南京林业大学.docx

南京林业大学.docx

《南京林业大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南京林业大学.docx（39页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

南京林业大学

南京林业大学

本科毕业设计

（论文）

题目：

热压工艺对杨木单板压缩率及性能的影响

学院：

木材工业学院

专业：

木材科学与工程（材料工程）

学生姓名：

董颖

学号：

070401203

指导教师：

张晓冬

职称：

副研究员

二O一0年五月二十五日

摘要

本文运用正交试验，对杨木单板的力学性能进行分析。

根据实验分析结果可知，温度为125℃，压力为4MPa，保压时间为3min为实验的最优方案。

通过各因素的方差分析，得出以下结论：

压力是对杨木单板力学性能最显著的因素。

温度和时间对杨木单板弯曲性能的影响均不显著。

时间对试件压缩率的影响介于压力和温度之间，温度试件压缩率的影响最小。

温度对试件弯曲性能的影响介于压力与时间的影响程度之间，而时间对试件弯曲性能的影响最小。

经单因素分析对试件力学性质进行测定，其结果显示：

杨木单板的压缩率、弯曲强度、弹性模量均随压力的增大而增大。

同时所得拟合曲线能够较好地反映压力与杨木单板力学性能之间的关系。

关键词：

杨木单板;温度；时间；压力；压缩率；弯曲强度

Abstract

Thispaperdealswiththemechanicalpropertiesofpoplarveneerbyusingorthogonaltest.Theresultsindicatethathot-pressingatthetemperatureof125℃andthepressureofin4MPafor3ministhebestprocessoptimumparameters.

Throughvarianceanalysis,pressureisthemostsignificantfactortothemechanicalpropertiesofpoplarveneer.Theinfluenceoftemperatureandtimetothebendingperformanceofpoplarveneerisnotsosignificant.Theinfluenceoftimetocompressionradioisbetweenpressureandtemperature,andthetimehasthesmallestinfluencetocompressionradio;TheinfluenceoftemperaturetoMOR（modulusofrupture）isbetweenpressureandtime,andthetemperaturehasthesmallestinfluencetoMOR（modulusofrupture）.

Throughsingleanalysisofmechanicalperformance,itindicatedthatthecompressiontadio、MOR（modulusofrupture）andMOE（modulusofelasticity）ofpoplarveneerincreasedwiththeincreaseofpressure.Meanwhile,thecurvecanbetterreflectpressureandcypressrelationshipbetweenveneermechanicalproperties.

Keywords:

poplarveneer;temperature;time;press;condensationratio;MOR

目录

1前言4

1.1当前木材资源及加工状况4

1.1.1我国森林资源现状4

1.1.2我国木材消费现状4

1.2国外及我国杨木资源现状5

1.3国外及我国杨树木材加工利用现状及发展趋势5

1.3.1以胶合板为主的人造板生产5

1.3.2杨木的改性6

1.3.3人造板装饰薄木改性6

1.3.4制浆造纸6

1.3．5不同结构杨木单板层积材的蠕变和抗弯性能6

1.4国内外同类研究概况7

1.4.1浸渍处理7

1.4．2压缩处理7

1.5课题研究的目的及意义8

2.杨木单板试件的制作工艺及性能测定9

2.1实验原料9

2.2实验仪器及设备9

2.3制作杨木单板试件的工艺流程图9

2.4杨木单板试件制作工艺9

2.5杨木单板压缩率的测定10

2.5.1试件尺寸10

2.5.2仪器10

2.5.3原理10

2.5.4

结果计算及表示方法10

2.6杨木单板弯曲性能的测定10

2.6.1试件规格10

2.6.2仪器11

2.6.3实验原理11

2.6.4方法11

3.杨木单板热压工艺的正交实验研究12

3.1正交实验设计概述及其目的和意义12

3.2正交实验方案设计12

3.3杨木单板性能测定结果及分析13

3.3.1杨木单板压缩率测定结果13

3.3.2杨木单板弯曲性能测定结果13

3.4数据处理14

3.4.1杨木单板弯曲性能正交实验结果分析14

3.4.2各因素影响压缩率的方差分析15

3.4.3各因素影响弯曲性能的方差分析16

3.4.4正交试验法对杨木单板弯曲性能的直观分析16

4.压力对杨木单板性能的影响分析19

4.1实验目的19

4.2实验原料及实验设备的选择19

4.2.1实验原料的选择19

4.2.2实验设备的选择19

4.3实验方案的制定19

4.4杨木单板性能测定20

4.4.1杨木单板弯曲性能测定20

4.4.2杨木单板压缩率测定20

4.5回归方程分析21

4.5.1分析的目的21

4.5.2曲线拟和及检验21

5.结论26

5.1杨木单板正交实验26

5.1.1杨木单板性能测定结果的分析26

5.1.2各因素影响压缩率的方差分析26

5.1.3各因素影响弯曲性能的方差分析26

5.1.4正交试验法对杨木单板弯曲性能的直观分析26

5.2压力对杨木单板性能的影响分析26

5.2.1杨木单板性能测定26

5.2.2回归方程分析27

致谢28

参考文献29

1前言

在社会转型经济转轨的大背景下，人工杨木作为重要的速生材种，已成为我国人造板工业原料的中流砥柱，被多家企业广泛应用于多种单板和胶合板的生产中。

然而我国木材总量供给不足的矛盾依然存在。

由于各国都强调生态保护，限制天然林的采伐，限制林产品的出口，因此依靠进口木材填补我国木材需求缺口日益捉襟见肘，大力发展速生丰产人工用林材，是解决我国木材供需矛盾的唯一途径。

人工杨树是我国主要造林树种之一，依托于现代林业的高新科技，采用科学的经营管理方法，合理有效地加工和利用杨木，不仅制约着我国未来木材市场的供求关系，而且有利于天然林资源的保护，促进国民经济的快速发展。

1.1当前木材资源及加工状况

1.1.1我国森林资源现状

我国幅员广阔，自然条件复杂多样，跨越南北的五大气候带适生着种类繁多的的森林植物，形成了中国森林类型多样，绚丽多彩的特色，在世界植物宝库中占有重要地位。

根据全国第七次森林资源清查统计数据，我国无论是森林面积还是蓄积，其绝对数值是很可观的，在世界上占有一定地位。

人工林面积继续保持世界首位。

从绝对数值来看，我国森林资源还是相当可观的。

但由于我国人口数量众多以及环保方面维护生态环境的需要，相对于国民经济的发展和人民生活的需要，我国森林资源总量则显示出严重不足。

我国的森林覆盖率只有世界森林覆盖率的61%；全国人均森林面积0.128hm2，只有世界平均水平的21.3%；人均森林蓄积量为9.048m3，只及世界平均水平的1/8。

[1]

此外，我国森林资源状况还存在着森林质量不高、资源分布极不平衡、森林资源结构不合理、用材林可采资源严重不足的问题。

1.1.2我国木材消费现状

我国是世界上木材及木制品的生产大国，也是一个消费大国，同时又是人均占有森林资源很少的国家。

林业属于基础产业,行业关联度大,木材消费主要集中在建筑及装饰业、家具制造业和造纸业三个行业。

房地产业、建筑装饰业、家具业的快速发展带动了对锯材、人造板等林产品的需求增长；新闻出版印刷业、包装业、信息产业的快速发展刺激了纸浆、纸及纸板需求量的提高。

而我国人均消费量与世界水平仍存在很大的差距。

据市场情况分析，我国能采伐的用材林年生长量不足1亿立方米，而商品材年耗森林资源1.5亿立方米，用材林资源赤字明显，现有可伐木材已远远不能满足需求，并且长期困扰我国。

随着房地产业的迅猛发展，更加剧了木材的供需矛盾。

我国森林资源已无林可采。

为了弥补这一缺口，国家取消了原木进口关税和其他保护措施，鼓励原木进口，它已经成为我国继钢铁和化肥之后的第三大用汇户。

但光靠进口木材量满足国内需求，既提高了原料成本,又使企业生产在很大程度上受到制约，并不能从根本上解决问题。

为了给天然林保护工程创造条件，使天保工程得以顺利实施，同时又满足林业产业发展对木材资源的需求，加大资金和技术投入建设速生丰产用材林，利用较短时间最大限度地提高木材生产力，是林业可持续性发展的必然选择。

1.2国外及我国杨木资源现状

杨树为落叶乔木，在欧亚及北美洲分布广泛。

从北纬30~72度，垂直分布多在海拔3000m以下的温带。

杨树在国外的适生地区主要是北美和欧洲，杨树木材加工利用以北美及意大利为代表。

北美的加拿大和美国天然林木材资源丰富，住宅建设和纸浆造纸每年消耗大量的木材，林业公司营林和加工一条龙，培育的杨树木材质优价廉。

杨树在意大利种植由来已久，作为农作物生产从属于农业管理部门。

杨树是我国主要的人工林树种之一，自20世纪60年代以来，选育出许多速生丰产的优良品种和无性系，营林面积600多万hm，超过世界其它国家杨树人工林面积总和。

[2]在引种、育种和栽培及加工利用等方面取得了举世瞩目的成就。

经过多年研究和实践，我国各地在选择杨树品种及其栽培技术上积累了一定的经验，对于提高杨树生长起着巨大的推动作用。

1.3国外及我国杨树木材加工利用现状及发展趋势

目前，速生杨树人工林木材已成为短周期工业材的主要产出木材之一．广泛地应用于人造板生产和制浆造纸工业，各种速生杨木综合加工利用。

杨树木材质轻、纹理直、均匀、无毒、油脂，可用于建筑物构件（门窗等）、家具、包装箱、铅笔杆、筷子、牙签、冰棒棍、火柴杆等。

北美和意大利是杨树木材在国外加工利用的代表。

住宅建设和制浆造纸是消耗木材量较大的两大产业。

林业公司在营林和加工方面已形成完整的体系，培育出的杨木质优价廉，主要用于制造定向刨花板和厚胶合板。

尽管意大利的杨木加工利用状况同我国处于同一水平，但其杨树木材质量较高，生产的胶合板多为3mm的薄型板，外观类似于我国的椴木胶合板和桦木胶合板。

[2]

然而人工林杨树木材也存在着先天的不足，在以前主要用于性能要求不高，产品附加值低的领域。

近年来,依托于杨树培育和加工技术的进步，加上市场对工业用材量的增加，我国人工林杨树木材的用途不断扩大，并在杨木高性能高附加值利用方面取得了突破性的进展。

未来杨树人工林木材的加工利用研究的发展趋势是：

（1）将杨树人工林木材材性与加工利用结合起来研究，从而为人工林木材的合理、高效利用提供理论基础。

（2）进一步发展速生杨树林，重视人工林的定向培养，根据市场需求优选出质量好、生长速度高的杨树人工林新品种。

将培育和加工利用结合起来研究，根据最终用途对材性的要求，通过定向培育来努力达到林一工一体化。

（3）针对杨树木材材性的特点和2n-r特性，改进现有加工技术。

如板材的干燥、防腐、改性、阻燃、胶拼等技术，开展杨木新型加工工艺和新产品的开发。

（4）环保、长效、多功能杨树木材功能性改良技术的研究与开发。

1.3.1以胶合板为主的人造板生产

胶合板是由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木，再由胶黏剂胶合而成的三层或多层板状材料，通常用奇数层单板，并使相邻层单板的纤维方向相互垂直交合而成。

胶合板结构的合理性和生产过程的精细加工，可大体上克服木材的缺陷，大大提高和改善木材的物理力学性能。

胶合板生产是充分合理的利用木材，改善木材性能的一种重要方法。

由于胶合板有变形小，幅面大，施工方便，不翘曲，横纹抗拉力学性能好等优点，故该产品主要用在家具制造，室内装修，住宅建筑用的各类板材。

其次是造船，车箱制造，各种军工、轻工产品以及包装等工业部门之用。

1.3.2杨木的改性

木材改性是木材科学新发展的分支。

木材改性分为木材颜色（即染色）处理、木材的可塑化（软化）处理、木材尺寸稳定化处理、木材强化处理、木材阻燃处理。

根据不同的用途采用不同的方法进行处理，提高木材的用途。

改性方法之一是将杨木单板浸渍与有机物单体中，使木材细胞壁充胀，然后再进行加热固化。

此种方法改性的杨木不仅尺寸稳定性好，而且具有良好的防腐性能及一定的滞燃性。

改性方法之二是将水溶性低分子量酚醛树脂或异氰酸酯树脂浸渍到人工林杨树木材中，再经热压定型加工成表面密度较高的木材，其抗弯强度和抗弯弹性模量显著提高，表面硬度和耐磨损度明显增大，尺寸稳定性大幅度改善，比较适合地板生产。

[2]

1.3.3人造板装饰薄木改性

人造装饰薄木就是利用普通树种木材,经旋切（或刨切）成单板,进行一系列处理后,层积胶压成木方,再行刨切,制成的仿珍贵树种木材色泽、纹理结构及各种装饰图案的薄型装饰材料。

这种产品,几十年前最先由意大利、英国研究开发出来。

我国于80年代初开始研究人造装饰薄木,一些厂家也少量生产,但品种单一,主要为人造径向薄木（仿柚木）,工艺较落后,质量与国外产品相比差距很大,终未形成一定规模生产。

最近一、两年,特别是我国广东等南方沿海城市,掀起一股人造装饰薄木热,主要从意大利进口人造木方,刨成薄木,贴在胶合板上制成装饰板出售。

人造装饰薄木花色品种多,产品供不应求。

由于产品前景看好,一些厂家已自行研制生产出人造装饰薄木;一些科研机构也正进行这方面的研究,并取得了较大的进展。

但从目前来看,不论从产品品种、质量上与进口人造装饰薄木相比,都有较大的差距。

人造装饰薄木的生产及应用在我国虽刚起步,但其具有较广阔的发展前景。

1.3.4制浆造纸

人工林杨树木材不仅纤维长度较短，而且材色洁白、易漂白，制浆得率、强度及白度三者可以兼顾，是一种较为适宜的制浆造纸原料，可在纸浆和造纸工业中大量应用。

人工林杨树木材通常用于制造漂白化学浆，利用意杨I-69,I-72和I-214等为原料，可以制取得浆率57%~60%的高得率化学浆。

[2]

1.3．5不同结构杨木单板层积材的蠕变和抗弯性能

在恒定应力作用下，材料的应变随时间增加而逐渐增大的特性称为蠕变。

[3]在考虑某木质复合材料是否适用于工程用途时，材料的蠕变特性是一个重要因子。

例如，木梁或其它木质承重构件有时在低于破坏载荷的情况下突然破坏，[3]，就是由于构件在长期载荷作用下，因蠕变而产生挠度过大所致。

所以用作结构材料的木质复合材料，必须研究其蠕变特性。

据研究，木质复合材料和木材的蠕变性能曲线基本相似，但还是各有特点，如实木材料在施加荷载时的瞬时变形值相等于荷载去除时的瞬时弹性恢复值；而定向刨花板的瞬时弹性恢复量却比加载瞬时变形值大。

[4]

1.4国内外同类研究概况

速生树种的高价值开发是当前木材工业的发展方向。

其中国内外学者对木材压缩变形方面作了大量研究。

Norimoto对木材的横向压缩方面提出了木材变形机理与压缩回弹理论，他对压缩率在0%~60%范围内的木材进行分析时，得出了木材强度随压缩率的增加而增加的结论。

[5]Yixianghua等利用日本柳杉单板压缩制造高弹性的单板层积材。

[6]

近年来，我国学者木材压缩变形的研究也取得了新的进展。

卢晓宁对速生杨木单板进行研究，在顺纹弹性模量方面做出了预测模型。

[7]得出如下结论：

（1）建立的杨木单板弹性模量模型能够预测单板经压缩和浸胶后的横纹抗拉弹性模量。

理论上可以推广到其它树种单板横纹弹性模量预测；

（2）由于压缩率的变化和温度作用，胶粘剂存在分布均匀以及扩散性增加，导致胶粘剂在单板中接触均匀，且单板不可能完全是弦切板。

这种变化可以采用接触系数方式对模型修正，修正系数在1．2～1．4，修正后模型预测值与实际值之间相对误差不超过l5%；（3）模型能够实际反映单板裂隙度直接对单板横纹弹性模量影响，并且可定量计算；单板的弹性模量与压缩率成非线性关系，而涂胶量与弹性模量存在线性关系。

杜国兴对温度T，压力P，时间t这热压三要素与压缩率ΔP关系作了如下概述:

（1）压缩率受温度影响较小；

（2）压力与压缩率成正相关；（3）随着时间的推移，压缩率增加，但其程度不如受压条件下显著。

[8]

近10年来，国内外为提高木材密度，使木材强度得到增加二位进行的研究中，最多的是浸渍处理和压缩处理。

1.4.1浸渍处理

以糖醛型脲醛树脂为表层材料处理剂的木材表面强化处理方法能提高速生材的表面硬度和耐磨性，表面硬度可达未改性材的266％，磨损值从0．12降至0．001。

[9]采用缓冲式脲甲醛树脂溶液配方和真空浸注方法，使树脂预缩液进入木材后再聚合而形成固化树脂。

经脲醛树脂改性处理的木材可显著提高木材的增硬效果；[10]稀土的注入对提高杨木试材的硬度有良好的效果。

[11]用溶液——凝胶工艺在木材表面涂玻璃层进行玻璃化处理的木材，其硬度增加50％～90％，强度增加20％～120％，并保持了木材的天然纹理。

[12]采用改良的uF树脂处理杉木间伐材做地板木，处理后的杉木间伐材物理力能提高，适应了地板木尺寸稳定、硬度、耐磨等性能的要求。

[13]

1.4．2压缩处理

在相同条件下，与气干状态杉木试材相比，饱水并经蒸煮的试材在压缩成型后，或经热处理后，其回复率（Rs）较小，各项物理力学性质较好；在热处理过程中，对照试材的重量损失率（wL）随着热处理时间的延长而增大，而且WL与凰之间呈近似线性负相关。

在相同条件下，与空气介质中热处理相比，真空中热处理后试材的材色变化较小，但回复率较大。

[14]影响杉木表层染料水溶液渗透性的温度、压力、试材含水率三因子的最适选择范围为90℃、常压一减压交替循环、含水率在气干状态至纤维饱和各点之间，杉木试材径向压缩应力一应变曲线呈典型3个不同区域，大变形区域可以认为是杉木早材部变形的堆积。

20℃及90℃饱水状态杉木试材，在卸载瞬间都产生变形回复现象，而气干状态则能够固定变形。

[15]泡桐压缩木材的回弹率随着试件含水率的上升而降低，寸稳定性提高。

木材含水率为13．89％时，材面光滑，尺寸稳定性最好，热压前的喷湿处理，有助于泡桐木材表面密度的增加和尺寸稳定性的提高；温度对气干材的塑化变形有积极影响，190℃有助于试材尺寸稳定性的提高；[16]热压时间延长，则压缩木材回弹率下降，尺寸稳定性提高。

压缩整形木某些部位的解剖分子可发生向内溃陷，细胞腔变小，纹孔膜破裂，但细胞壁没有破坏；压缩整形木回复率很低，吸湿、吸水膨胀率均明显低于素材，具有良好的尺寸稳定性；压缩整形木的密度获得合理分布，表面硬度和耐磨耗度均比对照素材有大幅度的提高。

[17、18。

]

1.5课题研究的目的及意义

人工杨树是我国林主要造林树种之一，杨树人工林的发展和人工林杨树木材的加工利用对我国未来木材供求关系将产生重要影响。

由于人工林杨树木材存在着先天的不足，直接影响其质量和价格，在实际生产中产品附加值较低。

本课题针对人工杨木的缺陷，研究在不同压力，温度，时间条件下对杨木单板进行热压，分析压力、温度、时间对杨木单板压缩率和力学性能的影响，从而寻找出杨木单板压缩的优化方案。

2.杨木单板试件的制作工艺及性能测定

2.1实验原料

实验原料为采自江苏淮安的意大利NL69杨，此种杨木单板是经旋切而成的，厚度为2±0.1mm，径级为40cm左右，干燥处理后平均含水率为13±1%。

2.2实验仪器及设备

（1）螺旋测微器，精确至0.01mm。

（2）电子数显卡尺，精确至0.02mm，0-150mm/6″上海量具刀具厂。

（3）数字式木材测湿仪，PT-90D型，精确至1%，上海木材工业研究所。

（4）101-1型电热鼓风干燥箱，最高温度300ºC，加热功率3KW，电压220V，上海市实验仪器总厂。

（5）OLB-D400×400×2型平板硫化机，最大幅面尺寸400×400mm，总压力0.55MN，上海第一橡胶机械厂。

（6）微机控制电子万能试验机，CMT6104型，最大负荷10KN，精确等级1，深圳市新三思计量技术有限公司。

2.3制作杨木单板试件的工艺流程图

2.4杨木单板试件制作工艺

1.将杨木单板等比例裁成九块规格为300×300mm的试件，并逐一标明试件号。

每块试件上各取八个点，分别测量各点的厚度和含水率，记录测量值用以计算试件的平均厚度和含水率。

2.按照正交实验设计所定的热压工艺参数，采用冷进冷出的热压工艺对试件进行热压。

热压结束后，对各试件在压前标注的八点进行测量，以计算其平均厚度，并将压后的试件做成规格为（55±0.5）×（12±0.5）mm的小试件。

其中横纹І（背面裂隙在上）15块、横纹П（背面裂隙在下）15块,顺纹15块。

然后用螺旋测微器和电子数显卡尺测量每块试件的厚度和宽度。

3.用微机控制电子万能试验机测试每块试件的弯曲强度、弯曲模量（其中跨距为40mm）和最大弯曲力。

2.5杨木单板压缩率的测定

2.5.1试件尺寸

长l=300±1mm；宽b=300±1mm。

2.5.2仪器

螺旋测微计，精确到0.01mm。

2.5.3原理

试件压缩率=试件热压前后厚度之差／热压前试件的厚度

2.5.4

结果计算及表示方法

在20±2ºC、相对湿度65±5%条件下，将试件放置至质量恒定。

在每块试件上各选八点测量其厚度，并计算试件的平均厚度d1，热压结束后用同样的方法测量试件的平均厚度d2，计算热压前后的厚度差Δd。

根据公式2-1求得单板的压缩率（ASE），精确至0.01%。

ASE=

×100%..............（式2-1）

式中：

ASE………………压缩率,%；

d1…………………热压前试件平均厚度,mm；

d2…………………热压后试件平均厚度,mm。

一张板的压缩率是同一张板内全部试件压缩率的算术平均值，精确至0.1%。

2.6杨木单板弯曲性能的测定

2.6.1试件规格

长×宽×厚=（55±0.5）mm×实际测量宽度×实际测量厚度

2.6.2仪器

游标卡尺，精确至0.02mm；螺旋测微器，精确至0.01mm；微机控制电子万能试验机，精确至0.1N；

2.6.3实验原理

弹性模量是确定试件在材料的弹性极限范围内，载荷产生的应力与应变之比。

Eb=

………………………………（式2-3）

式中：

Eb…………………试件的弹性模量，MPa；

L…………………两支座间距离，mm；

b…………………试件宽度，mm；

h…………………试件厚度，mm；

△f…………………载荷变形图中直线段内力的增加量，N；

△s…………………在力f2-f1区间试件变形量，mm。

一张板的弹性模量是同一张板内全部试件弹性模量的算术平均值，精确至0.1MPa。

弯曲强度σb是确定试件在最大载荷作用时的弯矩和抗弯载面模量之比。