速生树种材制造的高强度高弹性木质复合材料的方法

专利名称：速生树种材制造的高强度高弹性木质复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种用速生树种木材设计制造高强度高弹性材的结构设计及工艺方法，属于木质复合材料设计及应用领域。
背景技术：
速生树种木材，如杨木，材质软、密度低、工艺性能差、含水率高且分布不均，易产生绉缩变形等加工缺陷。此外，由于培育保护措施不当，其木材多有节子多、黑心、虫眼等材质缺陷，直接影响速生工业林杨树木材的质量和价格。所以速生树种木材现在主要用于生产胶合板的芯板，产品附加值低，一些结构和承重材几乎都是从国外进口。对于层合结构的木质复合材料，如胶合板，通过提高表层材料的强度，来达到整个材料力学性能提高，这种途径已经在实际科研和生产中得到验证。

发明内容
为了提高了速生树种(如杨木、杉木)产品的附加值，本发明将在杉木压缩增强技术的基础上，通过复合材料力学层合板相关理论来设计一种层合板结构上下表层或者上下表层和次表层材料为压缩增强的杉木实木，其余中间层为杨木单板。这种结构全由速生树种材组成，但整个材料的强度可以根据不同的材料及产品强度要求来设计制造高强度、高弹性木质复合材料。
本发明是采取以下的技术方案来实现的速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其步骤如下所述的步骤一杉木压缩增强处理是将一定尺寸规格的杉木首先进行表面刨光加工，保证表面平整，然后将表面平整的杉木放入带有蒸汽产生装置的热压机中进行高温蒸汽压缩处理。高温蒸汽处理的工艺过程及工艺参数为快速闭合压机并用厚度规控制压缩后杉木厚度，压机快速升温至160～180℃，使得在密闭的上下压板间产生蒸汽，蒸汽压力为0.25～0.35MPa，保持压力时间为40～60min，加压完成后卸压取板；
所述的步骤二材料结构设计是在复合材料力学中，层合板是由两层或两层以上的单层板合成整体的结构单元。(1)根据各单层板的基本参数，由相应公式①、②、③确定单层板的弹性参数。其中，确定单层板顺纹抗拉弹性模量公式为EL=11-Tv/100(D0DfEf+Ag1000t0Dg-Eg)]]>①确定单层板横纹抗拉弹性模量公式为ET=D0Df(1-Tv/100)ETf+[Ag-Agp1000t0(1-Tv/100)Dg+kk2(1-Tv/100)]Em]]>②确定单层板面内剪切模量公式为GLT=D0Df(1-Tv/100)GLTf+[Ag-Agp1000t0(1-Tv/100)Dg+kk2(1-Tv100)]Gm]]>③(2)根据复合材料层合板理论，由公式④计算层合板正则化处理后的刚度值。确定层合板的刚度值公式为Aij=1hΣk=1nQ‾ij(k)(Zk-Zk-1)Bij=1h2Σk=1nQ‾ij(k)(Zk-Zk-1)Dij=4h3Σk=1nQ‾ij(k)(Zk3-Zk-13)(i,j=1,2,6)]]>④(3)将由公式④计算的刚度值与要求的力学性能指标比较，来调整层合板结构，最终设计出满足要求的层合板结构。
所述的步骤三复合材料压制是按照设计好的板坯结构进行单层涂胶、组坯、热压工序操作。对于使用酚醛树脂胶作为胶粘剂的相关工艺为涂胶量250～350g/m2(双面)，热压时间55～65s/mm，热压压力1.0～1.5MPa，热压温度130～140℃。
前述的速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其特征在于其中所述的高温蒸汽处理产生一定的蒸汽压，热压温度在110℃以上，随着杉木板材的压缩率增大，板材的密度增大，其弹性模量与静曲强度也越随之增大。
本发明的有益效果是，设计制造了上下表层或者上下表层和次表层材料为压缩增强的杉木实木，其余中间层为杨木单板的木质复合材料，整个材料的强度可以根据不同的材料及产品强度要求来设计制造高强度高弹性的木质复合材料，提高了速生树种(如杨木、杉木)产品的附加值。
具体实施例方式
实施举例速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其步骤如下步骤一杉木压缩增强处理是将尺寸厚为10mm的杉木板首先进行表面刨光加工，然后将表面平整的杉木放入带有蒸汽产生装置的热压机中进行高温蒸汽压缩处理。高温蒸汽处理的工艺参数为热压温度160℃，蒸汽压力0.3MPa，保压时间60分钟，得到杉木压缩率为50％。
步骤二材料结构设计是(1)根据各单层板的基本参数将尺寸厚为2.2mm的杨木单板、尺寸厚为1mm的杨木单板和尺寸厚为10mm的杉木的厚度、涂胶量、压缩率等参数输入公式①、②、③得到厚度为1mm的杨木单层板的弹性参数为顺纹抗拉弹性模量7721MPa，横纹抗拉弹性模量1668MPa，面内剪切模量992MPa，泊松比0.35；厚度为2.2mm的杨木单层板的弹性参数为顺纹抗拉弹性模量8212MPa，横纹抗拉弹性模量1296MPa，面内剪切模量965MPa，泊松比0.35；压缩杉木的弹性参数为顺纹抗拉弹性模量9050MPa，横纹抗拉弹性模量1729MPa，面内剪切模量1066MPa，泊松比0.4。(2)设计复合材料结构为第一层为厚度1mm的杨木单板，铺装角度0度，第二层为厚度5mm的杉木，铺装角度0度，第三至第七层为厚度2.2mm的杨木单板，铺装角度分别为90、0、90、0、90度，第八层为厚度5mm的杉木，铺装角度0度，第九层为厚度1mm的杨木单板，铺装角度0度，层合板总层数9层。将每层弹性参数代入公式④中，计算得到该种结构木质复合材料的正则化弯曲刚度矩阵D11＝8531MPa，D22＝2156MPa。
步骤三复合材料压制是按照步骤二确定的板坯结构进行单层板涂胶、组坯成复合材料结构。在热压时间1min/mm，热压压力1.5MPa，热压温度140℃条件下板坯热压成型。试验结果纵向抗弯强度58Mpa，纵向静曲弹性模量8376Mpa，横向抗弯强度36Mpa。
上述实施例不以任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其步骤如下所述的步骤一杉木压缩增强处理是将一定尺寸规格的杉木首先进行干燥，干燥至含水率10～12％，然后将干燥后的杉木放入带有蒸汽产生装置的热压机中进行高温蒸汽压缩处理；所述的步骤二材料结构设计是在复合材料力学中，层合板是由两层或两层以上的单层板合成整体的结构单元；(1)根据各单层板的基本参数，其中，确定单层板顺纹抗拉弹性模量公式为EL=11-Tv/100(D0DfEf+Ag1000t0DgEg)]]>①确定单层板横纹抗拉弹性模量公式为ET=D0Df(1-Tv/100)ETf+[Ag-Agp1000t0(1-Tv/100)Dg+kk2(1-Tv/100)]Em]]>②确定单层板面内剪切模量公式为GLT=D0Df(1-Tv/100)GLTf+[Ag-Agp1000t0(1-Tv/100)Dg+kk2(1-Tv/100)]Gm]]>③(2)根据复合材料层合板理论，由公式④计算层合板的刚度值；确定层合板的刚度值公式为Aij=Σk=1nQ‾ij(k)(Zk-Zk-1)Bij=Σk=1nQ‾ij(k)(Zk-Zk-1)Dij=13Σk=1nQ‾ij(k)(Zk3-Zk-13)(i,j=1,2,6)]]>④(3)将由公式④计算的刚度值与要求的力学性能指标比较，来调整层合板结构，最终设计出满足要求的层合板结构；所述的步骤三复合材料压制是按照设计好的板坯结构进行单层涂胶、组坯、热压工序操作。
2.根据权利要求1所述的速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其特征在于其中所述的高温蒸汽处理产生一定的蒸汽压，热压温度在110℃以上，随着杉木板材的压缩率增大，板材的密度增大，其弹性模量与静曲强度也越随之增大。
3.根据权利要求1所述的速生树种材设计制造的高强度高弹性木质复合材料的方法，其特征在于其中所述的步骤三对于使用脲醛树脂作为胶粘剂的相关工艺可为涂胶量250-300g/m2双面，热压时间55-65S/mm，热压压力1.0-1.5MPa，热压温度130～140℃。
全文摘要
本发明涉及一种用速生树种木材设计制造高强度高弹性材的结构设计及工艺方法，属于木质复合材料设计及应用领域。它通过杉木压缩增强处理、材料结构设计、复合材料压制等步骤，来设计一种全由速生树种材组成的木质复合材料结构，即将压缩增强的杉木置于板坯的上下表层或者上下表层和次表层，其余中间层为杨木单板的结构。整个材料的强度可以根据不同的材料及产品强度要求来设计制造高强度、高弹性的木质复合材料，提高了速生树种如杨木、杉木产品的附加值。
文档编号B27D1/08GK1861341SQ20061008536
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月12日 优先权日2006年6月12日
发明者卢晓宁, 许伟, 易痒华, 熊国兵, 王志强, 那斌 申请人:中林南星(湖州)合板有限公司