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2009年第1期研究与设计
木材加工表面粗糙度的研究工作分两个方向：其一
是研究如何测量和评定木材的表面粗糙度；其二是研究
磨削木竹材表面粗糙度对胶合强度的影响
李浩东，李黎
（北京林业大学材料科学与技术学院，木材科学与工程北京市重点实验室，北京.100083）
摘要：采用探针法测定了水曲柳、毛竹和落叶松砂带磨削表面的粗糙度，分析了影响表面粗糙度的因
素，并采用心理分析方法讨论了的粗糙感与表面粗糙度关系；还分析了木材表面粗糙度对胶合强度的
影响。为获得不同树种及不同粒度砂带磨削对工件表面粗糙度和粗糙感的影响，实验测量了磨削工件
表面的粗糙度和粗糙感触觉心理量、视觉心理量。研究结果表明，材种和表面组织构造影响表面粗糙
度；表面粗糙度值因为材种不同而不同，随着加工精度的提高而降低；水曲柳、毛竹和落叶松表面粗
糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关；阔叶材、竹材、针叶材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心
理量的相关性逐渐增大；触觉心理量与表面粗糙度参数的相关性要高于视觉心理量。砂带磨削木竹材
表面的胶合强度在磨削砂带粒度为100～150目时达到最大值。
关键词:.木材；竹材；磨削；粗糙度；粗糙感；探针法
中图分类号：TS653 文献标识码：A 文章编号：1001-036X(2009)01-0004-05
Effect on bonding strength of sanding surface roughness of wood and
bamboo
LI Hao-dong，LI Li
（College of Material Science and Technology, Key lab. of Wood Science and Engineering, Beijing Forestry
University,Beijing 100083,China）
Abstract: Surface roughness of Fraxinus mandshurica, Moso Bamboo(Phyllostachys pubescens) and Larix dahuria
sanding with different kinds of abrasive belt was measured by a fine stylus method and analyzed the various factors. Then
the surface roughness sense was analyzed by a psychometric method, between the psychological values of touching and
vision was discussed. In order to obtain the effect of the species, the sanded surfaces of wood and bamboo pieces were
used to measure the surface roughness and psychological values of touching and vision. Results show that species and
surface structure could affect the surface roughness of wood and bamboo. The roughness of wood and bamboo surfaces
decrease with the increase of processing precision. The correlation between the psychological values of touching and
vision, soft wood is a little higher than bamboo, and that of bamboo is a little higher than hard wood. The correlation of
touching psychological values with surface roughness is higher than vision psychological values. The bonding strength of
the wood and bamboo gets to the peak after sanding with granularity 100-150 sanding belt.
Key words: wood；bamboo；sanding；surface roughness；roughness sense；stylus method
引起木材表面粗糙的原因。国内外对金属表面粗糙度的
研究起步较早，而对木材表面粗糙度的研究工作近几十
年才逐渐兴起[1]。
王晗等做过基于分形维木材表面粗糙度的研究[2]；
收稿日期:2008-12-15
作者简介:李浩东（1980-），硕士研究生，主要研究方向：木材科
学技术。
DOI:10.13594/j.cnki.mcjgjx.2009.01.001
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研究与设计 2009年第1期
甘新基，孟庆午做过木材锯切表面粗糙度测量方法的
研究[3]；王明枝等做过木材工件表面的粗糙度和粗糙感
触觉心理量、视觉心理量的测量。研究结果表明，树种、
切削方式、切面和木材的表面组织构造会影响木材的表
面粗糙度；表面粗糙度值因为加工方法不同而不同，随
着加工精度的提高而降低；水曲柳、毛白杨和杉木表面
粗糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关，针叶材表
面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶
材的大[4]。
本实验研究旨在采用木材工件表面粗糙感的视觉
和触觉心理量，从主观上评价木、竹材工件表面粗糙
度，采用触针式表面粗糙度测定法从客观上评价木、竹
材工件表面粗糙度，探讨两者之问的相关性，并研究木、
竹材表面粗糙度对胶合强度的影响。
1 材料与方法
1.1 实验材料
选用落叶松（L a r i x d a h u r i a）、水曲柳
（Fraxinus mandshurica）和毛竹（Phyllostachys
pubescens）作为实验材料。试件规格尺寸（长×宽×
厚）分别为毛竹：600×30×6mm，12件和400×25×
7mm,50件；水曲柳：1000×85×10mm,10件和400×25
×7mm,50件；落叶松：500×30×10mm，8件和280×30
×10mm,4件，400×25×7mm,50件。
实验使用纸基砂带，砂带磨料粒度为60、80、100、
150和180目５种。分别磨削落叶松、水曲柳、毛竹的径切
面，磨削后试件厚度分别为6mm、6mm和5.5mm。
1.2 粗糙度的测定
实验采用由Taylor/Hobson公司生产的Surtronic
3+表面粗糙度测定仪。标准探杆：112/1502；触针直
径：50μm；评定表面粗糙度的参数包括：轮廓算术平
均偏差（Ra）；轮廓均方根偏差（Rq）；微观十点不
平度（Rz）；轮廓总高度（Rt）；轮廓最大高度（Ry）；
轮廓微观不平度平均间距（Sm）６个。取样长度
L=12.5mm。
第一次，对于毛竹和落叶松，每种磨料粒度砂带磨
削出的试件，选取5件，在不同测量位置横纹方向上测量
粗糙度4次；对于水曲柳，每种磨料粒度砂带磨削出的试
件，选取2件，在不同测量位置测量横纹方向上粗糙度4
次；第二次，毛竹、落叶松和水曲柳各取1件，根据正交试
验设计的方法进行加工并测量，在不同测量位置横纹方
向上测量工件粗糙度5次。
1.3 心理量实验
1.3.1 调查群体
2007年5月11日，对北京林业大学木材科学与工程专
业03级年龄范围在18至22岁间的106名同学进行问卷调
查，其中男生50例，女生56例。
1.3.2 心理量实验方法
问卷调查采用语义微分法（SD法），通过设计问卷
让实验对象独立完成。取毛竹、落叶松和水曲柳经过不
同磨料粒度砂带磨削加工后的径切面。先请被测者闭眼
用无名指触摸试件，判断木材工件表面的粗糙程度；然
后站在0.5m范围内观察试件，判断木材表面的粗糙程
度。将每个问题的5个被选答案按照其语义微分的5种程
度由甚粗糙到甚光滑，分别由低到高赋值（100分-500
分），与各项选择人数所占的比例相乘，得出该问题的量
化结果。其中，树种1、树种2和树种3分别对应毛竹、落
叶松和水曲柳；1号至5号试件分别对应于粒度60目至180
目砂带磨削。
1.4 胶合强度实验
选用无明显缺陷的毛竹、落叶松和水曲柳方材，锯
切成400×25×7mm的标准试件，进行预实验和验证实
验各一次。用粒度60目至180目砂带磨削加工的试件，在
相同的实验条件下使用相同的实验方法进行热压胶合，
然后对试件进行胶合强度的测定。
1.5 木材表面润湿性能及活性基团测定实验
利用承德试验机有限公司生产的JY-82型接触角
测定仪及E-500型ESR波谱仪对不同粒度砂带磨削表
面的表面润湿性能及活性基团数量进行测定，并分析
其规律。
2 结果分析
2.1 影响木材表面粗糙度的因素
影响磨削表面粗糙度各因素的正交试验及方差分
析结果见表1～表4。
通过方差分析可知（见表2～4），砂带粒度是影响
表面粗糙度的最主要因素，其次是进给速度，磨削量
的影响最小；材质不同，各因素的影响程度也不同：松
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2009年第1期研究与设计
表1 正交试验设计及试验结果
序号
实验1
实验2
实验3
实验4
实验5
实验6
实验7
实验8
实验9
砂带目数/目
1(60)
1(60)
1(60)
2(100)
2(100)
2(100)
3(180)
3(180)
3(180)
磨削量/mm
1(0.2)
2(0.5)
3(0.7)
1(0.2)
2(0.5)
3(0.7)
1(0.2)
2(0.5)
3(0.7)
进给速度/(m/s)
1(0.0752)
2(0.1177)
3(0.2036)
2(0.1177)
3(0.2036)
1(0.0752)
3(0.2036)
1(0.0752)
2(0.1177)
空白列
1
2
3
3
1
2
2
3
1
水曲柳Ra/μm
11.52
12.48
13.32
11.64
12.52
11.88
10.36
8
7.28
毛竹Ra/μm
9.32
10.68
11.72
9.8
9.6
8.72
5.4
4.32
5.44
松木Ra/μm
9.72
10.88
11
8.96
7.12
7.52
4.8
4.48
4.52
表2 水曲柳的方差分析表
因素
A(砂带目数)
B(磨削量)
C(进给速度)
误差
偏差平方和
27.358
0.18
5.12
34.59
自由度
2
2
2
8
F比
3.164
0.021
0.592
F临界值
3.11
3.11
3.11
显著性
*
表4 竹材的方差分析表
因素
A(砂带目数)
B(磨削量)
C(进给速度)
误差
偏差平方和
50.573
0.388
3.591
54.94
自由度
2
2
2
8
F比
3.682
0.028
0.261
F临界值
3.11
3.11
3.11
显著性
*
表3 落叶松的方差分析表
因素
A(砂带目数)
B(磨削量)
C(进给速度)
误差
偏差平方和
52.987
0.167
1.165
55.92
自由度
2
2
2
8
F比
3.79
0.012
0.083
F临界值
3.11
3.11
3.11
显著性
*
木受砂带粒度影响最大，竹材次之，水曲柳最小，刚刚
超过临界值；水曲柳受进给速度的影响最大，竹材次
之，松木最小；竹材受磨削量影响最大，水曲柳次之，
松木最小。
从不同粒度砂带对试件进行砂光后测量的表面粗糙
度数据结果可以看出，水曲柳的表面粗糙度值最高，竹材
其次，落叶松最小。造成上述结果的主要原因是三者解
剖结构上的差异：阔叶材中的环孔材，如水曲柳，早晚材
导管直径变化明显，早材管孔在肉眼下可见，晚材管孔较
图１　不同粒度砂带加工试件表面粗糙度
小，肉眼下观察困难，生长轮对粗糙度影响较大；竹材与
木材相比，竹材无髓心材和木射线，各种细胞排列与竹
材生长方向平行，结构较木材单纯，无形成层，仅具有维
管束，维管束分布疏密不一，维管束直径小于导管直径，
且排列规整，因此粗糙度小于阔叶材；针叶材如落叶松，
主要由纵行管胞组成，细胞类型较单一，薄壁组织含量甚
少，木射线甚细，树脂道小而少，管胞直径小于导管直径，
管胞径向排列整齐，因而粗糙度较小。
图1表明，随砂带粒度的增加，木、竹材料表面粗糙
度减低。在磨削速度一定的条件下，进给速度越大，磨削
质量越差，进给和磨削是相对运动；进给速度一定的条
件下，磨削速度越低磨削质量越差。
2.2 触觉心理量与视觉心理量的关系
由图2可知，触觉心理量与视觉心理量的相关性很
强，水曲柳、毛竹和落叶松触觉心理量与视觉心理量的
相关系数分别为0.8203，0.8642和0.9269，由此可知，针
叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材大。这
是因为针叶材的结构比较均匀，显微构造比较简单，主
要由管胞，木射线细胞、轴向薄壁细胞和树脂道等四类
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研究与设计 2009年第1期
组织组成，对视觉和触觉的影响较小；而阔叶材中环孔
材的早、晚材导管细胞直径差异较大，显微构造比较复
杂，有导管、木纤维、轴向薄壁细胞和管胞等五类组织，
有些树种还有树胶道、乳汁管等，对视觉和触觉的影响
较大，所以阔叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性小
于针叶材。竹材主要由纤维、导管、筛管等组成，各种细
胞均与竹杆纵向不均匀地平行排列，显微构造也相对简
单，对视觉和触觉的干扰性较小，因此针叶材与竹材的
视觉与触觉相关性差异不大。
图３　视觉表面粗糙感心理量与表面粗糙度相关性分析
2.4 木竹材表面粗糙度与胶合强度的关系
2.4.1 木竹材表面活性基团分析
ESR波谱仪分析结果如图5所示：180目砂带磨削毛
竹试件，表面的活性基团数量明显多于60目和100目砂
带磨削表面，60目和100目砂带磨削表面产生的活性基
团数量相差不大。可见，随着砂带粒度的增加，与木材
接触的磨料数增多，单位面积的木、竹材，同样的磨削去
除厚度，木材纤维与组织产生机械损伤就更多，产生自
由基也更多，木材的表面自由能与极性提高。机械自由
基中一部分与氧反应后生成以羰基为主的含氧官能团，
图４　触觉表面粗糙感心理量与表面粗糙度相关性分析
图5 竹材表面自由基分析图
图２　触觉与视觉心理量表面粗糙感相关性分析
2.3 视觉、触觉心理量与表面粗糙度参数的关系
由轮廓算术平均偏差Ra与视觉、触觉心理量相关
性的分析结果可知：水曲柳的表面粗糙度与视觉心理
量、触觉心理量的相关性比较小，落叶松和毛竹的相关
性比较大，毛竹维管束分布不均，针叶材管胞分布较均
匀，针叶材与毛竹的表面粗糙度与视觉心理量、触觉心
理量评价的相关性较大，针叶材相关性略大于阔叶材；
粗糙度参数与触觉心理量评价的相关性要高于视觉心
理量评价；客观测量得出的表面粗糙度参数与主观感觉
的视觉与触觉心理量判断得出的结论相关性较大，说明
通过主观感觉的判断也可对木材表面粗糙程度做出较
准确的判断，通过触觉判断得出的结论，其准确程度要
高于视觉，对针叶材和竹材的粗糙程度判断的准确率要
高于阔叶材。
木竹材表面粗糙度与粗糙感的相关性，针叶材>竹
材>阔叶材。对阔叶材而言表面粗糙度是工件表面粗糙
感的主要影响因素，其次是木射线及交错纹理的影响；
针叶材表面的粗糙感除了粗糙度的影响作用外，木材的
年轮宽度对其影响也很大；竹材显微构造较简单，表面
粗糙感主要受表面粗糙度的影响。
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2009年第1期研究与设计
或木材表面形成的凹凸、细孔和沟槽能在界面区形成最
多的“小钩”或“胶钉”，产生啮合连接；当磨削用砂带
的目数再增大，磨削表面光滑，粗糙度减小，木材表面
形成的凹凸、细孔和沟槽会减少或变浅，形成的胶钉变
少，机械结合力变小，同时被机械破坏产生的机械自由
基越多，因而会有胶合强度的缓慢上升。根据实验结果
分析，机械结合力对胶合强度的影响要大于自由基化学
结合对胶合强度的影响。
图6 木材表面接触角分析图
产生的自由基和含氧官能团在木材表面的增加，提高了
木材表面的反应活性，这样在胶接时与胶粘剂发生反应
形成的化学键增多，胶合强度将提高。
2.4.2 木竹材表面的润湿特性分析
表面润湿性是固体材料的一种重要界面特性，它表
明某些液体在其表面润湿、铺展、渗透和粘附的效果。
润湿性会影响胶粘剂在木竹材的胶合表面的附着和渗
透，从而影响胶合质量和使用性能。
由图6分析可知，竹材、水曲柳、落叶松在被100目砂
带砂光后，木材表面的润湿性能都达到一个比较低的水
平，而后都有不同程度的先降低再升高的过程。当磨削
用砂带由60目升至100目时，木竹材表面的纹孔、导管、薄
壁细胞等细胞组织形成的孔隙展漏增多，由于机械破坏
产生的自由基也多，利于胶粘剂的浸润、铺展和渗透，因
而接触角变小，润湿性能提高；砂带粒度继续增大，木竹
材表面活性基团的数量是呈逐渐增加的趋势，有利于胶
粘剂浸润，但接触角反而减小。这是因为部分孔隙被砂
光木屑所填补，影响了胶粘剂通过孔隙浸润到木材内部，
减少了与胶粘剂接触的表面积，降低了胶粘剂的吸附性
能，导致润湿性能的降低。而到180目砂带磨削时润湿性
能的提高，是更多表面活性基团的产生抵消了部分孔隙
减少和接触表面积降低所产生的不利影响的结果。
图7 木材砂光表面粗糙度与胶合强度的关系
2.4.3 胶合强度分析
生产实际中木竹工件多数是在砂光后进行胶合，因
此研究表面粗糙度与胶合强度关系很有必要。由图7可
知，用60目到100目砂带磨削的三种试件，其胶合强度都
是逐渐上升的；100目到180目砂带磨削的试件，竹材的
胶合强度逐渐下降，落叶松的胶合强度基本不变或略
有下降，水曲柳的胶合强度逐渐增加。胶合强度并不都
是随着表面粗糙度的减小而逐渐增大。根据胶合理论
分析，产生上述结果的原因是100目砂带磨削后在竹材
通过图6和图7的数据综合分析可知，表面活性基团
和木材表面孔隙是影响木材表面润湿和胶合性能的主
要因素，因100目砂带磨削时胶合强度达到峰值，所以木
材表面孔隙的多少对胶合性能影响更大些，即机械胶接
机理对于胶合强度的影响要大于化学键胶接机理。
3 结论
(1)影响木材磨削表面粗糙度的因素主要有材种、表
面的微观构造和砂带粒度。
(2)水曲柳、毛竹、落叶松表面粗糙度参数与触觉、
视觉心理量呈正相关；针叶材、竹材、阔叶材的表面粗
糙度参数与触觉、视觉心理量的相关性依次减小。这说
明通过视觉与触觉的综合分析可较正确地判断竹木材
表面粗糙度。触觉心理量与表面粗糙度参数的相关性要
高于视觉，说明视觉判断粗糙感时受到干扰因素较多。
因此我们可以得出这样的结论：以触觉判断为主，视觉
判断为辅，可以比较正确地判断工件的表面粗糙度。
(3)表面粗糙度与胶合强度关系的研究表明，磨削木
竹材表面胶合强度随表面粗糙度减小并不是线性增加，
竹材粒度100目砂带磨削表面胶合强度最高，水曲柳和
落叶松的胶合强度基本不变或增加不显著。综合分析木
竹材表面活性基团，接触角和胶合强度变化状况，表明
机械胶接对于胶合强度的影响要大于化学键胶接。
(下转第11页)
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研究与设计 2009年第1期
龙玲、陆熙娴等[10]（2005）对于脲醛胶人造板含水
率对穿孔值的影响进行了试验。在试验中发现含水率从
3%到16%，甲醛释放量增加很快，穿孔值与含水率呈很
好的线性关系。
脲醛胶人造板释放的甲醛主要来自4个方面：木材
本身、脲醛胶中的游离甲醛、未固化的胶粘剂释放的甲
醛、已固化胶粘剂水解形成的甲醛。随着板材含水率升
高，已固化胶粘剂可能发生水解反应，使甲醛释放量增
加；同时可能增加游离甲醛释放的速率。
脲醛树脂胶在合成时，尿素和甲醛一般需经加成和
缩聚两步反应，且二者都是可逆的。
由于脲醛胶的合成反应是可逆反应，即会发
生水解反应。在反应中增加H2O时，使得反应中的
H2NCONHCH2OH增多，从而使得反应中的CH2O增
多。当试件含水率增加时，即H2O增多时，可以看出
CH2O含量会相应的增加，即含水率的增大会使得甲醛
释放量增加。
用穿孔法测甲醛释放量时，一定要考虑到含水率对
穿孔值的影响。同样的板材，含水率不同，其测出的甲
醛释放量有很大的不同。因此，建议在修订甲醛释放量
穿孔法检测标准时，考虑含水率的影响。
2.4 温度对于萃取的影响
萃取过程不宜在高的温度下进行，否则溶剂汽化，
致使萃取难以进行，同时萃取出的杂质也较多。通常，萃
取时的温度应当比所用的溶剂的沸点低10～15度。另一
方面，若温度过低，又会使液体粘度过大、扩散系数减
小，不利于传质。
在实验中发现，在冷凝管与萃取管的接口部位，以
及萃取管的管身部位适当加一些保温材料，有利于甲苯
回流速度的恒定。
3 结论
(1) 穿孔法测甲醛浓度时，萃取操作中回流计时
起点在冷凝管口或者在圆底烧瓶处对穿孔值的影响
不大。
(2) 由于操作不当造成溶剂甲苯中混入少量的水，
也会对穿孔值有影响.
(3) 板材含水率对检测的甲醛释放量有显著影响。
建议修订检测标准时考虑这一点。
(4) 建议在萃取操作时，在冷凝管与萃取管的接口
部位，以及萃取管的管身部位适当添加一些保温材料，
有利于甲苯回流速度的恒定。
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(上接第8页)
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