指接集成材特点及生产工艺的研究

1　指接集成材的分类及特点

1 1　指接集成材的分类

指接集成材主要是以小径材为生产原料 ,经过板方料制备 ,干燥 ,指接 ,胶接 ,后期处理等一系列工序而制成的具有一定宽度、厚度、长度的板材。它是建筑行业、家俱行业、装饰装修业广泛使用的一种新型基材 ,根据其用途可分为两大类。

1 1 1　非结构集成材

非主要受力部件 ,适用于装饰和家俱行业 ,可制做护墙板、天花板、地板、家俱的各类部件等。

1 1 2　结构集成材

承受主要荷载的部件或制品 ,主要应用于建筑行业 ,中小型工程桥梁等 ,用于制作大型梁、柱、桁架、拱型屋面 ,不规则断面的异形承重件等。

1 2　指接集成材的特点

1 2 1　物理力学性能良好指接集成材材性稳定 ,强度为天然实木的 1～1 5倍 ,强重比大。容重为 0 3 8ｇ/ｃｍ3 的绝干木材的强重比为 3 1 5 8,而钢为 57 7,铝为 70 3 ,硬质ＰＶＣ为42 5。

1 2 2　产品幅面及断面尺寸变化大与其它木质人造板材相比 ,指接集成材具有更灵活的幅面及断面结构尺寸 ,现产品大截面积已超过1平方米。梁或桁架的大尺寸超过 50米 ,木结构弧顶的大直径可超过 70米 ,因此其对市场的适应性将更强。

1 2 3　防火性能好

燃烧后形成的炭化层具有滞燃作用 ,其碳化速度为 0 6～ 0 8ｍｍ/ｍｉｎ ,且随着碳化层厚度的增加 ,其碳化速度减小 ,在 80℃的高温时仍有 75%的断面未碳化 ,因此其滞火性能优于钢材 ,而且木材本身易进行“防火”、“防虫”、“防水”的“三防”处理 ,可提高其耐候性和使用寿命。

1 2 4　保温性能好

热传导低、节能 ,且具有调湿 ,调温功能 ,是室内理想的使用材料 ,如容重为 0 3 8ｇ/ｃｍ3 的绝干木材的传导系数 0 0 95ｗ/ｍ·ｋ而钢的传导系数为该木材的4 5倍 ,容重为 2 2ｇ/ｃｍ3 的混凝土之传导系数是该木材的 1 7倍。

1 2 5　投资风险较低

由于指接集成材是建筑业、装饰装修业、家俱等行业的重要基材 ,因此产品应用领域广阔 ,其市场应变能力和竞争性较强 ,这就决定了该产品的投资风险较低。

2　指接集成材生产工艺研究

指接集成材生产工艺主要包括以下几个部分 :板方料制备工段、干燥工段、指接材制备工段、指接工段、胶拼工段、后期处理工段。

2 1　板方料制备工段

该工段设备主要由跑车木工带锯、旋切机、主力小带锯和剖分圆锯 ,截断圆锯等组成。板方料制备工段多设置于林区附近 ,相当于一个独立的制材车间。

目前 ,我国制材设备和生产技术水平总体上落后于国外的先进水平 ,原林业部部颁标准规定 ,等级合格率应达到 95%,规格合格率应达到 84%,但多数制材企业、车间未达到这项要求 ,规格材合格率在 50 %以下 ,等级合格率 60 %～ 70 %,因此锯材质量的提高还有很大的潜力可挖。小径材的制材工艺有别于传统的大、中径级制材工艺 ,在设备配置和下锯方法上有所区别 ,小径材若采用传统方法锯制板材 ,出材率仅达到 3 0 %～ 40 %, 而采用特殊下锯法 ,出材率可达到 50 %～ 60 %,并可提高木材的综合使用价值。

小径材的下锯法主要有以下四种

2 1 1　桔瓣形材下锯法

首先将小径木先截断成一定长度 ,然后旋成园柱体。先锯成四开材 ,再制成桔瓣形材 ,再将桔瓣形材彼此颠倒 ,沿长度方向面与面胶拼在一起 ,拼成任意宽度的集成材 (如图 1 )这种下锯法可克服小径木尖削度大的不利条件。可使材面不露节子和其它缺陷 ,且结构强度大。

图 1　桔瓣形材下锯法

2 1 2　梯形材下锯法之一将小径材先锯截成短木段 ,通过旋切旋成直径相同的圆柱体 ,再用带锯剖分得到边侧呈弧形的毛方 ,一般为三个锯口 ,直径稍大则部分为 5个锯口 ,梯形材上下底彼此颠倒相互对齐 ,施胶侧拼成一起则可得到一定宽度的板材 ,(如图 2 )

图 2　梯形下锯法之一

2 1 3　梯形材下锯法之二即先从原木两侧锯出等厚的毛边板 ,不垂直裁边 ,而是顺着削度成斜角裁边 (或铣边 )而成为斜面梯形材 ,板材的材面呈梯形 ,材端呈等腰梯形 ,将两裁好边的板材宽端与窄端上材面与下材面相互调转胶拼在一起 ,成任意宽度的板材 ,这种方法特别适用于尖削度较大的小径木 ,它既减少了通常裁边时木材的损失又克服了小径木尖削度较大的不利条件 ,出材率可大为提高 ,如再将板材端头与端头指形胶接 ,可制成任意长度的板材 ,(如图 3 )

图 3　梯形下锯法之二

　　除了下锯法直接影响到出材率 ,规格材等级外 ,锯机质量、精度、锯切前剔除缺陷等也极为重要 ,都将对锯材出材率和质量产生影响板方料基本尺寸长 40厘米以上宽 6厘米以上厚 2 5～ 3 2厘米

2 2　干燥工段

小径材与大中径材相比 ,在材性上往往差异较大 ,小径材一般内含物较多 ,且常带有髓心。小径材生长应力大 ,因此其弯曲率大 ,斜纹理多。故小径材在干燥过程中易产生翘曲变形和开裂 ,为确保干燥后的产品合格率 ,现多采用中低温除湿干燥工艺。常规高温蒸气干燥工艺 ,硬阔材的废品率超过8%,降等率超过 6%,木材损耗严重 ,而热泵式除湿干燥机则均可控制在 3 %～ 5%以内 ,但除湿干燥周期较长 ,一般是常规蒸汽干燥的 2至 2 5倍。除湿干燥工艺主要包括两个方面 :堆垛方式和干燥基准 ,由于在购置除湿干燥机时就已经确定了其有效干燥容积 ,因此佳窑量已经可以确定 ,下面仅就堆垛方式和干燥基准进行探讨。

2 2 1　堆垛方式

使木材表面通风状况良好 ,散热吸热均匀 ,隔条及板材均匀堆放

隔条厚度 :2～ 4厘米

板材厚度 :2～ 6厘米

隔条宽度 :3～ 5厘米

隔条间距 :0 3～ 1毫米

材堆底层与地面间距 :1 0～ 1 5厘米

材堆与干燥窑顶之间距 :80厘米。

2 2 2　干燥基准

在集成材生产中 ,好先用中温除湿干燥机 ,其高温度为 60℃ ,干燥过程理论上分为三个阶段 ,但实际运行中是一个整体过程。

(1 )预热阶段

此时木材含水率大于 50 %,高于纤维饱和点 ,主要蒸发自由水。

介质温度 :45～ 60℃

干湿球温差 :1～ 2℃

预热速度 :2～ 2 5ｈ/ｍｍ

相对湿度 :80 %～ 90 %

(2 )干燥阶段

木材含水率降至 8%～ 1 0 %,这时干燥变形易产生 ,注意控制含水率梯度和窑内温度和湿度 ,确保干燥质量。

介质温度 :3 5℃～ 60℃

相对湿度 :80 %～ 40 %

温差大值 :1 0℃～ 1 2℃

(3 )调湿阶段

当木材中心或接近中心处含水率达到终含水率时 ,由于此时含水率梯度加大 ,导致应力加大而产生变形 ,此时应缩小干湿球温差增大窑内湿度 ,一般情况下 ,调湿时间 2 4ｈ左右 ,产品合格率应大于 95%。

2 3　指接材制备工段

干燥后板方料首先经过高速截断机截断以剔除各类缺陷 ,再经过定厚双面刨定厚刨削 ,然后进入精密多片锯进行纵剖即可 ,该工段主要应注意以下几个问题。

2 3 1　严格按企业标准或用户要求剔除缺陷 ,不带入下道工序

2 3 2　虽是初步加工 ,也应确保加工精度 ,尺寸公差在标准范围以内 ,长度不限 ,厚度公差小于± 1毫米 , 宽度公差小于± 1 5毫米。

2 4　指接工段

主要包括铣齿 ,涂胶 ,加压接长及四面刨等工序 ,前三道工序可在自动指接机上一次性完成 ,可手工进料和出料 ,四面刨需采用四轴以上的刨切机以确保加工精度。

2 4 1　齿形参数的选择

齿形参数包括齿长ｈ ,齿顶宽ｂ ,齿距ｔ和斜度θ,它们之间关系为 :ｔｇθ=(ｔ-2ｂ)/ 2ｈ

齿长ｈ :国内一般 1 0～ 1 2毫米 ,而日本和美国等

则区别较细 ,结构集成材为 1 2毫米以上 ,非结构集成

材为 5毫米。

齿顶宽ｂ :一般在 0 2～ 2 7毫米

斜度θ :一般在 1 / 7 5～ 1 / 1 1

齿距ｔ:一般在 3～ 4毫米。

这四个齿形参数互相关联 ,互相影响 ,应从指接材强度 ,加工精度 ,刀具寿命等方面综合考虑。

2 4 2　涂胶

机械或手工涂刷两液胶或其它胶种 ,施胶量 2 50～ 3 0 0ｇ/ｍ2 。

2 4 3　加压接长

指接强度随加压压力的增加而提高 ,压力与齿榫长度 ,含水率等均有关 ,通常短齿硬阔材为 80～1 40ｋｇ/ｃｍ2 ,长齿指接 :针叶材 ,2 0～ 3 0ｋｇ/ｃｍ2 ,阔叶材2 5～ 3 5ｋｇ/ｃｍ2侧向加压压力 :2 0～ 3 0ｋｇ/ｃｍ2加压时间 :4～ 6ｓ养护时间 :2 4ｈ

2 4 4　四面刨

为提高胶拼质量和减少砂光工作量 ,须对指接材进行四面刨削。刨削余量及精度如下 :

宽度方向 :3毫米 ,精度 0 2毫米

厚度方向 :2毫米 ,精度 0 2毫米

2 5　胶拼及后期处理工段

2 5 1　胶拼

将指接材按色差和材种进行分选后 ,首先在涂胶机上进行涂胶 ,胶量为 2 50～ 3 0 0ｋｇ/ｃｍ2 ,陈化 2 0分钟后再在拼板机上进行加压拼接 ,参数如下 :

加压压力硬阔 :1 2～ 1 5ｋｇ/ｃｍ2

针叶材 :7～ 1 0ｋｇ/ｃｍ2

加压时间 :3 0～ 50ｍｉｎ

加压后养护时间 :2 4ｈ

温度低 ,加压时间适当延长 ,反之则缩短 ,养护后可进行后期加工 ,胶粘剂选用两液或冷压脲醛胶 ,出口产品则一般要求用水基聚氨酯胶。水基聚氨酯胶生产的集成材在国外受到欢迎主要在于不含甲醛、苯酚等有害物质 ,胶层固化后无毒无害 ;耐水性 ,耐热性和耐老化性优异 ;初粘力大 ,固化速度快 ,胶粘强度高等优点。

2 5 2　后期处理

后期处理主要是砂光、检验分等采用双面砂光、砂光余量为 2毫米 ,按表面质量进行分等。

3　结论及建议

3 1　指接集成材是小径材综合利用有效的技术之一 ,它作为一种新型基材 ,发展前景广阔。

3 2　指接集成材制材工艺和干燥工艺是影响生产成本的关键 ,不同的径级材种应采用不同的下锯方法 ,干燥工艺参数也应根据实际情况随时调整。

3 3　进一步加强国产设备的开发 ,并提高产品切削精度和自动化强度。

3 4　尽量制定指接集成材国家标准 ,以规范市场竞争和指导生产。