刨花板质量

如何提高刨花板质量（Ⅰ）--合理控制密度及垂直于板面密度分布摘自：本站原创作者：木业网编者按：我国的刨花板生产近十年来受到中密度纤维板（MDF）的冲击，曾一度处于回缩低迷状态；但最近几年来刨花板年产量已开始回升，2003年产量已达547.1万m3，进入了一个重新发展时期。如何提高刨花板质量是众多的刨花板生产企业首要的感兴趣的问题。为此，本刊特将中国林科院木材工业研究所王培元研究员生前在1985～1986年撰写的《如何提高刨花板质量》系列文章略加删简，分成七篇汇入本刊，着重介绍刨花板的原材料性质、板子结构、物理力学性能与制板工艺等关系；限于篇幅，删除了有关管理与设备篇章。对于目前所发展的各种结构刨花板，刨花板新产品、复合板、脲醛胶以外其它胶种所制造的刨花板、非木质原料刨花板等质量有关的特殊问题，不作介绍。一、合理控制密度及垂直于板面密度分布有关刨花板的质量问题似乎可分为两类：一类是带有原理性质的，如密度，垂直于板面的密度分布，表面质量，用胶量，施胶效率，甲醛释放，原料性质，刨花几何形状，板坯结构，热压条件，回弹，含水率及尺寸稳定性，产品不同用途对产品质量的要求等。另一类则属于生产中的产品质量控制，如产品厚度控制，合理砂光量控制，抗弯强度、垂直于平面的抗拉强度及吸水厚度及吸水厚度膨胀控制，车间质量控制，过程控制等。本文仅概要介绍密度和垂直于板面密度分布两个专题。（一）合理控制密度从我国现阶段刨花板生产情况出发，合理控制刨花板密度可是刨花板生产技术管理中的一把金钥匙。提高刨花板的密度几乎可以改进所有的力学性能。一般认为，当板的密度增加100kg/m3，静曲强度约可增加8N/mm2（80kgf/cm2），垂直于平面的抗拉强度约增加0.2N/mm2（2kgf/cm2）其它力学性能如抗弯弹性模量、握钉力、硬度、抗压损等都有很大增强。其原因是随着压缩比的增大刨花之间的孔隙减小，而且胶接面积增加，板子的强度自然增加。然而，随之而来也产生某些严重问题。第一，既然增加密度对刨花板的质量有如此明显效果，人们便以此作为医治质量的灵丹妙药。其趋势是刨花板密度越来越高，于是在产品成本和产品利用方面产生极为不利的影响。这种密度不断提高的现象是因为木材原料的质量越来越差，使用阔叶材、木材剩余物以及锯末等低值原料的缘故。此外，某些新贴面材料的使用也要求刨花板密度提高。第二，刨花板的密度对质量的影响既然如此敏感，在生产中就一定要有严格的措施，使板子的密度在平面方向力图尽可能均匀，才能保证质量的稳定。如何合理选择刨花板的密度？对此，各国学者做了大量研究工作。一般认为在加工过程中，影响板子密度的工艺条件有：原料密度、板密度与原料密度之比（即压缩比），用胶量，刨花几何形状等数项参数。例如，美国科技人员Price和Lehmann在七十年代末，用五种木材原料，其中三种为低密度木材，两种为高密度木材，分别用双鼓轮刨片机、旋切切片机、鼓式切片机、盘式削片机四种备料设备做出不同几何形状的刨花；用液体酚醛树脂作为胶合剂，采用不同的压缩比，制成三层结构的建筑用板。分别测试它们的静曲强度、平面抗拉强度（内结合力）和厚度膨胀率。从他们的试验结果可以看出以下几个趋势：⒈力学指标（静曲强度和平面抗拉强度）都随压缩比的增加而得到不同程度的改善。然其厚度膨胀值的趋势并非一定如此。⒉对于低密度木材原料，刨花的几何形状和用胶量这二参数对刨花板的物理力学性质的影响大于压缩比的影响。换言之，即刨花几何形状和用胶量对于用低密度木材所制成的刨花板的密度有比较明显的作用力。而对于高密度木材原料，则压缩比对刨花的性能有相当大的影响，其它因素只能起次要作用。⒊对于大部分木材原料，合适的压缩比为1.3:1左右。不同的用胶量和不同的刨花几何形状应有一个合适的压缩比值。对于混合树种，有一些研究者的研究结果表明，对于板的强度和密度之间的合适平衡关系可取一个混合树种的平均密度及合适的压缩比。为此，很多刨花板厂在利用原料时，不在乎树种的复杂，而需要控制各树种的一定配比。在我国，很多小厂可利用对密度相近的树种分类这种简单易行的方法。（二）合理控制垂直于板面的密度分布垂直于板面的密度分布是目前国际上广泛应用于刨花板质量控制，设备设计的改进，质量指标的预示，以及施胶效率的估计等方面的一个重要工具。国际上对此曾经进行了大量的研究工作，现在已相当普遍地利用其中有关的原理说明刨花板的质量问题，所以，对刨花板技术工作者，这方面的知识显得十分重要。美国林产品研究所的一些研究人员，在五十年代后期就已注意到刨花板厚度方向的密度分布是不一致的。多数情况为具有一个类似V字形的分布，即板的中间层密度最低，靠近板面两侧的层密度为最高，由此再分别向两个表面方向，密度又逐渐降低，一直到板的表面。（见图1b）。他们认为产生这种形式的密度分布原因在于：⒈当刨花板坯在热压时，热量传导并非靠刨花的热传导，而是靠水分将热量由板坯表面带到里层，再由中心向中心层的四边扩散，然后逸出板坯；⒉当带着热量的水分通过某刨花层时，该刨花层的塑性便大大增加，非常容易被压实成为高密度的局部层；⒊当板坯开始经受加热，首先受热的是板坯上下两个表面，假如在某时板坯表面温度已超过胶的固化点，而板坯又由于热压板尚在闭合过程尚未受到一定的压力，便形成了一层疏松的胶料预固化层。随着时间的推移，虽然这层刨花也将受到较大的压力，但因胶料已经固化，而且已无水分在该层移动，所以它的密度便难以提高；⒋当压机压力达到最高的时刻，水蒸汽又正好通过板坯的某两层时，则此两层的刨花必将被压得最为密实。在成板之后，这两层的密度就是分布曲线中的两个最高点；⒌当水蒸汽进入中间层时，虽然此时位于中层的刨花的塑性也将有所提高，但这时为了要维持板的厚度，热压板的压力要不断地下降，一直到最低点。因此，反映在板的中层的密度也是越来越小。这种解释法在当时的科学水平基础上已相当深入，而且可认为是比较确切。当时，对这些现象仅停留在一般的认识上。一直到七十年代初，才由联邦德国著名学者Plath对刨花板的垂直于板面的密度分布作了精密的测定。并且作了力学分析。此后，世界各国有关学者都关心起这个领域的研究课题。迄今，有关这方面的知识已经相当丰富，并已有相当多的实践应用经验。Plath等人使用精密圆锯将试材按厚度方向锯开，并将这些薄片加以测量和称重，得出各层密度值。将这些值按刨花板厚度方向画出曲线图，即得到垂直于平面的密度分布。图1是他们当时对四种不同样品进行分层测定的结果。这四种分布在当时可认为是典型分布。目前见之于国际市场上的刨花板，其垂直于平面方向的密度分布绝大部分属于第2种，即具有如图1b所示的分布曲线。在很多情况下，如图1c和d所示的某种不对称现象也常有所见。由于后两种板都取自于商品板，无疑是经过砂光的。实际上这四种板在未经砂光之前的毛板密度分布曲线都属于图1b所示的这一种。曲线a（图1a）是近似于抛物线的分布曲线。表面没有疏松层。表面密度与中层密度的比达到1.8:1。这样的分布曲线对静曲强度有很大的增强作用，不过很难做到。因为这样的板子不允许或只允许仅有微小的砂光余量，否则经济上难以立足。图1四种板子样品的垂直于板面剖面密度分布a取自气流铺装工艺的刨花板样品b取自三层刨花板的样品c取自经过预压，三层刨花板的样品d取自美国生产的中密度纤维板的样品垂直于板平面的密度分布何以使人感到如此重要？因为它与板子的力学性能有密切关系，了解了他们之间的关系，就能掌握和利用。近十年来，用的一种方法是根据垂直于板面的密度分布直接计算出抗弯弹性模量以及其它强度值。对于垂直于板面的抗拉强度及横向剪切强度仅与板内最低密度层处的密度值有关，正常板子的最低密度层处于板的中心层。对于抗弯强度则由以下数学式取得：E·J＝EiJii=1…n式中：E—板的E模量J—板的惯性力矩Ei—某层的E模量Ji—某层的惯性力矩n—层数根据国外一些人的研究，获知刨花板的层密度与弹性模量具有密切的关系。假如板的原料，刨花几何形状及用胶量均是一致的话，则近似地可以认为弹性模量与层密度成正比。如果用比较精确的关系式，则：层弹性模量E＝eµ×（层的密度）α式中µ为常数，e为自然对数的底。α＝1.2~2.5，与树种、刨花几何形状、刨花排列方向及胶接强度等因素有关。有了层弹性模量和层密度之间的关系之后，便可利用E·J＝ΣEiJi这个数学式来加以计算分析，从这个数学式可知，越是处于外层的层弹性模量越高，对板的总的抗弯弹性模量的提高作用越大，因为惯性力矩与距离的平方成正比。也即是说，板外层的密度越高，或说最高密度层越靠近板的表面，则板的抗弯弹性模量及强度就越高。当然，板外层所用之原料、胶量及刨花形状，对板的抗弯弹性模量及强度有着显著作用。由此可见，板的表面疏松层对板的抗弯弹性模量及强度相当不利。在生产中最好将热压后毛板密度分布中的最高点尽量靠近表面，表面疏松层正好在砂光操作中被除去。国外设计刨花板及中密度纤维板热压机时，在工艺上的依据最重要的是能压出合乎要求的垂直于板平面的密度分布。国外最近发展起来的平压连续式热压机的最主要优点即在于此。除了设备设计之外，生产管理人员对密度分布的重要性也必须有所认识。否则，设备再科学，也难以生产出高质量且具有竞争力的产品。那么什么是合理的密度分布呢？图2由连续式热压机所生产的板子（未经砂光）的密度分布图3由单层热压机所生产的板子（已砂光）的密度分布图4工业华夫刨花板剖面密度分布左边：调整热压曲线之前右边：调整热压曲线之后⒈如上所述，成品板的两个面层密度尽可能高，这将提高板的抗弯弹性横量和强度，并将大大提高表面质量。⒉板的中心层密度不能过低。否则将影响板的垂直于平面的抗拉强度。为满足某种特殊用途的需要，可提高板的中心层密度以增强垂直于平面的抗拉强度，而适当牺牲一些抗弯强度，反之也一样。⒊密度分布应该对称。正背两面密度分布不对称的板子容易产生翘曲。⒋密度分布应该连续升降。倘若所生产的板子密度分布忽升忽降，则各项强度值将明显下降。加拿大有一家华夫刨花板厂，技术人员用X光分析产品的垂直于平面的密度分布情况（图4左半部），发现分布情况不连续而提出下列改进方向：将热压机闭合速度由开始到压着板坯为止这一阶段加快，将开始压着板坯到最高压力的这一阶段减慢。结果板的密度分布变得比较连续（图4右半部），各项指标随之发生明显的改进（表2）。由此可见，均匀的密度分布对板的质量有重要的影响。表2华夫刨花板的物理性能，改善垂直于平面的密度分布前后的比较性能板厚7.9mm9.5mm11.mm前后前后前后密度（g/cm3）垂直于平面抗拉强度（N/mm2）干静曲强度（N/mm2）*湿静曲强度（N/mm2）厚度膨胀（％）线性膨胀（％）0.6750.6023.711.011.10.130.7000.7228.824.611.10.110.6640.6527.520.99.00.100.6690.7727.520.99.00.100.6640.6522.08.9018.70.130.6680.7225.221.48.90.13,*经2小时水煮后试验静曲强度。在实际利用中，一个重要的问题是如何在设备设计和生产管理中控制板的垂直于平面的密度分布。在这方面做过研究工作的人相当多。以下只是概略地作些介绍。⒈压机闭合速度。由以上所述的所谓预固化的原理，可知压机闭合速度加快，最高密度层必然靠近表面，而且最大密度与最小密度之差值也会增加。图5反映了一个试验结果，它证明了闭合速度对密度分布具有显著的影响。闭合速度慢的压机很难做出具有优良密度分布曲线的板子。对于我国目前的情况，这是特别需要加以研究和解决的问题。另一方面，压机闭合速度对密度分布曲线的改进也有一定的限度。要做到恰到好处，还需要与下述几个因素配合才能达到目的。⒉水分在板坯中的分配对于板的密度分布的影响，其重要性不亚于热压机闭合速度的影响。外层刨花较高含水率使表面刨花易于塑化，这便导致表面由较高的密度层。同时由于带着热量的水分较快地由面层向芯层移动，板坯中层的温度升高也较好。这就形成了较大的密度分布差，而且垂直于板面的抗拉强度也较好。然而，过量的水分