纤维板断面密度分布的研究进展

山东林业科技　２００８年第４期　总１７７期　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＦＯＲＥＳＴＲＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００８．Ｎｏ．４　

文章编号：１００２—２７２４（２００８）０４－－００６７—０３　

纤维板断面密度分布的研究进展　

张扬，于志明一　

（北京林业大学材料科学与技术学院，北京　１０００８３）　

摘要：断面密度分布是纤维板一个重要的物理量，与板材物理力学性能和产品用途密切相关。本文论述了不同热压状态　

下纤维板断面密度分布的形成过程、断面密度分布曲线的类型与特性、断面密度分布与板材性能的关系，并分析了影响中密　

度断面密度分布的各种工艺因数。　

关键词：纤维板；热压；断面密度分布　

中图分类号：￥７８１　文献标识码：Ａ　

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｎ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｔｂｏａｒｄ　Ｚｈａｎｇ　Ｙａｎｇ　ｅｔ　ａ１．　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ（ＶＤＰ）ｉｓ　ａ　ｑｕｉｔｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ＦＩＢＥＲＢＯＡＲＤ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎ—　

ｓｈｉｐ　ｗｉｔｈ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｕｒｐｏｓｅ．Ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ＦＩＢＥＲＢＯＡＲＤ’Ｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ，ｔｈｅ　

ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ａｎｄ　ｐａｎｅｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ．Ｓｏｍｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｌｓｏ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＩＢＥＲＢＯＡＲＤ；ｈｏｔ—ｐｒｅｓｓｉｎｇ；ＶＤＰ　

密度是影响纤维板物理力学性质和机械加工特性的重　

要物理量。断面密度分布（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｐｒｏｆｉｌｅ，简称　ＶＤＰ）是指木质复合材料在厚度方向上的密度变化　］。纤维　

板横向密度分布基本均匀，厚度方向上存在密度差异，因此　

不能只用平均密度去衡量板材的性质，平均密度对板材性能　的影响实际上是通过ＶＤＰ来实现的。合理控制板材的ＶＤＰ　

可以提高板材的整体物理力学性能，从而减少原辅材料的用　量，提高强重比ｌ２］。　

纤维板的生产分成干法和湿法两种工艺，湿法工艺生产　出的板材断面密度分布基本均匀，目前普遍使用的干法工艺　

生产出的板材断面密度分布不均匀性十分突出，很大程度上　

影响着板材的性能。国内外一些学者与企业在ＶＤＰ形成机　

理、ＶＤＰ与力学性能的关系、ＶＤＰ控制工艺以及ＶＤＰ计算　

机模拟技术等领域做了一些研究，取得了丰硕的成果，意识　

到准确控制木质材料断面密度分布对提高产品质量、更好地　满足用户的使用要求、提高热压生产效率、降低平均密度从　

而降低生产成本有着非常重要的意义【２。］。　

１　纤维板ＶＤＰ的分类及结构特征　

纤维板的ＶＤＰ形状十分复杂，通常沿厚度中心线呈几　何对称，如图１所示：板材表层密度高，芯层密度低，最高密　

度出现在离板面一定厚度的位置。张宏健　等研究平压法　

生产纤维板ＶＤＰ，按表芯层密度差大小把板材ＶＤＰ分成陡　

峭型和平坦型ＶＤＰ。陡峭型ＶＤＰ板材具有较高的表芯层密　度比以及一定厚度的表面低密度区；平坦型ＶＤＰ的表芯层　

密度差异很小，断面密度分布比较均匀。随着Ｘ射线的应用　和计算机模拟技术的发展，Ｘｕ和Ｗｉｎｉｓｔｏｒｆｅｒ［　采用层合理　

论分析传统多层压机生产的板材，在厚度方向上把板材分成　若干微小单元层，并利用傅立叶函数表达ＶＤＰ为：　

ｋ—Ｎ－－Ｉ　ＤＥＮ—Ａ。＋∑ＡｋＣＯＳ［２ｋｎｘ／Ｔ—Ｏｋ］　ｋ一１　

镪　

Ｏ　ｌ　２　３　４　５　

图１板材ＶＤＰ曲线　

式中：Ｎ为板材纤维层的总数；ｋ为所描述点所在的单元　

层ＤＥＮ为板材第ｋ层的密度，ｇ／ｍ３；Ｔ为板材厚度，Ｉｎｍ；ｘ为　

收稿日期：２００８—０６—２６　

资助项目：１．“９４８”课题２００６—４—１０６废旧人造板回收利用技术的引进；２．国家“十一五”科技支撑：木制材料环境友好制造　

技术。　

～责任作者　

・　６７　・　

啪咖瑚咖姗维普资讯 http://www.cqvip.com 山东林业科技２００８年第４期　

厚度，ｍｍ；ＡＫ和ｅＫ为ＶＤＰ傅立叶转换的幅度和相位角。　

传统多层压机生产的板材ＶＤＰ主要为陡峭型，表芯层　

过渡区厚度过大，芯层部分密度分布不够均匀，不利于板材　

的ＶＤＰ的合理设计。通过合理控制连续式热压机热压工艺　

参数，可以得到表芯层过渡区密度梯度大、芯层密度分布均　

匀的板材即陡平型板材。　从材料力学和密度效应的角度看，陡峭型ＶＤＰ具有较高的　

静曲强度而平坦型ＶＤＰ具有较高的内结合强度，芯层密度太小　

的陡峭型板材则会影响板材的内结合强度和握钉力ｌ１“］，陡平型　ＶＤＰ既具有较高的内结合强度又具有较强的静曲强度。因此　

就应用性能而言，直接作为素板使用或装饰纸贴面时．陡平型　

ＶＤＰ板材最佳；当需要薄木或塑料贴面板覆面时，平坦型ＶＤＰ　

板材是最佳选则，但要注意控制预固化层厚度。　

２纤维板ＶＤＰ的形成过程　

木纤维是热的不良导体，热压过程中树脂的固化是随着　

板坯温度从表层到芯层逐步到达树脂固化温度，从表层到芯　

层逐步、连续的不断发生　］，并伴随着板坯内部水分的相变　

与迁移、木纤维的物理化学变化和板坯内部应力的分布与协　

调。因此从热压过程分析，厚度方向上不同位置的最终密度　

取决于树脂固化时的内部环境ｌ１　】。　

传统多层压机生产出的纤维板ＶＤＰ显示为陡峭型，　

ＶＤＰ的形成过程不仅与板坯压缩过程有关，而且与厚度维　

持时期有关。王思群　等通过在线监测板坯表芯层密度变　

化，把ＶＤＰ的形成过程两个时期和五个阶段。　

板坯压缩时期：板坯被压缩直至目标厚度。该时期可以　分成两个阶段：阶段１为板坯内部均匀压缩阶段，压缩主要　

来于板坯空隙的减少，在厚度方向上不产生密度梯度；阶段２　

为板坯内部不均匀压缩阶段，当板坯厚度接近目标厚度时，　

由于表层温度和含水率开始变化导致各层的压缩不均匀，芯　

层密度基本不变，但表层的密度增加。板坯厚度维持时期：　

压机达到最终位置直到周期结束期间，系统压力持续下降。　

阶段３为表层压缩时期，由于板坯存在温度梯度，表层在最　

大压力和高温作用下继续压缩，应力应变率相对较低的芯层　

密度下降；阶段４为芯层压缩时期，芯层温度上升并且含水　

率比表层高，芯层应力应变率大于表层，使得芯层密度增加，　

表层密度下降；阶段５为板坯膨胀阶段，压机张开时的蒸汽　

释放使整块板坯反弹，板坯内部各部分密度均下降。　

连续压机生产纤维板过程中，通过各阶段的压力调节和　

厚度控制＿２　］，可以制取陡平型ＶＤＰ板材。如图２所示陡平　

型ＶＤＰ的形成过程可以分成：表层密度区形成阶段，系统压　

力快速上升至最高压力，预固化层形成，表层高密度区厚度逐　

步增加；表芯层密度过渡区形成阶段，系统压力快速下降至最　

小压力，基本上保持高压阶段形成的表层密度区，随着压力的　

下降逐渐形成表芯层密度过度区；芯层密度形成阶段，系统压　

力快速上升至一定值后小幅度加压，形成较为均匀的芯层密　

度；板坯膨胀阶段，系统压力逐渐下降至压机张开，蒸汽释放　

使整块板坯反弹，板坯内部各部分密度均有所下降。　

３影响纤维板ＶＤＰ的工艺因素　

上文通过分析纤维板ＶＤＰ形成过程的分析可以得出：　

・　６８　・　压力　

图２连续压机的热压曲线　

纤维树种和形状尺寸、板坯含水率及其分布、热压温度、闭合　

时间以及目标密度和厚度都影响着板材ＶＤＰ。　

３．１纤维树种和形状尺寸　

纤维树种和形状尺寸影响着热压过程传热、传质、木纤　

维的力学状态以及压机闭合速度，从而影响板材的最终　

ＶＤＰ。不同树种的纤维应力应变、力学响应和力学状态梯度　的消失速度有着很大差别　］；不同尺寸的纤维，板坯空隙度　

不同，压缩过程纤维迁移的摩擦阻力不同，热量传递的速率　

也有差别。　

３．２板坯含水率及其分布　

板坯的含水率是影响纤维板ＶＤＰ最重要的原因之　

一　“　。板坯含水率的提高，有助于纤维弹性抗力的降低和　

导热能力的提高，使得板坯闭合时间的缩短，从而使板坯闭　合过程中层间纤维的力学状态不同步性加剧，表层率先进入　

屈服阶段，而在板坯内部应力的作用下，使得表层密度上升，　

芯层纤维总量相对减少，从而出现表层密度高芯层密度低的　

ＶＤＰ结构。　

含水率大于１０　时，板坯ＶＤＰ呈陡峭型；如果含水率过　大，芯层密度太小，热压后期板坯芯层蒸汽压过大，如果热压　

时间太短，容易发生鼓泡和分层；含水率小于８　时，有利于　

生产平坦型ＶＤＰ板材，但同时可能产生较厚的预固化层　

３．３热压温度　热压温度是决定板坯内部温度分布的最初始条件，影响　着板材ＶＤＰ＿】］。通过高频预热板坯再进行传统热压，可以　

降低热压过程中板坯内部温度差异，不仅可以获得平坦型　

ＶＤＰ板材，而且可以缩短热压时间。喷蒸热压可以减小预　

固化层厚度，提高板坯塑性，促使芯层密度提高。　

３．４压机闭合时间　闭合时间是影响纤维板ＶＤＰ的一个重要因素＿】　。闭　

合时间越短，板材表芯层密度差越大，较长的闭合时间可以　

获得平坦的ＶＤＰ，同时由于表面“受热不受压”的时间增长，　

产生较厚的预固化层，增加了后序砂光处理，导致生产成本　

增加。传统的多层压机依靠厚度规控制板材厚度的压机上，　

调节压机闭合速度是一种比较容易调整纤维板ＶＤＰ的工艺　

措施；对于实现位置控制的压机系统，可以将闭合速度作为　

独立参数进行调节。王凤鸣＿３　在连续热压机上的试验结果　

表明，合理安排压力、位置和时间参数，可得到多种不同形状　

的分布曲线，从而有效地调控产品的物理力学性能，以满足　

不同用途的要求。　

３．５　目标密度与厚度　板材的目标密度增大，被加热的纤维量增多，导致芯层　

温度上升缓慢，进而影响纤维板ＶＤＰ；板的厚度增加也将引　

起表芯层密度差的加大，因为板坯厚度大，芯层温度上升滞　维普资讯 http://www.cqvip.com