复合材料的构建理念是一种紧紧依赖于微观结构、以性能为设计目标的新理念。随着复合材料的微观力学和计算机图形图像学等先进理论技术逐步引入木材学科，人们对木质人造板物理力学性能的研究已经深入到了微观领域，开始从木质人造板的微观构造角度来解释影响板材物理力学性能的本质原因(Cahn, 1999; Timothy et al., 2004)。本文以微米薄片状木纤维低密度人造板(micron flaky wood fiber light density board，MFLB)为研究对象，基于复合材料构建理念，尝试性地探寻一个研究微米木纤维低密度人造板微观结构与性能关系的方法，分析孔穴压缩变化率对MFLB板材力学性能的影响。

1 MFLB构成机理

微米薄片状木纤维低密度人造板是基于微米木纤维重组理论，利用微米级木纤维机械加工技术来破坏木材细胞的近六棱形固有结构，使微米级的纤维丝处于麻丝般交织的絮状结构后进行重组的板材。传统轻质刨花板的生产中由于刨花孤立存在，若原材料密度大于0.4 g·cm^-3，加上胶黏剂及其他添料后，不采用发泡技术，很难压制出密度小于0.4 g·cm^-3的板材，因此，它突破了传统轻质刨花板这种多以发泡技术为依托的工艺制备方法，采用机械加工方法将细胞腔割裂开，直接得到的是不同程度纯木纤维，原材料密度对它的影响已经很小。在制备MFLB时，可以选用密度大于0.3 g·cm^-3的木材原料来压制密度在0.3~0.45 g·cm^-3之间的板材，因此，它是一种微米加工技术的新产品。

传统木材切削时所采用的刀具刀尖圆弧半径、切削厚度远远大于细胞的当量直径，切削基本上是挤压、劈裂，无法将木材的一些天然缺陷如节子、虫眼、伤口等合理剔除，由于这些缺陷的断面面积相对于纤维断面面积要大得多，因此，当采用小的刀楔角、小的刀尖圆弧半径、切削厚度在微米级水平制备微米长薄片木纤维时，原有微观缺陷是可以剔除的，同时还可以消除木材细胞六棱形的特征所导致的碟簧效应和木材细胞内容物的流动，使细胞内容物挤出而不回流，这样就降低了木材切削时的能耗，降低了人造板生产成本，如图 1所示。再将这种几乎没有缺陷的、松弛而柔软的、长薄片状的近似纯木纤维，直接作为板材强度的构成主体进行重组，这就是MFLB形成的主要机理(马岩，2002a；2002b；2003；2005)。

当木材加工至微米级后，形成的絮状结构如图 2所示，微米木纤维原始状态如图 3所示。类比木材的天然结构可知，絮状结构互相的交织作用相当于木材中胞间层木素所起到的连接作用。经试验，在水中浸泡MFLB，尽管胶黏剂失去作用，但板材没有像其他板种那样散开，而是依然连接在一起，不松散。也正是微米长薄片木纤维形成的杂乱絮状结构对空气的机械夹杂，以及因受热产生水蒸气及其他挥发组分而形成的内部成核作用，使该新型板材形成了大量的空穴、孔穴和孔隙，使板材的密度降至0.4 g·cm^-3以下成为可能。因此，在制备MFLB时，空穴、孔穴和孔隙作为MFLB的一个微观结构特征，一个影响板材物理力学性能的重要因素，是评价板材的一个重要参数，其含量、大小、形态、分布将是构建MFLB的重要内容，是保证MFLB密度在0.4 g·cm^-3以下的重要参数。这一内容将利用计算机数字图像处理技术实现孔穴的检测和评价，本文不作阐述。但也正如其他木质、非木质人造板材料一样，孔穴也是MFLB的最常见的缺陷之一。MFLB非均匀孔穴的存在降低了MFLB的力学性能，如静曲强度和弹性模量等。

2 孔穴压缩变化率对MFLB力学性能的影响

本文在MFLB的研究中引入另一个参数——孔穴压缩变化率η(hole compressibility)。不同树种、不同切削厚度、不同刀具参数都将使木纤维加工中木材细胞结构的变化程度不同、木材微米化程度不同、加工出的微米木纤维密度不同、交织的絮状程度不同，这些因素决定着板材内部结构特征，决定着板材所能压制的极限密度，对板材性能起着决定作用，因此，它除能反映孔穴含量外，还包含着细胞结构变化程度、木材微米化程度。构建MFLB时，板材的密度小于原材料木材的密度，η≤0，即板材纤维间孔穴和原来材种的细胞孔隙相比大于原来材种的细胞孔隙，对某一具体密度水平的板材来讲，η有一个临界值，即保证其性能符合标准的临界值。在研究微纳米加工产品时，该比值比用单一孔隙率(孔隙百分含量)或密度来衡量、评价板材要全面些、科学些。

本文是对木材微纳米产品的微观结构与性能关系的探索性、尝试性研究。通过设置一系列的热压压力得到不同水平的孔穴压缩变化率，通过试验，初步研究其对MFLB板材的静曲强度和弹性模量的影响，对于某一特定密度MFLB板材，探寻其符合日本JISA 5908轻质人造板标准的可接受的临界孔穴压缩变化率。

2.1 材料与方法 2.1.1 试验材料

红松(Pinus koraiensis)，产于小兴安岭，置于大气中，含水率为12%~15%，密度0.44 g·cm^-3。脲醛树脂胶，固含量53.6%；固化剂NH₄Cl，1.5%。

红松木块80 mm×80 mm×80 mm，在实验室自制的微米薄片削片机上，以定向顺纹刨切加工至设计要求的厚度h，其厚度范围在50~150 μm，经分析，其厚度集中分布在60~100 μm之间，约占72%；再经宽度定制处理设备将纤维达到约定的宽度，集中分布在5~8 mm之间，约占75%；其长度在65~75 mm之间的约占78%。微米长薄片木纤维形态分布如图 4所示。

2.1.2 MFLB的制备

名义密度：0.3 g·cm^-3；幅面尺寸：500 mm×250 mm×10 mm；热压条件：热压温度130 ℃；热压时间4 min；热压压力按1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 MPa 5个条件设置，每个条件重复1次。

2.1.3 横断面显微照片的采集

将试验制作的每块MFLB取200 mm×50 mm×10 mm的试样2个，进行显微数码图像的采集。根据所采集的MFLB板材断面显微数码图像，对每块MFLB板材试样磨平、抛光，应用光学显微镜(XYH-3A)，分析孔穴的位置、尺寸和形状。

2.1.4 横断面孔穴压缩变化率的测量

根据所采集的显微图像，在每块MFLB板材孔穴均匀分布的区域分别取5个试样，根据GB/T 4897-92测定每块的密度，标出脲醛树脂的含量，最后计算得到每块板的平均孔穴含量β，再计算出红松实木的孔隙度C，最后得到孔穴压缩变化率η。计算公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：β为孔穴含量百分比；V_f微米长薄片木纤维的体积率；V_r为胶料的体积率；γ为MFLB的密度；w_r为脲醛树脂的质量百分数；ρ_r为脲醛树脂的密度；w_r为木纤维的质量百分数；ρ_f为木纤维的密度。

(5)

(6)

(7)

式中：ρ_q为红松的气干密度；ρ₀为红松的绝干密度；ρ_cw为细胞壁平均物质密度；k_v为红松的体积干缩系数；W_q为红松气干含水率；C为红松的孔隙度；η为红松MFLB板材孔穴压缩变化率。

查：红松气干密度ρ_q=0.44 g·cm^-3，K_v=0.459；取：W_q=12%，ρ_cw=1.53 g·cm^-3(成俊卿，1985)，代入式(5)、(6)得：ρ₀=0.439 7 g·cm^-3，C=71.26%。

2.1.5 性能测试

静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)的测试按GB/T 4897-92进行，于万能力学试验机(Y005)上进行测定，试件尺寸200 mm×50 mm，厚度为试件全厚，加载速度为(0.125±0.063) mm·s^-1。测试指标参照日本JISA 5908轻质人造板标准。

2.2 结果与讨论 2.2.1 热压压力参数对孔穴压缩变化率的影响

为了得到板材特定密度下不同孔穴含量的MFLB，试验设置一系列的热压压力，得到相应的平均孔穴含量和孔穴压缩变化率如表 1所示。可以看出：随着热压压力的增大，孔穴含量减少，孔穴压缩变化率减小。

如图 5所示，对于MFLB作为隔热、隔温的轻质装饰材料其特定的应用要求而言，在保证一定力学性能的条件下，让孔穴含量在较高、孔穴压缩变化率在较大的水平上，即让密度尽可能的低，找到相对应的临界值，再根据所要求的这一孔穴压缩变化率η水平(或性能要求)来确定一个适宜的热压压力历程，也可通过其他的工艺参数来实现要求的孔穴压缩变化率水平，从而根据具体应用条件适当放松质量控制标准来降低制造成本。本节也只是为MFLB的研究提供一个方法，这一方面的研究仍需要大量的试验深入。

2.2.2 孔穴压缩变化率的微观变化分析

图 6给出了不同压力情况下孔穴的压缩变化。图 6a、b、c和d是板材横断面图像经二值化处理后的图像，分别显示热压压力为1.6、1.8、2.0和2.2 MPa时的孔穴形态与分布，从图可以看出：压力越大，孔穴含量越低，孔穴压缩变化率越低，而孔穴的宽长比就越大，形状更加接近圆形，尺寸较小，而且它们彼此之间相互分离，即分布比较分散；随着孔穴含量、孔穴压缩变化率的增加，孔穴的宽长比就越小，形状越细长，尺寸也较长，它们之间的距离也较近，这些孔穴往往容易连在一起。

考虑孔穴压缩变化率对力学性能的影响，性能随孔穴压缩变化率增大，呈非线性关系，这是因为考虑的孔穴压缩变化率仅是一个比值，还应当同时考虑孔穴的形状、分布和大小。所以，应用显微镜分析以便辅助分析孔穴压缩变化率对性能的影响。这一内容将利用计算机数字图像处理技术来实现孔穴的视频检测和识别标定，本文暂不作介绍。

2.2.3 强度随孔穴压缩变化率变化分析

由于孔穴形状和分布不规则，从理论上预测孔穴对MFLB性能的影响比较困难。孔穴在其周围有限区域内可以引起一个较高的应力集中，而MFLB由其性能要求及使用场合决定其局部小区域内出现较高的应力集中，所以含孔穴压缩变化率较低的MFLB其局部小区域内的强度不会因为孔隙多而受到影响。而且，当MFLB的孔穴压缩变化率低于某个临界值时，强度在较宽的范围内也不会因为孔穴的出现而急剧降低。另一方面，当孔穴压缩变化率高于某个临界值时，在较宽的区域内即使加载一个较低的载荷水平也可能使其MOR急剧降低。所以，从本质上来讲，对孔穴压缩变化率进行测量应该是用某个区域而不是用某个点，即孔穴压缩变化率对MFLB的强度的影响依赖于孔穴存在的局部区域大小(贺鹏飞等，2000)。

3 结论

对于密度为0.44 g·cm^-3的红松，当木纤维加工至本文所给的几何尺寸时，通过控制热压压力来得到不同孔穴及孔穴压缩变化率水平的MFLB板材，结果表明压力采用1.6~2.2 MPa，均能压制出符合标准的密度为0.3 g·cm^-3的MFLB板材，η≤0，在－0.048 7~－0.068之间，压力与孔穴压缩变化率η呈非线性关系，为预测孔穴压缩变化率与MFLB强度之间的关系建立了基础，对于MFLB的力学性能研究具有重大的理论意义。

通过施加不同压力得到不同水平的孔穴含量、孔穴压缩变化率，进一步对MFLB的其他工艺参数进行研究，把工艺参数和性能联系起来，通过控制工艺参数，可以优化MFLB的加工工艺，近而来降低制造成本。

初步得到保证密度为0.3 g·cm^-3的MFLB力学性能的临界孔穴压缩变化率为-0.068，为后续应用理论计算方法定量地分析MFLB的强度和刚度提供了可能。

MFLB板材横断面图像显示，孔穴含量、孔穴压缩变化率越低，孔穴的宽长比就越大，形状接近圆形，分布较分散；随着孔穴含量、孔穴压缩变化率增高，孔穴的宽长比就越小，形状越细长，而且孔穴容易连在一起。

对于某一密度、一定纤维化的木纤维原料，MFLB板材的强度随着孔穴压缩变化率的升高而降低，当孔穴压缩变化率高于某一临界值时，即使加载一个较低水平的载荷，也能使MOR、MOE急剧降低。