木材作为一种特有的天然生物材料, 以其独有的优异特性为人们所青睐, 估计到2000~2010年我国木材最低需求量约为2×10⁸ m³ (陈绪和, 1999)。但是随着人们环保意识的提高, 各国都制定了各种保护森林的法规法律, 我国也实施了“天然林资源保护”工程。在这种保护与需求的矛盾下, 人造板工业将进一步发展和繁荣, 尤其是碎料板方面。刨花板作为一种用途广泛的人造板, 在我国一直是具有发展前景的产品, 年产量仅次于胶合板(顾继友等, 1999)。但是, 刨花板在厚度方向上的尺寸稳定性较差, 鉴于实际应用, 在各种人造木基质复合材料中, 人们对刨花板的厚度膨胀率要求最严格, 因此制造在一定要求范围内的厚度膨胀率的刨花板, 成为生产和科研的一个难点, 这也是众多刨花板生产者和研究者希望解决的问题。

为了进一步深入地研究刨花板厚度方向的变形规律, 有必要建立刨花板厚度方向变形的方程模型, 以便于人们在研究和生产上, 更直观地描述刨花板的厚度变形, 同时也为本课题的进一步深入研究奠定基础。

1 刨花板厚度方向变形的模型

对于木质基复合材料的厚度膨胀率, 从结构上讲, 以胶合板和普通刨花板最具代表性, 它们在厚度方向的结构用图 1表示。

胶合板模型的实质是在厚度方向上, “单板—胶层—单板”重复叠加的层状结构。相邻的单板其纹理方向互相垂直, 且单板的层数为奇数。在胶合板结构形成时, 胶粘剂为使将相邻的两单板牢牢的胶接在一起, 往往在单板表面涂上一层连续的胶层, 由于单板表面的缺陷(如裂隙)和木材的本身特性(管胞、导管等), 使胶粘剂渗入单板内。加上为实现胶接, 在较高的温度、压力和时间作用下, 木材和胶粘剂相互间发生扩散, 形成一个过渡层, 这一过渡层的物理化学和其它性质与纯木材和胶粘剂都有所不同。但是在“木材—过渡层—胶层—过渡层—木材”重复结构中, 每层都将对板的吸水厚度膨胀率有所贡献, 即板的厚度膨胀率为各层自身厚度膨胀率之和。

在图 1 (b)中, 只是为形象地表述刨花板厚度方向的结构, 并不代表实际刨花的宽度、长度、厚度和形状。将刨花看作长方体, “E刨花”是指刨花的长度(纤维方向)和厚度面向纸面的刨花; “R刨花”是指刨花的宽度和厚度面向纸面的刨花; “P刨花”是指刨花长度和厚度方向面向纸面的刨花。另外, 刨花板的结构组成, 不是只由“E刨花”、“R刨花”和“P刨花”组成, 在一个厚度切面上, 刨花的排列取向是随机的, 即各个方向都可为刨花的排列取向, 模型只以“E刨花”、“R刨花”和“P刨花”表示, 它并不影响对模型的解释。

刨花板厚度方向是一类似立体砖墙结构, 刨花相当于砖, 胶粘剂和其它的填料如同于填充于砖与砖缝隙间的黏土, 但以点状分布, 在相邻较近的两刨花间形成胶接点, 且要求此两相邻刨花距离很小。由此可见, 刨花板结构是由部分层状结构和部分交织结构所组成。一般制造刨花板的理想刨花形态是:片状刨花约占55%~65%, 杆状刨花约占25%~30%, 颗粒和细末约占5%~15%。片状刨花主要形成层状结构; 杆状刨花主要形成交织结构, 有少数以“E刨花”存在; 颗粒或细末刨花起填充作用, 其较大部分是以“E刨花”存在。由于刨花板不是片状刨花和杆状刨花分开分别成板, 而是基本上均匀分布共同成板, 无法明显地区分层状结构和交织结构, 而是二者相互作用共同形成刨花板。在胶接点处的微小区域, 各组成就可看成小胶合板结构; 在无胶接点区域, 虽厚度膨胀主要是木材, 但由于刨花间存在交织作用, 使得无胶区和胶接点微区形成一个整体, 相互间约束变形, 最终达到共同变化。

刨花板存在的变形其本质上归结于两个原因:即内应力的存在和本身是不稳定体系(或说是介稳体系)。前者是膨胀和变形的动力, 后者是条件。应力会自发地使刨花板体系向着对应条件下的稳定体系转化, 使内应力以膨胀功耗能量和非膨胀功耗能量的方式消耗和释放(顾继友等, 2002)。对于高分子体系在外加载荷作用下会不同程度地发生弹性变形、粘弹变形和粘性变形, 人造板是一个复杂的多组分的高分子体系, 对人造板其内应力本质上是人造板在热压过程中板所锁定的外载荷, 具有与外加载荷一样作用性质; 当刨花板含水率变化较大时, 存在明显的吸湿膨胀或解吸收缩, 同时引起内应力的进一步变化而产生胶接点破坏等。

通常人们用吸水厚度膨胀率来衡量刨花板的尺寸稳定性, 综上考虑, 将刨花板任意时刻吸水厚度膨胀率模型用方程表示为:

(1)

式中, TS (t)是刨花板在任意时刻t时的厚度膨胀率; F (t)用于描述木材的粘弹变形; f (M.C, t)用于描述木材的吸湿膨胀, 当含水率低于纤维饱和点(F.S.P.)时, 它与时间和含水率相关, 当含水率高于F.S.P.时, 与含水率和时间都无关; G (t)用于描述胶层的粘弹变形; g (M.C, t)用于描述胶层的吸湿膨胀; J (t)用于描述“木材—胶粘剂”过渡层的粘弹变形; j (M.C, t)用于描述“木材-胶粘剂”过渡层的吸湿膨胀, 当含水率低于其F.S.P.时, 它与时间和含水率相关, 当含水率高于F.S.P.时, 与含水率和时间都无关; V (t)用于描述胶接界面处在应力作用下破坏所产生的变形。

2 对模型的释因 2.1 F (t)函数

它用于描述“木材”的粘弹变形与时间相关, 此时的木材各有关特性区别于素材, 因为在热压过程中, 素材在热、湿、压和时间的作用下其成份的物理化学特性发生了变化, 主要是木素和半纤维素等发生了玻璃化转变, 使之重新分布等。

对于材料的粘弹变形可用凯尔文模型及对应方程表示如下:

(2)

式中, u (t)为t时间内的粘弹变形; k为体系的弹性系数; η为体系的阻尼系数; τ=η/k为体系的松弛时间系数。

若载荷P_i (t)为常数P₀, 且加载荷P₀之前, u (0) = 0, 则(7)式可化为:

(3)

因此, 由方程(2)和(3)可见, 在相同的测量时间t₀内, 影响粘弹变形u (t₀)大小的本质因子是k、η、τ和P_i (t)因子。k是虎克弹性体的弹性系数, 它用于表征弹性体抵抗变形的能力; η是牛顿阻尼器的阻尼系数, 是用以表征阻尼器阻碍变形恢复的能力; τ= η/k是体系的松弛时间系数, 它是描述体系内应力的松弛能力。对于刨花板木材的k、η和τ, 是影响刨花板中木材粘弹变形的内因, 由制备板原料和工艺条件决定, 因此所有的热压工艺和热压参数都可能对其产生影响, 况且人们对它的影响规律了解得还不是很清晰。但是在热压中木材经热压, 在热、湿和力的作用下发生一系列复杂的物理化学变化, 对其必有一定的影响。

内应力P_i (t)则是影响刨花板中木材粘弹变形的外因, 对于已制成的板, 其粘弹变形主要取决于它, 它的大小直接影响板的尺寸稳定性。

刨花板内应力的产生, 其一是热压时锁定的外应力, 其大小可用压缩率定性地描述, 压缩率越大, 则锁定的内应力就越大, 但由于热压前后木材、胶粘剂及“木材-胶粘剂”中复杂的物理化学反应, 使得锁定的内应力与压缩率之间失去正比性。其二是刨花板内部的各向异性或环境变化时所产生的内应力。

首先, 含水率在人造板内的分布并非均匀, 而是显现出一定的分布梯度。热压中板胚的受热首先从表层开始, 逐渐向芯层传热直到热透, 同时伴随着物理化学作用, 这样表层和芯层在受热时间和受热温度上存在一定的差异, 由热作用差异和微区物理化学性质(结构、构造和胶粘剂分布情况等)差异将产生水分重新分布差异。一般来讲, 刨花板含水率表层略低于芯层。实验表明, 12 mm的异氰酸酯落叶松刨花板, 在20℃±0.2℃, 湿度60%~65%的环境中放置35 d后, 测量其表层1 mm和芯层居中2 mm处的含水率分别为6.74%和7.61%。由于含水率在厚度上的梯度分布, 其本身就可能会存在一个新的内应力。当人造板吸湿或解吸时, 因存在着含水率梯度和微区差异使得水分变化不同, 则变形量不同, 其产生的内作用力也不同, 即又有一个新的内应力产生。

另外, 较大的含水率变化会改变“木材—木材”和“木材—胶粘剂”之间分子间距和作用模量, 使得体系即使在相同的应力作用也会产生不同的变形, 见图 5和图 6, 其原因如图 3所示。密度的分布差异, 直接造成差异点上的受力情况差异, 使得他们在热压时的物理化学变化产生差异, 它主要是变形差异。热压中可认为外载荷是恒定, 则由(3)式, 受力大的点其P₀就大, 在相同条件下其变形量也就不同, 因而产生内应力的差异。

环境变化主要是温度和含水率的变化, 当温度变化时, 材料的力学参数会随之改变, 产生了新的内应力分布; 当含水率变化时, 造成木材的解吸或吸湿, 由此产生体积膨胀或收缩应力。

总而言之, 影响人造板内应力的因素很多, 他们对内应力的影响最终都影响人造板的尺寸稳定性。因此对于刨花板, 当产生内应力, 且该内应力可得以释放时, 粘弹变形就不可避免要产生。

2.2 f (M.C, t)函数

f (M.C, t)函数在板的“纤维饱和点”内(区别于素材真正的纤维饱和点), 当含水率发生变化时, 比如增大时, 它使得体系产生一个膨胀量, 而由于胶接点的束缚作用, 以及它不能以相同的膨胀量同时膨胀, 其结果使吸湿膨胀不能立即完全地膨胀。不能自由膨胀部分将产生一个新的内应力作用于胶接点上, 因而改变原体系的内作用力P_i (t), 进而改变了进一步的粘弹变形规律。如果它产生的内应力大于胶接点的容许破坏应力, 还将造成胶接点破坏, 进一步产生新的变形和应力分布。当含水率降低时, 具有同样的作用。由于木材的各向异性, 虽然各微元上所产生的吸湿膨胀量不同, 但是宏观上体系的厚度膨胀率是体系内各微元的共同作用结果。这样经含水率变化产生的最终吸湿膨胀记为f (M.C, t)。

人造板的吸湿膨胀不同于木材的吸湿膨胀。一方面人造板吸湿产生的膨胀不能象木材一样立即自由释放, 而是受到胶接点的影响和束缚。在最表层的刨花, 它的吸湿膨胀最接近木材的吸湿膨胀, 而越接近芯层, 这种影响和束缚越大, 因而产生较大的应力, 影响P_i (t), 直接由吸湿产生的膨胀就相对较小。另一方面人造板中的木材经过热压后, 在相同的环境中, 其平衡含水率有所降低, 因为由胶接和木材流变等的物理化学变化, 使得木材内的亲水活性点数目减少, 相互间作用及性质改变。例如白松刨花板(王逢瑚, 1997)在相对湿度(R.H)为98%时, 其平衡含水率为22%, 而木材则接近纤维饱和点, 达到29%;当相对湿度为80%时, 刨花板的平衡含水率为10.5%, 而木材则达到14.5%。

对于f (M.C, t)函数, 在存在动态含水率变化时, 还存在一个附加项, 它表述了动态含水率变化对木质材料变形的影响, 又称之为机械吸附蠕变项, 所谓的机械吸附现象是受载荷作用的木材在含水率变化时表现出普通蠕变或松弛特性所没有的现象, 是动态含水率变化下的蠕变和松弛, 如图 5和图 6 (Jozsef, 1982)所示。它用于描述木质材料在动态含水率中特有蠕变和松弛, 这种现象产生的关键是:受载荷作用的木材在对应环境中存在吸湿或解吸, 由此产生额外的“木材—木材”、“木材—水分—木材”之间的弱键的断裂和生成。在断裂和生成中, 增加了木材与木材之间的滑移或降低维持木材相同变形所需的外力。木材在含水率较高时(低于纤维饱和点), 纤维素之间的结合水与木材以氢键结合形成分子水层(李坚, 1994), 当解吸时, 将按图 4的过程进行。如果木材发生吸附时, 其过程基本是按图 4的逆过程完成, 但存在一个吸湿滞后问题。

为了能快速地获得刨花板尺寸稳定性的有关信息, 人们往往通过刨花板的吸水厚度膨胀率来反映。在利用20℃的水浸泡刨花板试件的初期, 板的含水率变化很大, 普通刨花板的气干含水率为5%~11%, 水浸泡后的含水率可达100%~170%, 在此过程中, 存在内应力和较大的含水率变化, 满足机械吸附蠕变的外部条件。对此可理解为: (1)在水的作用下人造板不仅释放部分热压时“锁定”的外载荷, 而且由于含水率的变化(此时, 水分不可能在整个刨花板内均匀的分布和转移)及木材的吸湿膨胀产生的新内应力, 共同作用在板的内部, 如同外载荷的作用一般, 使板内部的各化学键都不同程度的受力作用, 先产生一个类似弹性回复, 如图 7 (b)的B—2, 随时间的延长, 又会产生粘弹变形, 在粘弹变形中, 水分的进一步进入, 解开“木材-木材”之间的弱键作用, 如图 7 (b)的B-3、B-4、B-5和B-6, 而形成“木材-水-木材”或“木材-水”或游离的木材键点等几类新的键型, 如图 7 (b)的B-7;在“木材-木材”弱键断开的瞬间, 内作用力仍存在且可视之为不变, 由此而产生较大的分子间的滑移及进一步促进弱键的断裂, 如图 7 (b)的“B-3到B-4”和“B-5到B-6”; (2)如图 5, 水分的进入, 加大了木材分子间的距离, 使木材间的键作用减弱及在内应力衰减或消失时, 变形回复量减少, 如图 7 (b)的“B-6到B-7”。(1)和(2)的共同作用, 使之产生了较纯粘弹变形更大的变形, 这一大出的额外变形就是机械吸附蠕变, 将之记作A (M.C, t), 它产生的关键就是受载木材存在含水率变化。

2.3 G (t)和g (M.C, t)函数

一般固体树脂胶粘剂占板绝干重的3%~13%左右, 体积比较小, 加之刨花的表面积较大, 胶粘剂在刨花板内的分布只能是以极小胶接点的形式分布。胶接点的大小与单位表面积上的胶量和施胶均匀程度相关, 对于绝干密度为600 kg·m^-3的木材, 当施胶量为12%时, 按筛分值计算其刨花单位表面积上的胶量在0.8×10^-4 ~ 3×10^-4 kg·m^-2; 再者, 刨花是多孔性材料, 不免导致部分胶粘剂渗入到木材的孔隙内, 这将使单位刨花表面上实际所得的胶量更少; 此外, 均匀分布的胶粘剂经热压固化后, 呈体型结构, 在热压压力作用下, 其厚度很小, 与刨花的厚度相比, 可忽略。因此, 由胶层引起的吸湿膨胀和粘弹变形与板的厚度及木材的吸湿膨胀和粘弹变形相比很小, 将之忽略; 若胶接点产生的粘弹变形较大或达到不可忽略时(如可能的话), 此时必造成了胶接点的破坏, 则将由此产生的影响归结到V (t)函数中去。

2.4 J (t)和j (M.C, t)函数

在刨花板中, 因为胶接点对厚度膨胀率的影响与木材相比可忽略, 因此用于描述胶接点与木材作用产生的“木材-胶粘剂过渡层”对刨花板厚度膨胀率的函数J (t)和j (M.C, t), 同理予以忽略。

2.5 V (t)函数

V (t)函数值的大小取决于破坏界面的大小, 在忽略木材的缺陷时, 界面的破坏大小主要取决于作用在其上的内应力P (t)的大小。对于刨花板无论是用异氰酸酯树脂胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂、三聚氰胺-尿素共缩合树脂胶粘剂, 还是用脲醛树脂胶粘剂, 它都无法形成连续的胶层, 而是以胶接点的形式实现胶接。胶接点和交织刨花一起作用, 构成刨花板强度的来源。交织刨花加强胶接点对刨花的“束缚”作用, 尤其是“E刨花”, 因为木材的纤维方向的强度和尺寸稳定性最好, 如它与胶粘剂共同作用, 对板的强度和尺寸稳定性都有很大的贡献。

由于人造板的内应力的分布并不均匀, 在应力大的微区, 其胶接点就有可能产生破坏, 而释放内应力, 由于受周围胶接点的束缚, 它不能完全自由地释放, 而是部分释放。同时对周围的胶接点产生新的应力, 如新的应力仍大于周围胶接点的容许破坏应力, 这种情况将会一直进行下去, 同时释放的应力以做功的方式进行, 即产生厚度膨胀。其最大的膨胀量就是该微区上应力所锁定的弹性变形。但是由于微区周边的胶接点束缚, 这些变形不能完全恢复, 未恢复部分以新的内应力作用于周边的胶接点上。这样破坏后的微区就成为一个危险区, 因为其上无胶接点作用, 当环境再改变时, 产生的“新应力”作用于周边的胶接点上, 使得危险区进一步扩大, 由此产生较大的变形和强度损失。这样, 将最终胶接点破坏所引起的变形恢复记作V (t)。要避免胶接点破坏的产生, 就应使胶接点不均匀分布, 应力大的地方多些, 应力小的地方少些, 这在实际中是无法实现。唯一的办法就是尽量减少热压时的内应力。

另外, 胶粘剂的特性对V (t)的影响很大, 这主要取决于胶粘剂与木材的胶接界面强度影响和胶粘剂本身的内聚强度影响。象异氰酸酯树脂胶粘剂, 因为它与木材之间形成强有力的化学键胶接, 与那些只有弱化学键及氢键作用的人造板相比, 胶接界面处在应力作用下产生的破坏较小。胶粘剂的内聚强度越高, 它抵抗外应力作用的能力越强, 胶接点破坏也就相对少些。对于用脲醛树脂、酚醛树脂和异氰酸酯树脂胶粘剂在相同的热压条件下制造密度为600 kg·m^-3的杨木刨花板, 其干内结合强度和湿内结合强度表明, 胶粘剂的胶接作用:异氰酸酯树脂胶粘剂优于酚醛树脂胶粘剂, 酚醛树脂胶粘剂远优于脲醛树脂胶粘剂。

3 结论

综上所述, 刨花板在任意时刻的厚度膨胀率模型的方程可简化为:

(4)

加上存在较大含水率变化时产生的机械吸附蠕变:A (M.C, t), 刨花板的吸水厚度膨胀率模型的方程可写作:

(5)

(5) 式表明, 刨花板的总的吸水厚度膨胀率主要取决于人造板内木材的粘弹变形恢复、人造板内木材的吸湿膨胀、胶接点破坏引起的变形和较大含水率变化时的机械吸附蠕变。