胶合板(Plywood)是一种被广泛应用于家具制造业的人造板制品。它是由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木,再用胶粘剂胶合而成的三层或多层的板状材料,通常用奇数层单板,并使相邻层单板的纤维方向互相垂直胶合而成。在70年代末和80年代初,胶合板的产品概念逐渐延伸,继而开发出定向刨花板(OSBs)。这些产品使工程师能够将具有不同特性和本质的材料引入复合材料的开发工艺中。
软木是一种轻质、有弹性和灵活的天然材料,它具有优异的热性能、振动性能和隔音性能。鉴于这些特性优势,软木能够成为各种复合材料的构建组分,以此展现出良好的天然性能和回收性能。
除了其静态属性外,这种复合型的胶合板材料还展现出其它优异特性,例如隔热性和隔音性。结合这两种优势特性,一种性能更好的复合材料便应运而生。同时,它促使板材生产商能够选用相对简易的制造技术在高生产率的条件下打造出经济型产品。与应用在建筑领域的胶合板相比,这种合成型的软木胶合板的制造产能并没有那么高。
平均来说,取出一个螺钉所需的力相比一款直径相同、长度多出两倍的钉子要高出约两倍之多。鉴于此,通过螺钉的拔出力和穿透深度计算出来的抗拔力(withdrawal resistance)应当被视作为一种材料属性。
与公称直径相同的钉子或大头针相比,木材中使用的螺钉的剪切应力通常更低。开展的一项研究分别对使用了螺钉的复合材料(刨花板和中密度纤维板)的最大拔出力的计算提供了经验关系。该关系式分别将螺钉直径、螺钉穿透深度和木材密度等参数考虑在内。例如,中密度纤维板的螺钉拔出力要比刨花板的螺钉拔出力高出40%。
软木复合材料
首先,制备了一款选用山毛榉和云杉单板制成的十层式胶合板作为对照试样(PLYW),其参数与PLYW-K1试样相同,但不含软木层。其次,制备一款18毫米厚的三层刨花板作为第二份对照试样(PB),该对照试样符合欧盟EN 312:刨花板规范中陈列的标准 要求。另外,分别制备和生产了几款含软木芯层的胶合板试样(PLYW-K1),以及同时含软木芯层和软木面层的胶合板试样(PLYW-K2)。
将一款混合型粘合剂以120 gm-2的施胶量涂覆在单板上。使用一款实验室规格的液压机(承压容量为60吨, 板件规格为700 mm x 700mm)对板材进行处理。所有的材料均根据EN 326-1:人造板取样、切割和检验标准进行加工。
此外,所有的试验都是使用一款ZWICK Z050万能试验机开展的,而数据则使用testXpert V11.02材料试验智能测试软件进行处理。将每组板材样品的数据都记录下来后再对它们进行统计评估。
螺钉抗拔力受到各种因素的影响,在这个实验中,考虑到的因素包括板材组分、板材密度和水分含量的作用。尽管材料本身而言是核心因素,标准化的测试同样也会产生一系列变量因素,其中包括:板材试样的表面或边缘位置的螺钉拔出位置、紧固件的类型、板材尺寸(直径、长度以及穿透深度)等。
为了计算螺钉的抗拔力,主要将该抗拔力表述为最大拔出力和穿透深度之间的比率。螺钉的恒定穿透深度被定为12 mm。
之后,测得的数据使用STATISTICA 10统计分析软件进行分析。首先,开展一项探索性数据分析(EDA)。基于这些分析方法,需要对数据的对称性和峰态系数、数据和离群值的局部分组以及数据的正态分布一致性等参数进行评估。
板材的机械(力学)性能
根据试验结果显示,PLYW-K1试样和PLYW-K2试样的弯曲性能要比对照试样PLYW1略差些,但这些试样的弯曲性能均优于对照试样PB。其次,PLYW-K1试样的弹性模量(MOE)和断裂模数(MOR)比对照试样PB分别高出48.57%和131.04%,但这两个指标比对照试样PLYW1分别低48.01%和45.15%。此外,PLYW-K1试样的密度分别比对照试样PB和对照试样PLYW1低7.24%和27.42%。
就PLYW-K2试样来看,其断裂模数、弹性模量和密度分别比对照试样PB高106.31%、低38.67%以及低11.4%。相比之下,PLYW-K2试样的断裂模数、弹性模量和密度分别比对照试样PLYW1低53.5%、53.5%以及30.74%。显然,软木多层胶合板的密度比商用胶合板和刨花板更低。
就螺钉抗拔力这一指标来看,对照试样PLYW1展现出最好的预期性能。然而,PLYW-K1 和PLYW-K2试样在表面方向的螺钉抗拔性能要比对照试样PB更好。
另外一方面,通过在胶合板内增加数层软木层后,软木胶合板的密度—这个被视为建筑材料的重要指标与广泛应用于木材建造行业的刨花板相比,显著得到了降低。这些试验结果证明了软木胶合板未来的应用潜力和需求。
尽管密度是材料使用的一个重要指标,其它属性也同样不可忽视。因此,该试验也对受试材料的断裂模数、弹性模量和螺钉抗拔力等指标分别做了评估。对照试样的弯曲性能要明显优于新型材料,但最主要的目标还是在于优化软木胶合板的密度指标,从而使它的各项性能可以媲美广泛应用的刨花板。
PLYW-K1试样(芯层由软木制成)的弯曲性能更好。PLYW-K2试样(芯层和面层均由软木制成)的弹性模量要比PB试样低,原因归结于其面层是由软木打造的,从而增加了材料的柔软性以及显著增加了板材在弯曲过程中的变形概率。这一点,也可以从PLYW-K2试样相比PB试样所展现的更高的断裂模数得到证实。
与此同时,胶合板的对照试样展现出最高的螺钉抗拔性能。相比较胶合板而言,PLYW-K1试样和PLYW-K2试样的螺钉抗拔性能相对较弱,但这一指标要比PB试样更高。
正如预期的那样,根据总密度来看,PB试样(642 km/m3)的螺钉抗拔力明显要比这款新打造的轻质材料低。另外一方面,PLYW-K2试样(571 km/m3)的螺钉抗拔力要比PLYW-K1(594 km/m3)低30%,尽管这两款试样之间的密度差仅为23 km/m3。同时,虽然面层使用软木制成的胶合板会呈现出一些缺点,但产品在柔软性或纹理等材料属性方面完全能够满足市场的需求。