胶合板热压过程中传热传质研究毕业论文

封面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 承诺书．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 目录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1 前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

2 试验材料与方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.1 实验材料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.2 实验设备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.2.1 主要实验仪器说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明及设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.2.1.2 温度压力一体式传感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2.3 实验方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2.3.1 单板含水率的控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.3.2 温度气压测点的设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.3.3 温度和气压的测量方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

2.3.4 实验过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

2.4 实验方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3 结果与分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3.1 胶合板热压过程传热传质情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3.2 不同热压温度下胶合板传热传质情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

3.3 不同热压压力下胶合板传热传质情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

3.4 不同初含水率的胶合板传热传质情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

4 总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22

1 前言

胶合板是最早开始发展的一种人造板。早在公元前3000年的古埃及就有用作装饰材料的锯制薄木，如鸟木薄片的制造。1818年有了旋切机的首次发明，此后的1840年和1844年法国和美国先后获得了旋切机的发明专利。十九世纪的六七十年代，美国和法国等已开始了胶合板的小批量生产。到十九世纪末，胶合板的质量已为消费者认可，有了真正意义上的批量生产。第一次世界大战期间，plywood才成为一种真正的商品名称，胶合板工业已初步形成。20世纪二十年代，我国也已有由外国商人在我国东北地区开办的胶合板厂。目前，就全球来看，胶合板生产主要集中于北美、北欧和东南亚三大区域。北美主要以花旗松和南方松为原料生产结构用厚胶合板；北欧则用小径木生产接长的单板制造结构用横纹胶合板；东南亚则以热带雨林阔叶材，如柳桉，生产三层胶合板为主。我国亦以生产三层胶合板为主，且以进口材为面板，辅以国产速生材的芯板，仅小部分以国产材生产厚胶合板[1,2,3,4]。

胶合板是中国人造板产品中国际市场占有率最高的品种，2009年的市场占有率达到29.7%[5]。胶合板产业的迅速发展有多个层面的意义。首先，这说明中国胶合板生产工艺较为成熟，在国际市场有较强的竞争力；同时，我们必须意识到，胶合板是所有板种中技术要求最低、加工流程最简单、投资规模最小的品种，中国胶合板的单线产量与世界相比还有较大差距，大多为小作坊生产。其次，胶合板产量的剧增说明中国以民营经济为主体、甚至家庭作坊为主体的人造板产业特征明显，这对促进中国劳动力就业和乡村地区经济发展发挥了巨大作用，但正由于工艺简单、规模较小等因素，胶合板在面对国际市场风险时，应对能力是最差的。最后，胶合板是资源利用率最低的板种，仅为中密度纤维板的60%，随着中国森林资源的紧缺，尤其是大径级木材的稀缺性，胶合板产业未来面临较大的发展压力[6]。

树属柳科属(Populus1)，是落叶乔木，生长较快，特别是速生树生长更快，生长7～8年即成熟。树纹理较直，结构细，材质轻，材表面平滑，有一定的实用价值。作为胶合板的生产原料，木是比较新的树种，其生产经验不足，还有许多问题需要解决，其中最常见的就是胶合质量不稳定，有时出现局部开胶、鼓泡、翘曲等现象，直接影响企业的经济效益[7]。因此，研究木单板压制胶合板的传热传质有很大的实际意义。

在很多种木质复合材制造的过程中，热压是一个重要的环节，改善热压工艺是提高木质复合材质量和性能的重要途径之一。热压是人造板（wood-based Panel）生产中的关键性工序之一[8,9]，或称其为最重要的工序之一[6]，。直接关系到人造板产品的性能及其劳动生产率和成本[10,11,12,13,14]。目前我国绝大多数的人造板企业，生产中一般根据经验确定热压时间，而对于热压过程中的导热问题研究较少。为了能够较准确的制定热压时间，改善热压工艺，充分了解木材受热压时导热规律是必要的[15]。热压是人造板生产中的关键工序,不仅直接影响热固性树脂胶的固化速度和程度,影响产品密度、胶合强度等物理力学性能,而且决定着设备生产能力及生产能耗[16]。热压过程中板坯部的主要环境因子包括温度、气压和含水率。其中，温度直接影响加压时间和生产率;气压(大

部分是水蒸汽压力）直接影响卸压时是否会“分层、鼓泡”,影响成板力学性质，并与热传递有交互作用；含水率影响热量的传递和气压的变化,从而影响人造板的性能[17] 。

近几十年来，木材科学的专家学者们采用模型分析的方法，即通过研究板坯结构中的传热传质机理，建立或借鉴现有的数学模型来描述和模拟各种实际的物理过程，或者通过实验来确定板坯的各种物理参数和传输系数，如热导率、导温系数、湿扩散系数等，从而为建立模型和求解模型提供基础数据。Kamke等将人造板的热压过程描述为“一个伴随着动量传递、热传递、质传递及板坯部复杂化学反应和相变同时发生的复杂过程”[18]。而且板坯主要是由木单板、空气和水分组成的三相体系，所以板坯部环境变化的研究一直是个难点．板坯在热压过程中的定型主要通过两个方面的作用完成：压力的作用，使板坯部空隙度减小，板坯形成一定的密度；热量在板坯部传递，达到胶粘剂固化的温度要求，使胶粘剂固化，伴随此过程板坯的水被加热汽化，产生一定的气压．因此，在板坯部环境的研究中，板坯部的温度场和气压变化是研究的重点，能够为最优热压工艺的选择提供最基本的信息[19]。科技大学热能工程系和加拿大森林研究所合作对木材热压过程热量与含湿量的传输进行了研究. 在一定的理论基础和合理的假设下, 建立了数学模型, 可以预测热压过程中木材部的瞬时温度分布[20]。徐长妍研究了喷蒸真空热压板坯部的温度分布特征. 实验中采用热电偶对板坯部的温度变化进行测量. 实验结果表明, 平行于热压板的板坯中心平面的温度分布比较均匀, 沿板坯厚度方向各点的温度分布差异较大. 在喷蒸真空热压过程中, 板坯部的温度上升速率比传统热压快得多[21]。谢力生( 2002) 对干法生产纤维板的热压传热进行了研究, 推导出了理想条件下板坯中心层达到胶粘剂固化温度( t Z ) 所需时间的数学模型[22]。Kamke 研究了板坯含水率、密度、厚度及木质单元的形状对人造板热传导性能的影响[23]。Kamke 和Casey 采用热电偶和压力传感器, 对大片刨花板坯在传统热压过程中部的温度和气压成功地进行了测量，并探讨了热压温度和板坯初含水率对主要板坯部环境因素---温度和气压变化的影响作用[24]。胶合板热压过程中心层温度变化曲线基本可以根据热压时间分为短暂恒温、快速升温、水分汽化恒温和慢速升温四个阶段；胶粘剂种类、施胶量、单板材种、纹理排列方式和板坯密度对胶合板的热压传热过程影响很小；单板含水率、板材厚度和热压板初始温度对胶合板热压传热影响比较显著[25]。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

实验材料为400mm×400mmm×2.0mm（长×宽×厚）的木单板，所用木产自苏北，品种为意大利速生木。

2.2 实验设备

LHS-250SC恒温箱（精度0.1℃）

METTLER TOLEDO AG204电子天平（最大210g 精度0.1mg）

电子称（最大6000g 精度1g）

101-3型电热鼓风恒温干燥箱（温度10℃—300℃）

R4000无纸记录仪

温度压力一体式传感器

XLB-O500X500压力成型机

2.2.1 主要仪器说明

2.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明

R4000无纸记录仪采用32路微处理器和5.6英寸TFT蓝色液晶显示屏，置32MB NAND FLASH 作为历史数据的储存介质，具有12路模拟量输入、2路脉冲量输出、4路模拟量变送输出、12路开关量输出和100mA配电输出。可实现采集、显示、处理、记录、积算、报警、配电等功能。通过CF卡可实现历史数据管理，通过RS-232/RS-485可将数据上传至计算机。本实验主要使用热电偶信号和电压信号的输入。具体技术参数如下：

CPU类型：32位ARM

部储存介质：32MB NAND FLASH

屏幕类型：5.6英寸TFT蓝屏

屏幕分辨率：320×234

输入型号类型：Ⅱ/Ⅲ标准信号、毫伏信号、热电阻、热电偶、频率信号

最大AI通道数：12

最大DO通道数：12

最小采样周期：1s

显示刷新速度：1s

准确度：±0.2%

通讯接口：RS-232/RS-485/以太网

使用通道设置如下：

通道组态设置：

通道 1 2 3 4 5 6 9 10

表征温度温度温度温度温度温度温度压力

单位℃℃℃℃℃℃℃MPa

型号K K K K K K K 4~20mA 量程0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-150 0-1

滤波时间1s 1s 1s 1s 1s 1s 1s 1s

注：9、10是温度压力一体式传感器在测点3的温度和气压。

系统设置：记录时间： 1s；

2.2.1.2 温度压力一体式传感器

该温度压力传感器系由两部分组成（图2-1）。1为外径2.0mm，径1.2mm的毛细不锈钢管，其加工成尖削状的一端封闭，并在离端头10mm处的管壁上开有与管空腔相连通的直径1mm的小孔，用以导入热压过程中产生的混合气体，另一不封闭的端头与陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔连通。毛细不锈钢管的空腔置入温度感应原件K型热电偶（日本产）。热电偶（两根，裸线直径均为0.10mm，并各自绝缘后组合封装在高温绝缘层，封装后的截面尺寸为0.7mm×1.0mm）的一端延伸到毛细不锈钢管的封闭端，另一端延伸到陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔后，经两个密封绝缘端子转接到空腔外，从而形成两个K型热电偶补偿导线的接线点，以通过热电偶引线3连接二次仪表（R4000无纸记录仪）。2为压力变送器。板坯温度气压测试工作原理示意图见图2-2。具体技术参数如下：

温度测量围：<250℃；

精度等级：0.5级。

压力测量围：0-1MPa；

模拟输出：4-20mA；

精度等级：0.5级。

2.3 实验方法

2.3.1 单板含水率的控制

单板含水率的调整也是保证本研究结果可靠性的基础条件之一。为此，将实验用单板先进行含水率测定，测得单板平均初含水率为11.5%。为保证板坯初含水率均匀稳定，将单板放入将所有单板置于30℃，90%湿度的恒温恒湿箱进行调温调湿一天，取出后测得含水率为14.1%。一部分擦水控制水分增加量调节含水率到15%和25%，一部分放入20℃烘箱，调节含水率至5%。

2.3.2 温度气压测点的设置

本实验以热压温度、热压压力、单板初含水率为变量，分别进行热压实验，将取得的曲线图进行对比、分析得出结论。采用无胶的环境，三层胶合板——四单板，芯层为纹理方向相同的两单板算作一层，在这两单板中间开直径2mm的圆弧槽（如图2-2），将温度压力一体式传感器不锈钢探针插入该槽，通过探针顶端的圆孔收集数据，测试点为芯层中心。同时，在芯层不同位置以及胶合板的不同厚度上设置测试点，监测不同厚度及芯层不同位置的温度变化规律。根据板坯位置的重要性，布置温度和气压测点。

常规热压时，热压过程中的传热是：热先从压板传给板坯表面，进而从表面传到表层，再从表层传到芯层；当热压过程进行到一定时间后，一部分热量又从芯层传到板坯边缘，在板坯边缘产生热散损失。热压过程中的传质是：热压开始不久，板坯的水分即会以蒸汽形式从表层向芯层传递，并在到达芯层时发生相变而凝结为水并放出热量，发生热与质的同时传递。

当热压过程延续到一定的时候，部分水分又在蒸汽压力梯度的作用下从芯层传到板坯边缘，且有一小部分从板坯边缘向周围空气散逸。因此，测点在厚度方向上和芯层平面上的具体配置如图2-2所示。1、2、3和6是芯层平面上的测点，在芯层平面的对称轴上。1号测点离板坯边缘50mm，离板坯芯层中心点150mm；2号测点离板坯边缘125mm，离板坯芯层中心点75mm；3号测点在板坯芯层中心点上；6号测点离板坯边缘10mm，离板坯芯层中心点190mm。3、4和5是板坯厚度方向上的测点，在垂直板坯的中心轴上。3号测点是芯层平面和厚度方向的公共测点；4号测点在芯板的外表面的中心，5号测点在表层外侧中心。4、5号测点布置在板坯的上半部可以减少装板和热压机闭合过程中下压板对板坯传热和传质的影响。为方便试验结果的分析和讨论，将6、1、2、3、4和5测点依次分别称为芯层边缘、芯层次边缘、芯层次中心、芯层中心或芯层（对厚度而言）、次表层和表层。测试点设置参照图2-2。

2.3.3 温度和气压的测量方法

本研究中板坯温度气压测试工作原理示意如图2-3。温度压力一体式传感器采集的温度信号直接送至R4000无纸记录仪的热电阻通道，气压信号经压力变送器转换成电信号后送至R4000无纸记录仪压力通道，并经记录仪处理后显示在TFT屏幕上并储存在存里，进而用读卡器将储存在存中数据读取到计算机或用RS-232/RS-485转换器直接联接到计算机进行分析处理。