺寸比较稳定，不 容易产生翘曲变形；制品表面平整光亮，表面质量好；卸压时可靠性比较高，一 般不容易发生鼓泡现象。“冷进冷出”存在的主要问题是：热压周期长，生产效率 低，每一个热压周期大约需要4 5 6 0 m i n ：能量消耗量大，用水最大；热压板内 第1 2 页共5 1 页竹胶合板变形和表耐应变及相关因素影响的研究 的管道容易出现结垢，影响热压板的传热，并且对热压板产生锈蚀作用，影响热 压板的寿命。 “冷进冷出”工艺的热压曲线如图2 1 所示： 、1 5 0 1 、，弋 谤菇 p 峙拨、 p 倒 赔 5 0 一 时间t m m 圈2 t 热压工艺盎线 f i g 2l c u r v eo f h o t - p r e s s i n gp r o c e s s 2 1 2 热迸热出工艺 “热进热出”t 艺是在热压的全过程，热压板始终保持在高温状态，板坯进 入热压机后迅速闭合并达到工艺要求的最高压力，随即开始计算热压时间，热压 时问的计算原则与方法与“冷进冷出”工艺相同，热压时间结束后，热压板不需 要冷却便开始降压并使热压板全部张开出板。 “热进热出”工艺具有以下特点：热压周期短，生产效率高，一个热压周期 一般只需要2 0 3 0 r a i n 热损失小，热能利用率高；不需要冷水，可以取消热压机 的冷却系统，并且可以减轻热压板结垢，提高热压板的传热效率：卸板后，板的 温度较高，可以使胶粘剂进一步固化，提高产品的内胶合强度。它存在的主要问 题是：要求竹帘竹席的含水率较低，如果含水率过高，卸压出板时容易出现鼓泡 现象：产品的尺寸稳定性不高，卸压出扳后产品的厚度还会有一定的回弹，产品 比较容易出现变形：产品的表面平整度，光亮度不高；如果热压机闭合时间过长， 板坯表面浸渍纸中的胶粘剂容易出现提前固化或与基材胶合不牢等现象。 “热进热出”工艺的热压曲线如图2 2 所示： 笪壁垒堡至墅型耋叠垄堑丝塑差堕耋墅堕塑堑塑至i i 墨叁! ! 亘 t t 2t 3 时间t m i n 图2 2 热压工艺曲线 f i g22 c u r v eo f h o t p r e s s i n gp r o c e s s 2 。2 竹胶合板生产工艺流程 竹胶合板生产工艺流程如图2 3 所示 图2 3 竹胶合板生产工艺流程 f i g23t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f p r o d u c i n gb a m b o op l y w o o d f 日苫山r邕 第1 4 页共5 1 页竹胶台扳变形和表面应变及相关因素影响的研究 3 试验材料设备及方法 3 1 试验材料 ( 1 ) 竹材原料 竹种：毛竹( p h y l l o s t a c h y sp u b e s c e n s ) ，四年生，取自湖南桃江； 竹篾类型和规格：弦向竹篾，长宽厚= 4 5 0 m m 1 0 m m 2 0 m m 1 o m m 1 5 r a m , 竹篾含水率：1 5 2 0 ( 经自然干燥后) 。 ( 2 ) 化工原料 苯酚；工业品，含量9 8 ，汕头市光华化学厂生产； 甲醛：工业品，甲醛含量为3 8 ，甲醇含量为8 1 4 ，湖北大学化工厂 生产： 促进剂：工业品，含量为9 9 5 ，湖南南方化工厂试剂公司生产； 氢氧化钠：工业品，含量9 6 ，长沙安泰精细化工实业有限公司生产