刨花板的厚度膨胀率按其特性可分为可逆厚度膨胀率和不可逆厚度膨胀率，前者主要是来自于木材的天然吸湿性，而后者主要是被压缩木材的回弹性及木材碎料之间胶接点的断裂所致(李坚，1989；1992)。如果能确定二者之间及各自与相应的制板工艺的关系，对制造尺寸稳定性好的优质刨花板，将具有重要意义。在前文(顾继友等，2002a；b；c)中，阐述了刨花板在厚度方向变形的一般性规律，本文将应用它们的部分推导，进一步阐述在本研究过程中发现的另一规律——刨花板“厚度膨胀率平行性”现象(顾继友等，1999)，把刨花板性能指标中的“24 h吸水厚度膨胀率”和“不可逆厚度膨胀率”两项指标进行作图，其曲线具有相同的趋势，即回归后得到两条平行或接近平行的曲线，如图 1所示。

1 问题的提出

图 1的单因素实验表明“24 h吸水厚度膨胀率(24 hTS)”和“不可逆厚度膨胀率(irTS)”之间存在着一定的联系，先将其写作：

(1)

式中：24 hTS指刨花板的24 h吸水厚度膨胀率；irTS指刨花板的不可逆厚度膨胀率；ΔTS指“24 h吸水厚度膨胀率”和“不可逆厚度膨胀率”之差，称之为相对可逆厚度膨胀率。

可见，在一定条件下，ΔTS的值接近一个常数。实验使用杨木混杂刨花和异氰酸酯胶粘剂，对含水率、密度、施胶量、施蜡量、热压温度和热压时间进行实验，结果表明：其ΔTS值的范围在7.2%±0.6%内；如果使用杨木刨花和异氰酸酯胶粘剂，则其ΔTS值的范围在9.83%±0.92%内。

为更进一步确定这种必然联系，使用自制的异氰酸酯胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂及脲醛树脂胶粘剂，对落叶松刨花的热压温度、热压时间、刨花含水率、板的密度、施胶量和施蜡量进行重复正交实验，对于胶种和树种进行重复单因素实验。采用方差分析的办法对各实验中的24 hTS、irTS及ΔTS值分别进行检验，以确定各种被考证实验因素对相应的ΔTS值是否存在显著性影响。如果被考证实验因素对ΔTS无显著性影响，则说明当改变被考证实验因素的水平(其它因素固定)，该ΔTS值基本上是一常数，由此也可找到刨花板“厚度膨胀率平行性”现象的适用条件。

2 实验材料及方法 2.1 实验材料

大青杨(Populus ussuriensis)、兴安落叶松(Larix gmelinii)、柞木(Quercus mongolicus)、红松(Pinus koraienisis)和白桦(Betula platyphylla)，购于哈尔滨木材市场；稻秸(rice straw)和麦秸(wheat straw)，购于哈尔滨阿城。胶粘剂分别为：YQJ-A异氰酸酯胶粘剂、YQJ-B异氰酸酯胶粘剂、DN-6脲醛树脂胶粘剂和DP-A酚醛树脂胶粘剂。所用刨花及胶粘剂自制。

2.2 实验方法

制板工艺中的固定因素：板的名义厚度12 mm，板的幅面340 mm×360 mm，热压工艺为三段加压法，见图 2。采用L₉ (3⁴)正交表进行重复实验，同时进行单因素重复实验。实验因素水平如表 1和表 2所示。工艺流程为：

检测内容：按GB/T4897-92测定板的静曲强度、内结合强度、密度和含水率；按西德DIN68763测定板的吸水厚度膨胀率、湿内结合强度和不可逆厚度膨胀率。

3 实验 3.1 密度、热压温度和热压时间三因素的验证实验

使用L₉ (3⁴)正交表对密度、热压温度和热压时间进行验证实验，主要检验24 hTS、irTS和ΔTS三项指标。固定因素：落叶松刨花，刨花含水率12.1%、施胶量5%、施蜡量1%、热压压力3.6 MPa。正交实验的“因素-水平”安排见表 1中的“正交实验1”进行，实验结果如表 3，有关方差分析见表 4。

实验结果表明：在密度、热压温度和热压时间三因素中，只有密度是影响刨花板厚度膨胀率差的显著性因素，且随密度的增加，厚度膨胀率差值越小。以落叶松为例，当密度为640 kg·m^-3左右时为9.04%±0.63%，密度为750 kg·m^-3左右时为8.35%±0.51%，密度为850 kg·m^-3左右时为7.37%±0.56%。这是因为：1)板的密度越大板越密实，则水分在板内的扩散速度越慢，板的蠕变推迟时间系数越大，致使板的应力释放和粘弹性变形恢复慢，最终使得板的厚度膨胀率和木材的吸湿膨胀在24 h内未充分膨胀(顾继友等，2002c)；2)板的密度越大，压缩率越大，在加压初期木材细胞被压溃的越多，致使其与压缩率对应的内应力减少的越多，同时使压溃处木材因吸湿而产生的内应力作用减小，则木材的吸水膨胀率减小；3)板的密度越大，意味着单位体积板内的刨花量增加，由于板的密度与木材本身密度及其材性相关联，则刨花间的交织作用增强，使得对刨花膨胀的束缚作用增大，因此也造成木材吸湿膨胀在24 h内未充分完成，最终导致板的密度对板的厚度膨胀率差表现出显著性影响。

为此，我们将用异氰酸酯胶粘剂制成的不同密度杨木刨花板和落叶松刨花板，放于20±0.5℃的水中浸泡。在前50 h，每h测其吸水厚度膨胀率和不可逆厚度膨胀率；在50~67 h之间，每3 h测一次；在67~97 h之间，每8 h测一次，选择不同时间的测量结果示于表 5。结果表明，即使密度为373 kg·m^-3的杨木刨花板，在96 h后，仍有厚度膨胀，但在36 h后，中低密度的杨木刨花板由于本身材性等原因，水分扩散快，各种应力释放和厚度膨胀较彻底，因此它的吸水厚度膨胀率和不可逆厚度膨胀率很小；但是密度接近或高于784 kg·m^-3的杨木刨花板因压缩率大，各种密度的落叶松刨花板因其材性不利于水分扩散，使得板的吸水厚度膨胀率和不可逆厚度膨胀率即使在97 h后，膨胀仍较明显。由此可理解部分板在不同时间内的可逆厚度膨胀率也会随时间延长而增大。

3.2 “含水率、施胶量和施蜡量”三因素的验证实验

利用L₉ (3⁴)正交表对含水率、施胶量和施蜡量三个因素进行验证实验，主要检验24 hTS、irTS和ΔTS三项指标。固定因素：落叶松刨花，密度800 kg·m^-3，热压温度170℃，热压时间5 min。正交实验的“因素-水平”安排见表 1中的“正交实验2”进行，实验结果见表 6，方差分析见表 7。

实验结果表明：三个因素都不是影响ΔTS的显著性因素，这是“厚度膨胀率平行性”的一个有力佐证。在表 6和图 3中可看出显著的平行性，因此含水率、施胶量和施蜡量对“厚度膨胀率平行性”现象的影响可从此正交实验中获得肯定和证明。

另外，含水率、施蜡量和施胶量都是“24 h吸水厚度膨胀率”和“不可逆厚度膨胀率”的显著性因素，然而含水率、施蜡量和施胶量对二者的差(ΔTS或称可逆厚度膨胀率)的高度显著性却抵消了。这在逻辑上说明了“厚度膨胀率平行性”的合理性。数据统计分析结果表明：落叶松刨花板相对于含水率、施胶量和施蜡量三因素的厚度膨胀率差值在8.30%±0.92%之间波动。

结合“密度-热压温度-热压时间”三因素实验结果可见，在密度、热压温度、热压时间、刨花含水率、施胶量和施蜡量六个主要影响因素中，只有密度是影响“厚度膨胀率平行性”现象的显著性因素。考虑厚度膨胀率差的实质，由方程(2) (顾继友等，2002b)：

(2)

可知24 h吸水厚度膨胀率表征了刨花板试件在24 h内木材吸湿膨胀率、热压中粘弹变形的释放造成的膨胀率、浸泡时胶接点破坏的膨胀率及机械吸附蠕变，而由后三者引起的变形加上木材的吸湿滞后膨胀率就是相对不可逆厚度膨胀率，而可逆厚度膨胀率就是24 h内木材吸湿膨胀率。

因此凡是影响木材吸湿性的因素，都将影响刨花板的厚度膨胀率平行性规律。除密度外，对“厚度膨胀率平行性”现象有显著性影响的因素还应有：1)材料        制板所用材料不同，由于其本身特性的差异，会导致制成刨花板的吸湿特性、吸湿应力释放程度及其吸湿应力作用下产生的新的变形能力的差异，使其成为影响“厚度膨胀率平行性”现象的一个显著性因素(见表 10、11, 图 5)；2)刨花形态        有研究表明(王培元，1989)：刨片越薄，其细胞壁因切削反复受力而受损的程度越大；而细胞壁的受损又是伴随木材高聚物分子的变形或断裂而产生的，造成弹性变形及塑性变形增大。这意味着不同形态的刨花因制备工艺不同也将影响刨花板的“厚度膨胀率平行性”规律。有学者(须田久美，1987)研究了24种形态刨花与刨花板性能的关系，我们对其实验结果中的“24 hTS”和“irTS”指标进行方差分析表明，只有刨花的宽度对ΔTS有显著性影响，而刨花的长度和厚度无显著影响。

3.3 胶种因素的验证实验

首先自行合成了脲醛树脂胶粘剂DN-6、酚醛树脂胶粘剂DP-A、异氰酸酯胶粘剂YQJ-A和异氰酸酯胶粘剂YQJ-B，取其代号为1、2、3和4。用杨木刨花压制密度为700 kg·m^-3的刨花板，热压温度：180℃，热压时间：6 min，施胶量按顺序分别为12.0%、9.0%、4.5%和4.5%，施蜡量1%。结果如表 8所示。实验结果表明：胶粘剂不是影响“厚度膨胀率平行性”现象的显著性因素，但其明显地影响板的不可逆厚度膨胀率(表 9, 图 4)。因为对于杨木刨花板，木材刨花是主要成分，胶粘剂只起胶接木材刨花作用，所占比例有限，且多分布于刨花表面，它并未对木材的物理、化学性质有较大的改变，因此对木材吸湿膨胀的影响不大。但是加入的胶粘剂固化后会产生胶接束缚作用，对木材的吸湿膨胀的速率有所影响，然而在浸泡足够的时间后，如经24 h或更长时间的浸泡作用，足以使水浸透木材使刨花板充分膨胀。

3.4 刨花材料因素的验证实验

实验条件：刨花含水率18%~21%，施胶量5%，胶种YQJ-A，热压温度170℃，热压时间5 min，施蜡量0，名义密度700 kg·m^-3，实验结果见表 10。

实验证明，制板用材料确实是影响“厚度膨胀率平行性”现象的高度显著性因素。可以理解对于同一树种，在不同的生长环境或不同树龄，或即使是同一棵树，在不同的取材部位，其材质和吸湿膨胀特性都有所差异。因此树种因素对厚度膨胀率平行性的影响规律难以确定。然而也不能否定，不同树种间具有相同的吸湿膨胀率值。不同刨花材料之所以是影响“厚度膨胀率平行性”现象的显著性因素，归结于其本身结构特性、物理性能和化学成分的差异，这些导致它们吸湿能力、水分对它们的作用和影响的差异，最终导致材料的可逆厚度膨胀率的差异。

3.7 刨花预处理的影响

靳长虹¹⁾和王逢瑚²⁾先后研究了“酚醛树脂刨花板的刨花在碱性条件下预先浸泡处理对板尺寸稳定性的影响”和“脲醛树脂刨花板的刨花在酸性条件下预先浸泡处理对板的尺寸稳定性的影响”。对其结果分析表明，刨花经碱或酸浸泡预处理对“厚度膨胀率平行性”有显著的影响。是由于木材在酸或碱的作用下，其结构和成分发生改变所致。在碱液浓度较低时，由于它对木材的润张作用，先使可逆厚度膨胀率有所增大(Stamm，1964)；在碱液浓度较高时，使木材细胞内产生较大程度的半纤维素和木素降解，木材内的结构发生一定的变化，使可逆厚度膨胀率改变(Baecher，1966)。一般说，碱浓度提高，木材的吸湿膨胀下降。在酸性条件下，木材的细胞成分将发生降解，结构会有所变化，尤其是半纤维素在酸性条件下的降解较明显，因此改变了木材的吸湿膨胀特性，使之对板的可逆厚度膨胀率有显著的影响。随酸液浓度的增加，木材的可逆厚度膨胀率明显下降。

1) 靳长虹.脲醛树脂刨花板尺寸稳定性的研究.硕士论文, 哈尔滨:东北林业大学, 1998.

2) 王逢瑚.酚醛树脂胶接刨花板的应力释放.博士论文, 英国:英国威士大学, 1992.

另外，将刨花进行蒸汽预处理，由于木材的结构和物理化学性质的改变，主要也是半纤维素的部分水解或生成弱吸湿性物质，降低了木材的吸湿性，也会使木材的回弹降低(李坚，1989)，而改变木材的可逆厚度膨胀率。

4 结论

综上所述，在刨花板各制板工艺参数中，只有树种、刨花形态、刨花预处理和板的密度会显著地影响刨花板的“厚度膨胀率平行性”，其它参数如胶粘剂种类、刨花含水率、施胶量、施蜡量、热压温度、热压时间等对板的厚度膨胀率差无明显影响，它们都满足“厚度膨胀率平行性”规律，因此可将(1)改写成：

(3)

式中：C是一常数，表征刨花板在20℃±0.5℃水中浸泡24 h后，材料的可逆厚度膨胀率。由(3)式可见，要制得24 h吸水厚度膨胀率满足一定要求的板材，其厚度膨胀率差(C值)，不能大于或接近24 h吸水厚度膨胀率的要求上限，以异氰酸酯胶粘剂制造稻草板为例，由于稻草的C值较大，为11.5%±0.84%，因此在常规工艺条件下，即使使用异氰酸酯胶粘剂，也极难制得满足德国DIN V100级的稻草防水板。

对于一般材料，要制得优异的防水级刨花板(如满足德国DIN V100要求)，应首先选用适当的刨花材料及密度。当刨花材料和密度确定后制造刨花板时，凡是能降低不可逆厚度膨胀率的措施，如适当提高施胶量、选用合适的含水率、理想的胶种、提高胶的内聚强度、改善界面粘接等都能改善24h吸水厚度膨胀率。