全 文 ：第 ww卷 第 y期
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林 业 科 学
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微米木纤维模压制品形成的试验装备与工艺
马 岩t 潘承怡t ou
kt q东北林业大学 哈尔滨 txssws ~u q哈尔滨理工大学 哈尔滨 txss{sl
摘 要 } 研究微米木纤维模压制品形成的专用模压设备 o阐述试验方法 o介绍初步的模压工艺 ∀根据其方法可制
备密度达 t1vs ª#¦°pv !握钉力达 u wxs ‘!孔深 xs °°以上的压制木零件 o超过现有纤维或刨花制品的性能 ∀本文
提出的微米木纤维模压制品工艺方法 o可以制备具有超高密度和超高强度的异型曲面零件 o一次成型 o提高原料利
用率 o并简化异型曲面零件加工工序 ∀将细胞裂解理论 !微米切削技术转化到工程应用 o有效利用了废劣材 !次小
薪材 o通过细胞重组和模压成型 o提高了木材出材率 ∀文中给出试验的初步工艺参数是经过多次试验获得的宝贵
经验 o对有志于该方向的产品开发将起到重要的借鉴和推动作用 ∀
关键词 } 微米木纤维 ~模压 ~设备 ~工艺 ~试验
中图分类号 }×≥yxv 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsy p sttv p sx
收稿日期 }ussz p sx p uw ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsxztwxx ovszztyz|l和黑龙江省攻关项目kŠ≤sw„ystl共同资助 ∀
Εξπεριµενταλ Εθυιπµεντ ανδ Τεχηνολογψ οφ Φορµινγ Μιχρον Ωοοδ Φιβερ Μουλδ Προδυχτ
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kt1 Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txssws ~u1 Ηαρβιν Υνιϖερσιτψοφ Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψ Ηαρβιν txss{sl
Αβστραχτ } ¬¦µ²± º²²§©¬¥¨µ°²∏¯§³µ²§∏¦·¥¤¶¨§²± ¦¨¯¯ ¥µ¨¤®·«¨²µ¼¬¶¤±¨ º ®¬±§²©°¤± °¤§¨ «¬ª«¶·µ¨±ª·«º²²§³µ²§∏¦·q
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Κεψ ωορδσ} °¬¦µ²± º²²§©¬¥¨µ~°²∏¯§³µ¨¶¶¬±ª~¨´ ∏¬³°¨ ±·~·¨¦«±²¯²ª¼~ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·
微米木纤维模压制品是基于木材细胞裂解理论k马岩 oussv ~⁄¬¤² ετ αλqot||yl o通过微米技术切削而成
的微米木纤维k马岩等 oussyl模压而成的人造木基材料制品 o它在普通压机上可以模压成新型高强度 !高密
度 !高握钉力 !深孔复杂结构的压制木零件 ∀以废劣材 !次小薪材为原料模压成型的微米木纤维制品是塑料
制品的绿色替代制品 o是曲面外形的实木雕刻零件的有效替代品 ∀该产品不仅有优良的力学性能 o还具有天
然木本色 !表面光泽度好 !油漆亲和力好 !外观优美 !手感好 !档次高 !保温 !环保 !易加工等优点 o可广泛应用
于汽车内饰零件k马岩 ousswl和家具等 o未来市场前景广阔 o必将产生可观的经济效益和社会效益 ∀
t 微米木纤维模压制品的力学性能概述
各种碎料板板种差别的实质是纤维单元形态的差别 o不同的纤维单元形状构造了不同的人造板 ∀在现
在传统人造板中 o⁄ƒ在碎料板中的纤维单元径级最细 !长度最短 ~重组木在碎料板中的纤维单元最粗且最
长 o从而使它的静曲强度和弹性模量都足够 ~ ’≥…在碎料板中的片宽度最大 o纤维长度和厚度仅次于重组
木 o这样的纤维结构导致它的强度仅低于重组木 o远远高于 ⁄ƒ和刨花板 ~刨花板介于在这些板种之间 ∀总
之 o⁄ƒ的纤维太短了 o重组木的纤维太粗 !太长了 o’≥…的纤维太厚了 o刨花板的纤维基本没有优点 ∀这些
板在强度 !握钉力 !内应力 !表面质量 !工艺性能等方面的本质差异往往体现在纤维单元的尺寸差异上 o也是
尺寸差异的原因导致各种人造板都有某些不好的性能 ∀吸收各种板材纤维形态的优点 o构造新型的纤维形
态 o是微米长纤维概念提出的原因 ∀近年来 o发达国家也在探讨减薄纤维厚度的问题 o纤维加工的最著名厂
家德国迈耶公司近期推出磨片机 o将刨片机加工后的刨花进行磨片加工 o将纤维的厚度达到 ts Λ°左右 o震
撼了国际人造板行业 ∀图 t !u分别是我们和德国迈耶公司加工的微米纤维的图片 ∀
图 t 纤维加工到微米时的絮状结构
ƒ¬ªqt ƒ¯ ²¦¦∏¯ ±¨¦¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©©¬¥¨µ³µ²¦¨¶¶¨§·² °¬¦µ²±
图 u 德国迈耶加工的微米刨花
ƒ¬ªqu ¬¦µ²2©¬¥¨µ³µ²¦¨¶¶¨§¥¼ ¤¼¨ µ≤²°³¤±¼ ²© Š¨ µ°¤±¼
传统人造板的纤维与微米纤维的尺寸对比见表 t ∀
表 1 微米板与传统人造板的纤维形态对比
Ταβ .1 Σηαπεσ χοντραστ οφ µιχρο2φιβερ ανδ βοαρδ φιβερ
板材类型
×¼³¨ ²©¥²¤µ§
形状
≥«¤³¨
长度
¨±ª·«Π°°
宽度
•¬§·«Π°°
厚度
׫¬¦®±¨ ¶¶ΠΛ°
微米板 ¬¦µ²2©¬¥¨µ¥²¤µ§ 长薄片状 ²±ª©¯¤®¨ ws ∗ {s u ∗ { vs ∗ tus
刨花板 ƒ¯ ¤®¨ ¥²¤µ§ 片状 ≥«¨ ·¨ ts ∗ vs t ∗ y uss ∗ yss
纤维板 ƒ¬¥¨µ¥²¤µ§ 针状 „¦¨µ²¶¨ tx ∗ vx s1t ∗ s1x tss ∗ xss
图 v 汽车换挡杆手柄
ƒ¬ªqv ≤¤µ. ¶­²¼¶·¬¦®
细胞裂解是形成微米木纤
维模压制品纤维的前提条件 o
通过纵向顺纹劈裂木材细胞可
以获得近似纯木纤维 o即形成
微米级木纤维 o用微米木纤维
模压成型的木制品具有超高密
度和超高强度 k马岩 ousst ~
≤¤¯ ∏¯° ετ αλqot|||l ∀木材细胞壁物质密度一般约为 t1xv ª#¦°pv o但木材的整体密度大多小于 t ª#¦°pv o主
要是因为木材细胞空心组织结构的影响k马岩 oussu ~ ¤¨ ®¤º¤ ετ αλqot||vl o通过细胞裂解和纤维重组模压
成型的新型微米木纤维材料密度远大于木材原有密度 o如东北红松k Πινυσ κοραινενσισl木材平均密度为
s1wv| ª#¦°pv o而利用实验室设备制备的同材质微米木纤维模压制品密度平均值为 t1tzy ª#¦°pv o最大可以
达到 t1vs ª#¦°pv o握钉力大于 u wxs ‘o吸水膨胀率极低 o浸泡 uw «几乎没有变化 ∀一般木材的密度越大 o握
钉力越大k成俊卿 ot|{xl o弹性模量和静曲强度也越大k马岩等 ousszl o所以提高木材的密度就可以提高其力
学性能 o微米木纤维模压制品的密度均在 t1sx ª#¦°pv以上 o力学性能显著提高 ∀另一方面 o木材天然缺陷在
微米状态很难形成长纤维形态 o略加筛选就可以剔除有天然缺陷的材质 o进行模压可大幅提高木材的可利用
率和充分利用废劣材 !次小薪材 ∀而且微米木纤维模压制品从木材出材率角度来看 o比传统实木雕刻或其他
材料去除法加工经济得多 o这将极大提高生产企业的经济效益 o对改变木材的传统加工模式也将产生相当的
影响 ∀同时还开发了微米木纤维的新产品 o使其不只用于高密度板的生产k马岩 oussxl o微米木纤维模压制
品优良的力学性能将使其产品范围不断扩大 ∀
u 微米木纤维模压制品模压成型设备
模压设备的关键是合理设计模具和模压机 o下面以汽车换挡杆手柄的模压设备为
例 o分析模具和模压机设计中的主要问题 ∀换挡杆手柄是典型的曲面异型汽车构件 o现
在最高档轿车采用桃木雕刻制成 o而绝大多数汽车采用的都是塑料伪桃木 o或者就是塑
料制品 ∀用微米木纤维模压成型的汽车手柄无论从外观还是性能上都能和实木媲美 o
具有塑料无法比拟的效果和优势 o利用实验室设备制备的微米木纤维模压汽车换挡杆
手柄样品如图 v所示 ∀
wtt 林 业 科 学 ww卷
图 w 模压部件
ƒ¬ªqw ²¯§¬±ª³¤µ·¶
t1 进料孔 ƒ¨¨§2¬± «²¯¨~u1 上模具 ˜³¶¬§¨ °²∏¯§~
v1 定位销 ²¦¤·¬±ª³¬±~w1 加热器 ‹ ¤¨·¨µ~
x1 下模具 ˜±§¨µ¶¬§¨ °²∏¯§~y1 活芯 ²√¤¥¯¨¦²µ¨ ~
z1 卸料器 • °¨²√¬±ª³¤µ·¶q
图 x 模压机结构
ƒ¬ªqx ≥·µ∏¦·∏µ¨ ²© °²∏¯§¬±ª³µ¨¶¶
211 模具
模具应根据模压件形状以结构简单 !易于成型 !便于拔模 !成型精
度高为原则进行设计 o并且要根据模压件在工作时的受力方向选取模
压方向 ∀图 w所示为微米木纤维模压汽车换挡杆手柄的模压部件示
意图 ∀以球形中间平面为分型面 o采用上 !下模具加活芯造型 o顶端送
料反复冲压 o螺旋卸料器装模 !卸模 o销钉定位保证成型精度 ∀由于模
压压力较大 o模具和活芯要有足够的强度和刚度 o材料选用 wx钢调
质 ∀考虑模压件的表面质量 o模具型腔表面要求表面粗糙度值 Ρ¤ [
t1y o活芯表面粗糙度值 Ρ¤ [ v1u ∀定位销与孔采用过渡配合以保证
上 !下模合模精度 ∀
模压方向决定纤维排布方向 o纤维间用胶粘合 o纤维受压后微观
上基本排布在垂直于冲压方向的各层平面内 ∀模压方向和纤维排布
方向应根据模压件受力方向和螺钉连接形式而定 ∀汽车换挡杆手柄
与换挡杆采用螺纹连接 o螺纹牙失效的可能性大于手柄纵向拉断的可
能性 o为提高握钉力 o采用顺手柄轴线的顶端模压方向 ∀工作时手柄
受沿手柄轴线的拉或压力 o螺纹牙纤维方向与受力方向垂直 o木纤维
受横向压切和弯折作用 o强度较纵向受载高 ∀而且顶端进料和冲压也
利于模压件成型和提高密度 o因此设计模压方向的原则是提高握钉力
和构件自身强度以及易于成型和提高密度 ∀
对其他形状的微米木纤维模压制品则需根据自身形状特点 o合理
设计模具 o主要需解决的问题是分型面和模压方向的确定 ∀
212 模压机
模压机由液压系统 !冲压部件 !传动部件 !模压部件 !机架等组成 o
微米木纤维模压汽车换挡杆手柄模压机结构简图如图 x所示 ∀液压
系统k图中略l为冲压部件提供动力 o控制冲压频率和次数 o最大加压能力需达到 w ∗ z °¤∀传动部件用于
进料 o并控制送料机构与冲压部件协调运动 ∀模压部件是成型的主体部分 o要求有足够的刚度 o尤其是上 !下
模的连接刚度 o如刚度差则很容易出现填充料在分型面外溢 o影响模压件形状误差 ∀机架是整个机器的支
承 o必须有足够的稳定性和刚性 ∀
其他形状的微米木纤维模压制品则需根据自身形状特点设计模
具和模压机 o模压机设计主要应注意送料系统工作可靠和高效 o进行
可靠而高效的送料是提高模压加工整体生产效率的关键 ∀汽车换挡
杆手柄实验机采用纵向螺旋进料 o结构比较紧凑 o占地面积小 o适合单
件和小批量生产 o大批量生产可增加专用的送料运输线 o改用横向送
料法 o可以提高生产效率 ∀
213 其他仪器和设备
制备微米木纤维模压制品需要的辅助仪器和设备有 }微米木纤维
切削机 !纤维打碎机 !纤维拌胶机 !干燥机 !自动控温加热器 !电子秤 !
游标卡尺等 ∀
微米木纤维切削机切制的纤维根据模压件尺寸大小和进料孔大
小决定是否需经纤维打碎机打碎 o以降低纤维长度和宽度 o使进料和
模压件材质均匀 ∀模压件尺寸越小则需纤维尺寸越小 o尺寸较大的模
压件 o如汽车座椅 !车地板等 o可以不需打碎纤维 o或根据所需的模压
件表面纹理要求确定纤维打碎程度 ∀
用于纤维切削的木材如含水率太大 o切削前需用干燥机进行干
燥 o含水率过大将影响纤维切削厚度 ∀自动控温加热器功率可选
xtt 第 y期 马 岩等 }微米木纤维模压制品形成的试验装备与工艺
t ∗ u ®• o并具有恒温控制功能 ∀电子秤和游标卡尺用来检测模压件的质量 ∀
v 微米木纤维模压制品制备工艺
下面以微米木纤维汽车换挡杆手柄为例介绍微米木纤维模压制品形成的工艺过程 ∀试验木材选小兴安
岭红松 o密度 s1wv| ª#¦°pv o含水率 tu h ∗ tx h ∀
微米木纤维汽车换挡杆手柄模压工艺流程图见图 y ∀
图 y 模压工艺流程图
ƒ¬ªqy × ¦¨«±²¯²ª¬¦¤¯ ©¯²º ¦«¤µ·²© °²∏¯§³µ¨¶¶¬±ª
微米木纤维切削机切削出的纤维厚度均在 |s Λ°以下 o平均厚度为 xu Λ°∀考虑手柄尺寸小且进料孔也
较小 o需将纤维经打碎机打碎 o打碎后宽度 w ∗ { °° o长度 tx ∗ vs °°∀模压手柄尺寸 ywy °° ≅ zs °° o孔
ytu °° ≅ xs °°∀模压密度大于 t1sx ª#¦°pv o平均密度 t1tzy ª#¦°pv ∀
图 z 压力曲线
ƒ¬ªqz °µ¨¶¶∏µ¨ ¦∏µ√¨
填充用料越多密度越高 o所需模压压力越大 o加压曲线如图 z所
示 o一般施加最大压力为 z °¤∀拌胶按施胶率配比将纤维与胶混合 o
用纤维拌胶机将纤维与胶搅拌均匀 o搅拌机对纤维的揉搓摩擦会使少
数纤维严重卷曲 o卷曲的纤维不能充分与胶接触 o影响产品质量 o所以
需尽量去除卷曲纤维 o去除卷曲纤维后重新计量纤维质量 ∀每个手柄
所需的纤维质量为 tss ∗ tsx ªo模压成型后质量略降低 o约为 |x ∗
tss ªo这主要是由于加热使水分减少的原因 ∀进料约分 { ∗ ts次进
行 o进料一次冲压一次 o进料不可一次太多 o否则容易使模压件密度不
均 o严重时出现模压件表面疵点 o形成废品 ∀冷压成型后加热至 txs ∗
t{s ε o保温 ts °¬±∀由于压力较大 o试验初期保压 u1x ∗ v «o一般是
模具温度降低为室温后开起模具 o如保温后立即开起模具 o模压件会由于突然减压而开裂 ∀
试验表明 o微米木纤维汽车换挡杆手柄试验样品密度大部分在 t1tw ∗ t1vs ª#¦°pv之间 o用料质量在
ys ∗ tsx ª时压力变化较明显 o质量小于 yx ª的手柄密度一般低于 t1sx ª#¦°pv o质量大于 |s ª的手柄密度一
般高于 t1tw ª#¦°pv o质量大于 tss ª的手柄密度可达 t1vs ª#¦°pv o按规定工艺参数制备的试验样品密度很
容易达到 t1tw ª#¦°pv以上 o本文制备的实验室样品密度平均值为 t1tzy ª#¦°pv ∀
表 2 试验样品检验结果
Ταβ .2 Χηεχκ ρεσυλτσ οφ εξπεριµενταλσαµ πλε
手柄质量
¤¶¶²©­²¼¶·¬¦®Πª
手球直径
⁄¬¤°¨ ·¨µ²©«¤±§¥¤¯ Π¯°°
手柄长度
¨±ª·«²©­²¼¶·¬¦®Π°°
手柄密度
⁄¨ ±¶¬·¼ ²©­²¼¶·¬¦®Πkª#¦°pvl
tst1t wy1ys zt1tu t1vs
tss1w wy1x{ zt1sw t1vs
|z1u wy1w{ zs1y| t1ut
|u1{ wy1wv zs1uw t1ty
|t1x wy1v{ zs1ty t1tw
由于模压件密度不同 o并且存在卸模时体积回弹现象 o同一模具制备的微米木纤维汽车换挡杆手柄尺寸
和体积有差异 o本文的试验样品体积在 zs ∗ zw ¦°v 之间 ∀模压密度越高模压件体积越大 o回弹程度还和纤
维形态 !温度 !保压时间等多种因素有关 o准确的回弹率还需进一步深入的理论和试验研究 ∀现在初步的试
验中 o只要准确控制工艺参
数k如纤维量 !施胶率 !压力 !
温度 !保压时间等l o基本可
以控制回弹率 ∀在密度一定
的前提下 o模压件的尺寸和
体积基本一致 o误差在允许
范围内 ∀表 u中为几个试验
样品的尺寸检验结果 ∀
握钉力一般与密度呈近
ytt 林 业 科 学 ww卷
似线性关系k成俊卿 ot|{xl o密度为 s1wv| ª#¦°pv的东北红松握钉力为 t vyu ‘∀经黑龙江省人造板检测中心
检测 o本文制备的密度为 t1sx ª#¦°pv的试验样品握钉力达 t |vv ‘~密度为 t1vs ª#¦°pv的试验样品握钉力
达 u wxs ‘o明显高于实木 o超过现在所有人造木基材料制品和塑料制品 o说明利用微米纤维通过模压可以极
大提高人造木制品的强度 ∀
w 微米木纤维模压制品的应用前景
木纤维模压制品在德国 !意大利已经开始研究 o而微米木纤维模压制品以细胞裂解理论为基础 o从微观
改变纤维结构 o进行纤维重组 o对改善模压零件的强度性能有显著效果 ∀而且从基础理论研究到产品开发都
是我国自主研究 o具有自主知识产权 o节省了大量进口设备和技术的投资 ∀其产品将首先应用于汽车内饰 o
如汽车仪表板 !操纵杆 !座椅 !窗饰 !车地板及车旁板等 o将促进我国汽车行业的发展 o并将进一步走向家具市
场 ∀由于它的优美外观和类似实木的品质 o其产品将代替高档实木制品走进普通市民消费群体 o满足对高档
木品有消费愿望但又买不起的消费者的需求 o提高人民消费水平 ∀又由于它利用的原材料是废劣材和次小
薪材 o对保护林木资源降低生产成本都有非常重要的实际意义 ∀
x 结论
tl 本文提出了基于细胞裂解的微米木纤维模压制品试验设备与初步的工艺方法 o给出了模压设备的结
构 o对微米木纤维模压制品的实验和研究奠定了前期的试验基础 ~
ul 分析了模具和模压机的设计原则和存在问题 o为微米木纤维模压制品的关键设备设计提出建议 ~
vl 文中给出试验的初步工艺参数为经过多次试验获得 o对该方向的产品开发将起到重要的借鉴和推动
作用 ∀
参 考 文 献
马 岩 qussv1 利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究 q林业科学 ov|kvl }ttt p ttx q
马 岩 o杨春梅 qussy1 微米木纤维切削加工功率的理论计算方法与效益分析 q林业科学 owukvl }ww p wz q
马 岩 qusst1 纳微米科学与技术在木材工业的应用前景展望 q林业科学 ovzkyl }ts| p ttu q
马 岩 qussu1 微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究 q生物数学学报 otzkvl }vxv p vxz q
马 岩 o阿 伦 qussz1 ƒ…构成机理及孔穴压缩变化率对其力学性能的影响 q林业科学 owvkyl }tuv p tuz q
马 岩 qussx1 微米木纤维形成 ƒ…的初探 q林产工业 ovukwl }y p { q
马 岩 qussw1 中国木工及人造板机械行业如何适应汽车工业的发展 q林业机械与木工设备 ovu }z p ts q
成俊卿 qt|{x1 木材学 q北京 }中国林业出版社 ozwu p zwv q
⁄¬¤² ÷ oƒ∏µ∏±²× o˜ «¨¤µ¤× qt||y1 „±¤¯¼¶¬¶²©¦¨¯¯ ¤µµ¤±ª¨ ° ±¨·¬±¶²©·º²²§¶∏¶¬±ª·º²2§¬°¨ ±¶¬²±¤¯ ©¤¶·©²∏µ¬¨µ·µ¤±¶©²µ°¤·¬²±q ²®∏½¤¬¶«¬owukzl }yvw p ywt q
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k责任编辑 石红青l
ztt 第 y期 马 岩等 }微米木纤维模压制品形成的试验装备与工艺