全 文 ：第 ws卷 第 v期
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林 业 科 学
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平面密度分布对刨花板内结合强度的影响
梅长彤 周定国
k南京林业大学 南京 utssvzl
戴春平
k加拿大福林泰克研究院 加拿大 ∂y× t • xl
摘 要 } 平面密度变异是非单板类木质人造板所共有的一种结构现象 o其变异程度和分布特征对板材性能有一
定影响 ∀本文利用单板条模拟 w种具有不同平面密度分布的刨花板 o讨论了随机铺装刨花板坯模型的平面密度分
布规律及试件大小与密度分布的关系 o分析了密度以及平面密度分布对非单板类木质人造板内结合强度的影响 ∀
结果表明 }随机铺装刨花板的平面密度遵循正态分布规律 ~内结合强度受密度影响较大 o密度增加有助于内结合强
度提高 o但密度过高将导致内结合强度下降 ~试件大小影响试件之间密度变异程度 o适当增加试件尺寸 o可降低内
接合强度测试结果的离散性 ∀
关键词 } 平面密度分布 o内结合强度 o非单板类木质人造板 o模型
中图分类号 }≥z{t1y 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsv p stuv p sx
收稿日期 }ussu p ts p t{ ∀
Εφφεχτσ οφ Ηοριζονταλ ∆ενσιτψ ∆ιστριβυτιον ον Ιντερναλ Βονδ Στρενγτη οφ Παρτιχλεβοαρδ
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Κεψ ωορδσ} ‹²µ¬½²±·¤¯ §¨±¶¬·¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±oŒ±·¨µ±¤¯ ¥²±§¶·µ¨±ª·«o‘²±2√¨ ±¨ µ¨º²²§¦²°³²¶¬·¨¶o ²§¨¯
随着全球范围内优质大径级原木日益减少 o建筑用锯材和胶合板产量呈逐年下降趋势 o而市场对人造板
的需求却在不断增加 o非单板类木质人造板k定向刨花板 !普通刨花板和中密度纤维板l将是未来人造板领域
的主力军 ∀目前 o定向刨花板和结构刨花板已在很大程度上替代结构胶合板用于房屋建筑 ∀人造板性能与
许多因素有关 o其中密度是决定其物理和机械性能最主要的因素之一 ∀由于木材原料本身的密度差异 !产品
结构特点以及热压工艺的不同 o造成了板材内部存在一定的密度差异k§¨±¶¬·¼ √¤µ¬¤·¬²±l o这种密度差异既存
在于板材厚度方向 o也存在于板面方向 o密度差异的存在必将对产品性能产生影响 ∀多年来 o各国科学家对
厚度方向上的端面密度分布k√¨ µ·¬¦¤¯ §¨±¶¬·¼ ³µ²©¬¯¨ l一直非常关注 o并进行了较系统深入的研究kŽ¨¯¯¼ ot|zz ~
• ²¯¦²· ετ αλqot||sl ~但对于板面方向的平面密度分布k«²µ¬½²±·¤¯ §¨±¶¬·¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±l却没有引起人们足够的
重视 o目前仅有少数科学家在此领域进行了一些研究k≥∏¦«¶¯¤±§ ετ αλqot|{| ~⁄¤¬ετ αλqot||w¤~t||w¥~÷∏ ετ
αλqot||x¤~t||x¥l ∀本研究将对平面密度分布与板材性能的关系 o特别是平面密度分布对内接合强度和尺
寸稳定性的影响进行探讨 ∀
t 平面密度分布模型
刨花板平面密度分布最早由 ≥∏¦«¶¯¤±§kt|x|l提出 ∀他将刨花板简化成由相互不连续的刨花层组成的理
想化结构 o并且每层中刨花与刨花之间存有一定空隙 ∀在此假设的基础上 o≥∏¦«¶¯¤±§设计出了第一个用来研
究刨花板平面密度分布的模型 o该模型由多层单板组成 o每张单板预先打上数目相同的孔 o单板上孔的位置
是随机分布的 ∀在这个模型中 o板面内任一小面积上单板重叠数k²√¨ µ¯¤³l的分布k亦即压制成板材后的平面
密度分布l o服从二项式分布 }
5k µl € νµ π
µkt p πlνp µ
其中 }yk µl为小面积上单板重叠数为 µ 的概率 ~µ 为单板重叠数k密度l ~ν为总单板层数 ~π为每层内木材
相对体积k h l ∀
⁄¤¬和 ≥·¨¬±¨ µkt||w¤~t||w¥l应用二维随机场理
论建立了计算机模型来预测随机铺装的刨花板坯
内平面密度的分布情况 ∀他们认为在随机铺装板
坯内的任一点上刨花重叠的概率服从泊松分布 o已
知刨花的平均长度 !宽度 !刨花总数以及各层总面
积就可以预测出板坯的结构特性 o包括平面密度分
布情况 ∀≥∏¦«¶¯¤±§和 ÷∏kt|{| ~t||tl又开发出了用
单板条k√¨ ±¨ µ¨¶·µ¬³l来模拟刨花板平面密度分布的
模型 ∀该模型是由若干层组成的正方形板坯k图
tl o每层又由数根相互平行的单板条组成 ∀每层板
图 t ≥∏¦«¶¯¤±§板坯铺装模型示意图
ƒ¬ªqt Œ¯ ∏¯¶·µ¤·¬²± ²©√ ±¨¨ µ¨¶·µ¬³ °²§¨¯¦²±¦¨³·
坯就如同 Ν ≅ Ν的格子方阵 o单板条的宽度与方阵中格
子的宽度一致 o其长度与板坯长度相等 ∀每层中单板条
数 Ξ由计算机随机产生kt [ Ξ [ Νl o并由计算机随机安
排每一根单板条在该层内的摆放位置 o相邻两层之间单板条纹理互相垂直 o这样一来最后形成的板坯各个单
元格之间单板条重叠数就存在一定的差异 o这种差异在板坯压制成板材之后会被保留下来 o从而形成了刨花
板的平面密度偏差k«²µ¬½²±·¤¯ §¨±¶¬·¼ √¤µ¬¤·¬²±l ∀该模型的优点在于利用计算机技术 o试验者可以预知板材各
处的密度 o并可人为控制密度差异的大小 o具有试验和测试上的方便性 ∀本研究在该模型的基础上进行了部
分改进 o固定每层的单板条数 o使试验操作更加方便 ∀
u 材料与方法
211 材料
采用加拿大产美洲山杨k Ποπυλυστρεµυλοιδεσl为原料 o气干密度约 s1wx ª#¦°pv ∀将杨木段首先旋切成 s1{
°°厚的单板 o室温下自然干燥至含水率 ts h左右 o锯割成宽度 ux °° !长度 zss °°的单板条 o烘干至含水率
u1x h ∀采用 w辊筒涂胶机对单板条进行双面精确涂胶 o胶种为 ’≥…生产用液态酚醛树脂胶 o固体含量
xz h o施胶量 x h k固体胶量与单板条绝干重量比l ∀涂胶后的单板条手工逐条逐层铺装成板坯 ∀
212 制板方法
采用的板坯幅面尺寸为 zss °° ≅ zss °° o可视为 u{行 ≅ u{列的矩阵kux ≅ u{ € zssl ∀每层共可不重叠
摆放 u{根单板条ku{个摆放位置l ∀为获得不均匀的密度分布 o本试验中每一层仅放入 t{根单板条 o每根单
板条的位置由计算机在 u{个位置中随机产生 o相邻两层单板条相互垂直摆放 o铺装后的板坯共由 z{w个 ux
°° ≅ ux °°小单元组成 o待热压成板材之后 o各小单元的密度决定于其中单板的重叠数 ∀铺装后的板坯放
入由计算机精确控制的压机中进行热压 o热压条件为 }闭合时间 ws¶!温度 uts ε !热压时间 uws¶∀热压过程
中采用厚度程序控制 o板子名义厚度 tt °°∀为了得到需要的重叠数 o试验中采用 w种名义密度k表 tl o每种
密度重复 v次 o共压制 zss °° ≅ zss °° ≅ tt °°试验板材 tu块 ∀热压后的板材统一放入相对湿度 yx h和温
度 us ε 的恒温恒湿箱中平衡至含水率 tu h ∀
213 测试方法
根据计算机产生的板坯模型确定并标出试验板上对应单元格的重叠数 ∀就每一个单元格kux °° ≅ ux
°°l来说 o其重叠数各处是一样的 o亦即单元内不存在平面密度差异 o在研究密度与对内结合强度kŒ…l的影
wut 林 业 科 学 ws卷
响时 o以一个单元格作为试件大小 o每块试验板上所有不同重叠数的单元各锯取 v块进行 Œ…性能测试 ∀在
研究不同密度分布对 Œ…的影响时 o除 ux °° ≅ ux °°的试件以外 o还采用了包含 w个单元kxs °° ≅ xs °°l和
|个单元kzx °° ≅ zx °°l的试件尺寸 ∀Œ…测试按 t||z年美国 „≥א 标准在 wusu型 Œ‘≥ו ’‘万能力学试验
机上进行 o加载速度 x1v °°#°¬±pt ∀
表 1 模拟板材的平均密度及结构特性
Ταβ . 1 Νοµιναλ δενσιτψ ανδ στρυχτυρε χηαραχτεριστιχσ οφ φουρ σιµ υλατεδ φλακε βοαρδσ
项 目 Œ·¨°¶ „ … ≤ ⁄
层数 ¤¼¨ µ uv u| vv v|
名义密度 ‘²°¬±¤¯ §¨±¶¬·¼Πkª#¦°pvl s1w{ s1ys s1y{ s1{s
最大重叠数 ¤¬q²√ µ¨¯¤³¶ t{ uv u{ vs
最小重叠数 ¬±q²√¨ µ¯¤³¶ ts tv tv t{
平均重叠数 „√ µ¨¤ª¨ ²√¨ µ¯¤³¶ tw1t{ t{ us1xz uw1ut
标准偏差 ≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²± ²©²√¨ µ¯¤³¶ t1{w t1|x u1xu u1x{
v 结果与讨论
311 平面密度分布
图 u 模拟刨花板坯内重叠数分布
ƒ¬ªqu ⁄¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©²√¨ µ¯¤³¶¬± u|2¯ ¤¼¨ µ
¶¬°∏¯¤·¨§©¯¤®¨ °¤·
板平面内密度变异性是非单板类木质人造板k刨花板 !纤维
板l生产中不可避免的固有现象k≥∏¦«¶¯¤±§ot|yu ~⁄¤¬ετ αλqot||w¤l o
其密度变异程度k即平面密度分布l主要决定于原料单元尺寸和板
坯成型工艺 ∀研究表明 o铺装方式对板坯的三维结构起着至关重
要的作用 o单元k刨花或纤维l在铺装机内下落时自由度或随机性
越大 o铺装后的板坯结构均匀性越好 o反之越差 o一般来讲 o定向刨
花板的平面密度变异大于普通刨花板 ~构成单元的大小和几何形
状对板平面密度变异亦有明显影响 o单元越小 o板坯结构均匀性越
好 o通常纤维板的均匀性优于普通刨花板和定向刨花板 ∀
本试验基于随机铺装理论 o利用计算机模型 o以单板条代替
大片刨花 o构造出具有一定密度变异的板坯 o旨在研究刨花板平
面密度分布规律及其对板子性能的影响 ∀图 u为 u|层k板名义
密度 s1ys ª#¦°pv o标准偏差 t1|xl的板坯模型 o显示出了各单元
重叠数在板坯平面内的分布情况 ∀重叠数代表单元格内所含木
片的层数 o待板坯被压制成厚度均匀的板材以后 o重叠数越大的地方 o最终密度将越高 o故重叠数大小决定了
热压后板子该处密度k¯ ²¦¤¯ §¨±¶¬·¼l的高低 ∀从图中可以看出板坯中各单元格重叠数分布具有明显的不均匀
性 o这种不均匀性是造成刨花板平面密度变异的根本原因 ∀同时也观察到不同的重叠数在板坯内分布是随
机的 o统计分析表明 o各重叠数出现的频率具有一定的规律性 o出现频率较高的重叠数集中在所有单元重叠
数的平均值附近 o如图 vk平均密度 s1ys ª#¦°pvl中柱状图所示 ∀对比根据其均值k¤√¨ µ¤ª¨ ²√¨ µ¯¤³l和标准差
k¶·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±l拟合出的正态分布曲线看出 o重叠数在板坯中的分布遵循正态分布规律 ∀板坯模型中 o重
叠数的均值和标准差是两个关键指标 o其中均值反映了最终板材的平均密度 o而标准差则体现了板坯结构均
匀性的优劣 o亦是板材平面密度变异程度的表征 ∀试验中还可以通过计算机程序方便地调整标准差的大小 o
从而获得平均密度相同而密度分布不同的板材 ∀
312 平面密度分布对内结合强度(Œ…)的影响
v1u1t 密度与内结合强度 如前所述 o密度与板材的物理力学性能密切相关 o而内结合强度kŒ…l是衡量非
单板类木质人造板性能的一个重要指标 ∀在使用相同胶粘剂和施胶量的情况下 o板材密度是决定 Œ…大小的
关键因素 ∀由于密度变异的存在 o故刨花板各处的 Œ…也将有所差异 ∀一般认为 o密度的增加有助于提高板
材的内结合强度 o但是本研究表明 oŒ…并非随密度的增加而线性增加 ∀如图 wk试件尺寸 ux °° ≅ ux °°l所
示 o在低密度区 oŒ…随密度的增加而迅速提高 o在某个密度值k本试验中该值出现在第 uu个重叠数处 o相当
于 s1zu ª#¦°pvlŒ…达到最高值 o然后随密度的增加 Œ…反而呈下降趋势 ∀可见 o超过某一临界值后 o密度的增
xut 第 v期 梅长彤等 }平面密度分布对刨花板内结合强度的影响
图 v 模拟定向板内各重叠数出现次数及频率
ƒ¬ªqv ‘∏°¥¨µ²©²¦¦∏µµ¨±¦¨ ¤±§©µ¨ ∏´¨ ±¦¼ ¤¶¤©∏±¦·¬²±
²©²√¨ µ¯¤³¶¬± ¨¯ °¨¨ ±·¶²©¶¬°∏¯¤·¨§©¯¤®¨ °¤·
加反而给内结合强度带来负面影响 ∀刨花之间的胶合一方面取决
于刨花表面胶粘剂的分布情况 o另一方面又依赖于刨花表面之间
相互接触的紧密程度 ∀热压时 o由于板坯结构不均匀性 o导致板坯
上压力分布不均 o使得各处木材压缩率不等 ∀重叠数高处承受了
绝大部分的压力 o压缩率高 ~而重叠数低处可能只有很小的压力 o
压缩率小 ∀增加压力 o有利于提高刨花之间的接触和刨花表面胶
粘剂的流展和相互转移 o从而有助于 Œ…的提高 o同时由于压缩率
增加 o单元密度亦随之增加 ~当压力增加到一定值时 o刨花之间的
接触达到最佳 oŒ…也到达了最高点 ~压力进一步增加 o刨花之间接
触已不会改善 o相反地 o过高的压力将导致木材破坏k细胞壁压溃l
和内应力增加 o导致了 Œ…减小 ∀从 Œ…试件的破坏形式也可以明
显看出 o重叠数较小的试件多表现为胶接面破坏 o而重叠数较大的
试件则多表现为木材破坏 ∀
图 w 重叠数k密度l与内结合强度
ƒ¬ªqw • ¨¯¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨ ± Œ… ¤±§±∏°¥¨µ
²©²√¨ µ¯¤³¶
图 x ∗ z分别为常温下径向压缩 x h !ux h和 ys h后加拿大杨木细
胞结构的扫描电子显微镜图片k放大倍数 xss ≅ l ∀比较压缩率不同的
细胞结构发现 o随着压缩率的提高 o木材细胞壁断裂明显增多 ∀勿庸置
疑 o细胞壁的破坏将导致木材横向抗拉强度下降 o从而使 Œ…降低 ∀
综上所述 o一定范围内增加密度 o有助于内结合强度的提高 o但密
度过大则会对 Œ…不利 ∀生产中应从板坯结构着手 o尽量提高板坯均匀
性 o既有利于材料性能的稳定 o又可以节省原料 o减小压机负荷 o对降低
生产成本有着积极的意义 ∀
v1u1u 平面密度分布与内结合强度 为了探明平面密度分布对内结合
强度的影响 o试验中选择了分别包含一个单元kux °° ≅ ux °°l !w个单
元kxs °° ≅ xs °°l和 |个单元kzx °° ≅ zx °°lv种不同尺寸的试件进
行 Œ…测试 o结果见图 {k横坐标 xs °° ≅ xs °°和 zx ≅ zx °°试件的重叠
数为其所含各单元重叠数的平均值l ∀不同尺寸的试件有着不同的密度分布 o一个单元试件中不存在密度差
异 o而对于含有多个单元的试件 o由于各单元重叠数不尽相同 o密度不再是均匀分布 o一定程度上其密度差异
随试件尺寸的增加而增加 ∀研究发现 o具有不同密度分布的 v种试件 o内结合强度随密度的变化有着相似的
规律性 o但随着试件尺寸的增大 oŒ…最高点向高密度区偏移 ∀在低密度区 oxs °° ≅ xs °°和 zx °° ≅ zx °°
试件的 Œ…明显高于 ux °° ≅ ux °°试件的 Œ…o研究认为密度偏差是造成这种现象的根本原因 ∀内部具有密
度差异的试件 o各点 Œ…有高有低 o而整体试件的 Œ…则取决于试件中 Œ…较高的单元及其在试件中所占的比
例 ∀由此看来 o对于低密度刨花板来讲 o在标准范围内适当增加密度偏差 o有利于提高内结合强度 ~而对于中
高密度刨花板应尽量减少密度变异 ∀
图 x 压缩 x h后加拿大杨细胞结构
ƒ¬ªqx ¬¦µ²ªµ¤³«²©¤¶³¨ ± º²²§¶·µ∏¦·∏µ¨
¤©·¨µx h ¦²°³µ¨¶¶¬²±
图 y 压缩 ux h后加拿大杨细胞结构
ƒ¬ªqy ¬¦µ²ªµ¤³«²©¤¶³¨ ± º²²§¶·µ∏¦·∏µ¨
¤©·¨µux h ¦²°³µ¨¶¶¬²±
图 z 压缩 ys h后加拿大杨细胞结构
ƒ¬ªqz ¬¦µ²ªµ¤³«²©¤¶³¨ ± º²²§¶·µ∏¦·∏µ¨
¤©·¨µys h ¦²°³µ¨¶¶¬²±
yut 林 业 科 学 ws卷
图 { 试件尺寸对内结合强度的影响
ƒ¬ªq{ Œ±·¨µ±¤¯ ¥²±§¶·µ¨±ª·«¤¶¤©∏±¦·¬²± ²©¶³¨¦¬° ±¨ ¶¬½¨
图 | 内结合强度偏差与试件尺寸的关系
ƒ¬ªq| ≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²± ²©Œ… ¤¶¤©∏±¦·¬²± ²©¶³¨¦¬° ±¨ ¶¬½¨
板密度分布还与其Œ…偏差k¶·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±l有关 ∀理论上 o若板内密度均匀分布 o则Œ…应处处相等 o不
存在 Œ…偏差问题 ∀对于非单板类木质人造板来说 o板内密度变异是一种不可避免的现象 o所以 Œ…偏差也就
成为必然 o但 Œ…偏差又与被测试件大小有关 ∀试验表明 o随着试件尺寸的增加 oŒ…偏差呈下降趋势k图 |l ∀
说明试件尺寸增加 o减小了试件之间k¥¨·º¨ ±¨2¶³¨¦¬°¨ ±l的密度偏差 ∀ ÷∏等kt||x¤~t||x¥l对商业华夫板
kº¤©¨µ¥²¤µ§l的研究亦证明了这一点 ∀因此 o在板材内接合强度性能测试时 o应考虑选择合适的试件尺寸 ∀
w 结论
非单板类木质人造板存在平面密度变异 o计算机板坯模型研究证明随机铺装的刨花板 o板坯内平面密度
遵循正态分布规律 ~板材各处 Œ…受其密度影响较大 o增加密度k压缩率l有助于 Œ…的提高 o但密度过高将对
Œ…不利 ~平面密度变异影响 Œ…均匀性 o适当增加试件尺寸 o可以减小试件之间的密度差异 o从而降低 Œ…测试
结果的离散性 ∀
参 考 文 献
⁄¤¬≤ q ∂¬¶¦²¨ ¤¯¶·¬¦¬·¼ ²© º²²§¦²°³²¶¬·¨ °¤·¶§∏µ¬±ª¦²±¶²¯¬§¤·¬²±q • ²²§¤±§ƒ¬¥¨µ≥¦¬ousst ovvkvl }vxv p vyv
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