加强人造板的尺寸稳定性

一种新型人造板使用如中密度纤维板(MDF)和废胶合板等木材以达到更好的尺寸稳定性。其中的关键在于如何能够提升机械参数和原材料的处理方法上。——Jiebing Wang, Zhenzhong Gao, Dengyun Tu, Zesen He, Xishun Lin, &Jin Sun,木材科学与工程,华南农业大学/p> "

人造板已经广泛地使用于家具和建筑行业方面。但是,由于木材的尺寸容易受到湿度变化的影响,使得人造板在这方面也变成十分敏感。因此尺寸稳定性的处理方法对人造板非常重要。

依照处理方法和效果的不同,能够提升尺寸稳定性的木材加工方法可分为以下五种类别:

(1)用交叉层压的方法进行机械抑制;

(2)使用防水涂料覆盖;

(3)降低木材的吸湿性;

(4)对木材细胞组进行化学交联;

(5)用化学药品预先使细胞壁增容。

研究人员在热处理对于杉木,辐射松和道格拉斯冷杉的影响方面已经完成了大量的研究工作。这些树种的尺寸稳定性随着处理温度的上升也获得了提升。木质复合材料的尺寸稳定性可通过将木材乙酰化而获得提高。

此外,研究人员也完成了一系列研究工作,如不同化学修饰与热粘弹性压缩过程结合对于人造板的影响;根据ASTM D1037-06评定方法对定向刨花板在阻燃处理后的吸水厚度膨胀率和线膨胀;同时还有阻燃处理后单板层积材的尺寸稳定性方面等等。

但是,除了用交叉层压的方法进行机械抑制的胶合板之外,对于经过机械抑制处理后的板材在尺寸稳定性上的研究并不多。

大量的胶合板和中密度纤维板用于家具,室内设计和其他应用上。以至于大量废弃的木板最终成为燃料。如此的处理方法不但降低了其价值,还对环境造成了大气污染。所以,这个问题需要尽快解决。

木制产品在不断变化的环境下,由于压应力的释放,通常会呈现出吸水厚度膨胀率(与压缩平行)而不是线膨胀(与压缩垂直)的现象。所以这些产品为了降低吸水厚度膨胀率,将会沿着厚度方向进行胶合,以达到减少压应力的目的。

一方面,这项研究的目标在于如何以沿着厚度方向板条之间进行机械抑制处理方式,生产出一种具有更高尺寸稳定性的木板,而同时对是否达到了中国国家标准进行测试。而另一方面,在板材制造过程中的废板则被用为原材料使用。

 

测试方法和控制参数

一块尺寸为2440乘1220乘15立方毫米,密度为0.522克/立方厘米,静曲强度(MOR)为18.47兆帕,厚度提升(IT)为百分之1.111,以及厚度降低(DT)为百分之1.172的胶合板在切割成板条后作为核心层的材料使用。

与以上尺寸相同的一块中密度纤维板,密度为0.654克/立方厘米,静曲强度(MOR)为14.41兆帕,厚度提升(IT)为百分之2.851和厚度降低(DT)为百分之2.374,在切割成板条后同样作为核心层的材料使用。

木板贴面的尺寸为2440乘1220乘3立方毫米,而密度,静曲强度(MOR),厚度提升(IT)和厚度降低(DT)的数值分别为0.552克/立方厘米,56.98兆帕,百分之0.694和百分之0.925。

在这项研究中,聚醋酸乙烯酯和亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)则将分别作为粘合剂和固化剂使用。

15毫米厚的胶合板和中密度纤维板被圆锯切割成1220乘17乘15立方厘米的板条后,将经过砂光机的处理,成为1220乘16乘15立方厘米的板条。接着,板条将被切割成所需要的长度,分别为300,150和75毫米。与此同时,木板贴面也将被切割成310乘310乘3立方毫米的尺寸。

单面涂布约100至120克/平方米。聚醋酸乙烯酯和亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)的混合比例为100:15。称重后将对其使用玻璃棒进行调和。

板条中,16毫米宽的一面和木板贴面将被涂上粘合剂。标准板条将在粘合和沿轴方向进行90度旋转后形成尺寸为300乘300乘16毫米立方毫米的核心层。也就是说,板条将沿着厚度方向进行装配。

核心层将在木板贴面在两侧粘合后,以一兆帕的压强,进行时长约2分钟的冷压从而制成木板。在此项研究中,将使用两种装配模式。为了方便区分,两种模式将命名为模式1和模式2。木板也会作为不同的测试样本供使用。

样本的静曲强度将根据GB/T17657-1999标准的三点弯曲试验进行测试。样本按照板条轴向的方向进行200乘50乘22立方厘米的垂直切割。每块生产的木板都需要进行6个样品的测试。

每个样本的厚度提升和厚度降低将在百分之85 ± 5和百分之35 ± 5的环境下进行测试。每块生产的木板需要进行8个样品的测试。这些样品一半将沿着板条轴向的方向进行垂直切割,而另一半则将沿着板条的长度方向进行平行切割。

检测方法以湿热处理为基础。样本的长度和宽度为300 ± 1毫米。

首先,将样本放置于恒温恒湿试验箱内,直到它们的数值下降并分别保持在25 ± 2 摄氏度和百分之65 ± 5相对湿度(RH)下后,样本的厚度将以以下的方式进行测试:四个点的厚度平均值将被定义为样本厚度。每块生产的木板需要进行2个样品的测试。

其次,样本将在被放在一个测试环境为25± 2摄氏度和百分之95± 5相对湿度(RH)的湿度检测器中长达12小时。然后对样本的厚度和翘曲进行测试。

之后,样本则同样会放在湿度检测器内长达12小时,但测试环境将被设定为25 ± 2摄氏度和百分之35 ± 5相对湿度(RH)。对样本的厚度和翘曲也会再次进行测试。第二步和第三步的检测步骤将会在全部测试完毕后重复两次。

 

研究结果

根据细木工板的标准,平均静曲强度(MOR)不能低于15兆帕,而最低值则至少为12兆帕。按图1所示,样本的最低平均强度和最低强度分别为15.92兆帕和13兆帕,这也达到了基本要求。除了核心层所用的材料不同外,这些木板与细木工板极为相似。所以,这些木板也能作为细木工板使用。

中密度纤维板木板所呈现的静曲强度明显优于胶合板木板的数值。这是由于胶合板的板条比中密度纤维板更为平滑,所以影响了木板的胶合程度。同时,胶合板的贴面更容易滑动。这种现象也证明了样品受到破坏主要是因为木材材料而不是粘合剂所导致的。

不同样本的最主要区别在于板条和板条之间的粘合剂起到的相互作用。对比不同装配模式所呈现的静曲强度,模式2要优于模式1。所以,更短的板条能提供更强的粘合效果和更好的强度。整体测试结果也证明了这一点。

总体而言,厚度的差别在胶合板木板上的表现要比中密度纤维板木板较低。这是由于胶合板是用交叉层压的方法进行机械抑制所生产的。

处理后的胶合板木板厚度的提升和降低的百分比,分别比原数值降低了至少百分之33.48和百分之47.44(原数值为百分之1.111和百分之1.172)。而对於中密度纤维板木板,这两项数值分别降低了至少百分之80.81和百分之58.55(原数值为百分之2.851和百分之2.374)。所以,木板的尺寸稳定性有了显著的提升。

此外,模式2的总体表现也优于模式1。由于粘合剂防止了蒸汽进入板条内部,所以沿板条横向方向处理的木板在厚度提升和降低的数值上要大于沿板条轴向方向处理的木板。

研究表明,树脂粘合剂含量是影响硬纸板的尺寸稳定性的一项重要因素。所以,使用更短的板条所制成的木板能够更有效地防止蒸汽进入板条内。因此,这些木板厚度变化也应该相对更少。

但是,不同处理模式的木板的测试结果差异并不多,这是因为所用的木板尺寸较小而且板条长度的差别也不大。

厚度变化被定义为相邻厚度值之间的变化。

胶合板木板中第一项厚度变化值要优于中密度纤维板木板的数值,这与图2的结果相同。中密度纤维板木板的厚度变化要比Mirski(2010)的测试结果要至少低于0.88毫米,尽管此项测试环境要比他的测试环境更为极端化,从相对湿度65%至30%和从65%至85%。

此外,中密度纤维板木板厚度变化要比胶合板木板更为稳定。这是由于中密度纤维板的各向同性所导致的。而且,这表明了木板的疏水性在高压下(密度)能够获得提升。

如图3所示,木板的翘曲随着相对湿度的周期性变化的持续会变得更为稳定。然而,因材料和装配模式所造成翘曲的影响并不明显。

根据细木工板所要求的厚度变化标准,当木板厚度高于16毫米并且木板表面没有经过砂光处理时,厚度的变化不能多于0.8毫米。所以,这些木板都达到了标准。

另一方面,根据细木工板要求的翘曲标准,翘曲百分比不得高于百分之0.3。一些测试数据并没有达到标准,但差距非常小(不高于百分之0.06)。

首先,木板的尺寸(300乘300平方厘米)非常小,而在这些测试中却呈现出相当显著的变化。第二点,粘合剂的耐水性比较弱,所以对翘曲和厚度变化都有影响。第三点,原材料的质量由于厚度变化的原因,将直接对翘曲结果造成影响。而最重要的的在于,测试环境要比未经处理的情况更为极端。所以,在考虑到种种因素后,翘曲程度也应该会得到改善。

在未来,针对使用较低粘合剂和较短板条的木板将在获得进一步研究。与此同此,核心层的板条可以使用处理胶合板的方法,以交叉层压的方法进行机械抑制。

 

总结

从测试结果中我们可以得出一些主要结论。首先,虽然中密度纤维板的静曲强度要低于胶合板,但中密度纤维板木板的静曲强度却要远优于胶合板木板。此外,装配模式2也比装配模式1更为优秀。

其次,在厚度提升和降低方面,处理后制成的木板要比原材料降低了至少百分之33.48,同时中密度纤维板的进步要比胶合板更好。而且,中密度纤维板木板在持续的周期性变化测试中也显得更为稳定。

这些研究结果表明了,对板条沿着厚度方向进行机械抑制处理将使得木板的尺寸稳定性获得提升。并且中密度纤维板也更为适合当成制作木板的原材料。

由于材料和装配模式所导致的翘曲程度差异并不大。此外,随着持续的周期性变化,翘曲和厚度变化也变得越来越稳定。

 

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