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人造板高频热压技术

2013-10-14 10:37:46 来源:中国投资研究网 【字体: 【收藏本页】【打印】【关闭】

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核心提示:传统的人造板热压胶合多采用接触式热压,在热压过程中,板坯芯层的热量靠热压板板面热量逐渐传递而得,这需要一个过程。


关键词: 人造板

  传统的人造板热压胶合多采用接触式热压,在热压过程中,板坯芯层的热量靠热压板板面热量逐渐传递而得,这需要一个过程。且对于较厚的人造板,由于热量传递途径长,芯层温度上升较慢,从而使芯层黏剂迟迟不能固化,而表层胶黏剂又过度固化,因此,对人造板生产效率和质量均有不利影响。人造板高频热压技术,是近30年来发展起来的一门新技术。在高频热压过程中,处在两极板间的板坯受到加压作用的同时,也受到高频电磁场的作用,通过板坯内部的介质材料本身产生热量,将电能转化为热能,从而促使板坯温度迅速升高,胶黏剂快速固化。与常规接触式热压相比,它具有加热迅速且均匀、加热具有选择性、加热过程容易控制等优点,不但能显著缩短热压胶合时间,而且也有利于提高板材的质量,因而在人造板领域中的应用越来越广泛。

  1 材料的介电性质

  材料介电性质对高频加热效果有显著影响,介电性质常用介质损耗因素来描述,即介质材料的物理性能,用来表征介质材料高频加热的难易程度,主要包括介电常数和介质损耗角。板坯的介质损耗因素即为板坯的介电常数和介质损耗角正切之积。在高频功率和频率一定时,损耗因数越大,板坯在高频电场中吸收的能量越多,极性分子运动越剧烈,加热速度越快,因而高频加热效果越好。影响材料介质损耗因子的因素包括含水率、胶黏剂、高频电磁场及它们之间的交互作用。

  1.1 含水率

  含水率是影响材料介电性质最重要的因素。从表 1可以看出,水的介电常数和损耗角正切是远远大于胶黏剂和木材的。国内外许多学者在这方面开展了大量的研究。Skaar对木材介电性质进行了研究,结果证明在一定温度和频率下,木材和纤维素的介电常数随含水率增加而增加;Hearmen等对射频下木材介电性质进行了研究,结果表明在射频下介质损耗角正切tana随含水率的增加而增大。黄澄月等对我国东北 8种常用木材的介质损耗参数进行了测量和分析,其结果表明损耗角正切随含水率的升高而增加,且损耗角正切和损耗因素都随频率的变化而变化。时维春等推导了木材中介质损耗和功率密度的公式,认为在频率较低和木材含水率较高时,应考虑电导所产生的焦耳楞次热,在频率较高和木材含水率较低时,只需考虑木材极化弛豫引起的损耗。Zhou等研究了木材损耗因素与含水率的关系,结果表明损耗因素随着木材含水率的升高而增加,其中,在纤维饱和点以下增加速度较快,在纤维饱和点其增加速度较慢。Kabir等在微波频率为1.017GHz范围内对木材的介电常数和损耗因素进行了系统的测定,研究发现木材的损耗因素和介电常数随含水率的增加而增加,其中在纤维饱和点以下,它们与含水率近似呈线性关系。在纤维饱和点以上,其增加速度越来越快,它们可以用含水函数的四阶多项式来很好的拟合。

表1:绝干木材、胶黏剂及水的高频特性

  板坯含水率越高,其损耗因素越大,高频加热速度越快,但含水率过高则会使电阻率下降,临界击穿场强降低,板坯加热时容易被击穿烧毁。同时,水分过多也会吸收太多热量,使得胶黏剂的固化受到影响,影响板材质量,因此需要选择合适的含水率。

  1.2 胶黏剂

  在高频加热条件下,不同胶黏剂的介质损耗因子是不一样的,从表1数据可以看出,胶黏剂的介质损耗因子由大到小依次为:MF>UF>PF,胶黏剂的介质损耗因子越大,从高频电场中吸收的能量越多,胶层的温升速度越快。

  高频加热用胶黏剂的选择,不仅要看它的介质损耗因子,还要考虑其固化时的热反应。如果胶黏剂选择合适,不仅可以使用低功率高频发生器,而且还可以缩短加热时间,降低产品成本。研究表明,最适合高频加热的胶黏剂是合成树脂类胶黏剂,如酚醛胶、脲醛胶、异氰酸酯胶、三聚氰胺树脂胶等,而不宜使用淀粉或大豆蛋白等植物胶。

  1.3 高频电磁场

  当高频电压或电流升高、频率增大时,高频加热效果明显提高。介质材料含水率越高,频率对介电常数的影响越大。李先泽对泡桐、鱼鳞云杉、白桦在射频下的介电性质进行了研究,结果表明,在低含水率(<3%)时,上述几种木材的介电常数随着频率而缓慢地变化,损耗角正切随着频率增高而逐渐增大,至某一频率后又逐渐减小;且含水率越高,介电值越大。曹绿菊等曾研究了木材介电系数与频率、含水率的关系,其结果表明:介电系数随频率的增加而缓慢减小,且含水率越大,介电系数下降得越快。在生产过程中,高频频率一般是固定不变的,主要是通过调节屏极电压或屏极电流来改变高频发生器的加热功率,从而达到理想的高频加热效果。其中,板坯含水率不同,与之匹配的最佳高频输出功率也不一样。

  2 高频热压中板坯内部环境检测

  由于高频加热的特殊性,高频电场中是不允许有金属元件存在的,否则会影响电场的分布及加热的均匀性,容易产生电火花,同时,高频电场也会对测量仪表产生感应作用,不仅使所测数据不准确,还有可能烧坏仪表。因此,在高频热压胶合工艺中,板坯温度的测量需采用特殊的方法。

  2.1 酒精温度计法

  酒精温度计法是在板坯胶层处钻孔,然后将酒精温度计的测温端插入孔内,启动高频加热后,进行板坯内部温度的测量。陆从进研究了松木LVL在 3种不同胶黏剂条件下,中心胶层温度与高频热压时间的关系,结果表明:温升速度随高频加热时间的增加而逐渐减小,当到达一定时间后又开始上升;此外,于大伟也采用酒精温度计法,对木质复合材高频加热胶合过程中的温度进行了测量,并得到了其温升曲线图,通过设定不同的高频热压时间和压力参数值,可以用于指导控制木质复合材高频热压胶合的生产工艺。

  酒精温度计不受电磁场的影响,测量数据准确可靠,但响应较慢且容易碎,只能用于观测,而不能用于温度的自动监测和控制,因此,不太适合高频热压板坯温度的测量。

  2.2 热电偶法

  热电偶法是在板坯装机时将热电偶放入板坯胶层中,当启动高频加热时,采取接地、屏蔽及断开测温线路等措施,一旦关闭高频后,就立即接通测温线路进行测温。吴智慧采用热电偶辅助于屏蔽的方法对高频弯曲胶合木的中心胶层进行了3点测温,结果表明,高频热压弯曲胶合板坯中心胶层的温度,并不是随高频加热时间的延长而成直线上升的,它随高频加热时间的变化规律近似多项式回归曲线,一般在 85℃之前,温度上升迅速;90~95℃以后,温度上升缓慢,直至加热结束至工艺所要求的温度。此外,陈勇平等也采用热电偶辅助于屏蔽的方法测量杨木LVL板坯内各点温度。结果表明:高频热压胶合中板坯内温度随时间变化曲线可用乘幂函数表示。高频加热时,热电偶会受到高频电磁场的影响,必须采取措施在限定的场或限定的部位使用,不能连续测量温度,而只能间断测温。因此,具有一定的局限性。

  2.3 荧光光纤测温法

  酒精温度计和热电偶由于其自身的局限性,都不太不适合于高频热压胶合板坯中的温度测量,而光纤温度传感器可以不受高频电磁场的影响,并且能自动、准确测定板坯内部温度。笔者对高频热压制备稻草碎料板进行了研究,采用荧光光纤温度测定仪来进行高频电场下板坯温度的在线测量及采集问题,并且取得了很好的效果,图1为碎料含水率 16%,密度250kg/m2,板厚 40mm的高频热压板坯厚度方向温度分布及其随时间变化规律由图可知,高频加热时板坯内部温度在厚度上存在差异,温度分布总体表现为芯层高表层低,板坯升温过程分为3个阶段:AB段为快速升温阶段,BC段为水分排出阶段,CD段为慢速升温阶段。

图1:高频介质加热板坯厚度方向温度分布及其随时间变化规律

  3 高频热压工艺

  多年来,人造板高频热压工艺的研究主要集中在热压对人造板热压周期、人造板端面密度梯度以及人造板物理力学性能的影响 3个方面。

  3.1 高频热压对人造板热压周期的影响

  常规接触式热压的板坯芯层温度上升是靠热压板逐渐传导的,加热缓慢,热压时间长。而高频热压是表、芯层同时加热,升温过程无需传导,热压时间短。云南省林产工业设计研究室了高频热压压制19mm厚的刨花板和纤维板的试验,研究发现,高频加热 1min左右,板坯芯层温度即可上升到100℃以上,而常规热压板坯芯层温度上升到 100℃则需要 7min左右,且高频热压周期仅为常规热压的1/5~1/3。由此可见,高频加热的传热效率很高。因此,人造板高频热压周期与常规热压相比,可以显著缩短。藤井毅等用高频与热压并用的方法制造针叶材单板层积材,研究发现,加工45mm的单板层积材,板坯高频热压 9min即可达到符合要求的胶合性能,而常规热压则需要 45min才能达到同等的胶合性能。此外,Pungs等采用高频-接触式联合加热制备轻质厚型刨花板,热压周期由单独使用常规接触式热压所需的26min缩短至了 3min,热压效率约提高了 9倍。

  3.2 高频热压对人造板端面密度梯度的影响

  常规热压板的板坯表面直接与热压板接触,板坯表层快速受热升温,使得表层胶黏剂提前固化,而芯层因受热不足,仍保持足够弹性,从而产生压缩阻力,使压缩量减小而密度降低。由于常规热压板中,离中心距离不等的各层,受热情况不同,压缩量不同,因而出现了较明显的密度梯度。而高频热压是利用外加高频电场以极高的频率变化,瞬间产生巨大热量,在板坯的整个厚度方向同时加热,温差较小,胶黏剂的固化时间相对一致,因而,端面密度梯度并不明显。Stevens等分别采用高频热压和常规热压研究了中密度纤维板的端面密度梯度,发现常规热压板的端面密度分布不均匀,密度梯度较大,其中,板坯表层的密度最大,向着芯层方向密度逐渐降低;高频热压板的端面密度分布较均匀,密度梯度明显小于常规热压板,这主要是因为两种热压方式的传热机理不同所致。陈勇平等研究高频热压桦木重组材端面密度梯度时也发现,高频热压板坯的中心层密度比常规热压板高,这是由于常规热压板坯中心部位的温度较低,压缩率小的缘故。另外,Stevens还发现,目标密度是影响高频热压速度最显著的因子,密度越大,所需高频热压时间长。这主要是因为目标密度越大,板材中孔隙越少,水蒸气的排出阻力大,水分汽化时间长,从而延长了整个高频加热的时间。

  3.3 高频热压对人造板物理力学性能的影响

  采用高频热压压制人造板时,板坯内外温度同时上升,无热量传导过程,也不存在板坯表、芯层的温度差异,使得板坯表、芯层的胶黏剂在预定的热压时间内同时固化,这样既能避免表层的过度固化,又能克服芯层的不完全固化等缺陷,从而减小了成品的内部应力,使成品的稳定性提高,大幅提高了产品的胶合质量。Stevens等分别采用高频热压和常规热压研究了中密度纤维板的物理力学性能。研究发现,与常规热压板相比,高频热压板的内结合强度有明显提高;同时,静曲强度和弹性模量也与常规热压板差不多,当目标密度较大时,甚至还优于常规热压板。Zhou(周晓燕)等在研究棉秆无胶纤维板高频热压工艺时发现,无胶高频热压板的内结合强度、静曲强度和弹性模量与纤维含水率及高频热压时间有关。内结合强度、静曲强度和弹性模量均随着纤维含水率、高频热压时间的增加而增加。此外,Mathiasson等和Stevens等分别在研究无胶刨花板、中密度纤维板高频热压工艺时均发现,内结合强度、静曲强度和弹性模量都随着板材密度的增加而增加。尺寸稳定性是衡量人造板性能的重要指标之一。Stevens、Lehmann等研究高频热压中密度纤维板的尺寸稳定性时,均发现高频热压与常规热压两种板的尺寸稳定性并无明显差异,但前者的学性能优于后者,且高频热压板的线性膨胀率随着板坯密度的增加而增大,但板坯密度对吸水厚度膨胀率的影响并不明显。井上雅文等开发了高频加热制造层积压缩木的连续生产设备,试验研究发现,板材吸水后回复率随板坯厚度的增大而减小,尺寸稳定性呈增大趋势。

  4 问题与建议

  国内外学者对人造板高频热压技术进行了大量研究,结果发现,与常规热压相比,高频热压可以显著缩短人造板热压周期,减小人造板端面密度梯度,改善人造板的物理力学性能。因此,在人造板行业推广应用高频热压技术,可以提高企业在市场的竞争力。但是,高频加热在我国的应用还不是很成熟,仍然存在一些问题。

  (1)高频电磁辐射较强。高频辐射主要是由于输入功率和输出功率不匹配造成的,能量差以辐射的形式散发出去,危害人体健康,或干扰测量仪表的使用。对于此类问题,笔者在前期实验的基础上,提出以下建议:①对板坯和极板的尺寸进行控制。同一板材厚度情况下,板坯的尺寸应尽可能接近极板的尺寸,极板的尺寸应尽可能接近压机的幅面尺寸,这样辐射最小。②荷载的匹配。高频发生器与工作电容器之间的荷载匹配是否良好直接关系到高频加热状态的稳定性。屏极电流与栅极电流比表示荷载匹配状况,比值过大说明荷载过重,比值太小说明荷载太轻,两者都可能会使高频设备处于不稳定状态,引起寄生震荡,出现高频辐射大、加热速度慢及板坯局部烧焦等现象,一般电子管的屏极电流与栅极电流之比为5左右时,匹配良好。③完善高频设备结构设计。震荡槽路部分采用铝箱或铜箱密闭,设备外壳良好接地,高频与负载的联接铜带尽量短。

  (2)板坯表层的质量问题。高频热压胶合时,由于压板板面温度低,板坯表面与低温热压板相接触影响了板坯温度的升高,使得板坯表面的温度低于胶黏剂固化所需温度,同时,加热时板坯内产生的热量会移向压板表面,水蒸气凝结于温度较低的压板表面,使得板坯表层又湿又软,从而影响板面质量和板材的静曲强度,且板坯表面也容易出现斑点。笔者建议:①在板坯上下表层添加一层或几层未涂胶的隔离层单板,成型后撕去或刨去即可。②使用高频-接触式联合热压,高频热压能使板坯芯层温度迅速升高,接触式热压又能使板坯表层具有较高的温度,二者互相弥补,内外温度一致,水分分布均匀,胶黏剂在预定时间内充分固化,可使热压时间大大缩短,在较短的时间内压制出高质量的板子。

  (3)板坯芯层加热过快问题。高频加热速度快,且各处加热较均匀,但芯层热量难以散失,可能会引起板坯芯层温度上升过快,使介质材料发生热降解,降低产品的性能。建议采用间歇式加热解决此类问题,即加热几分钟后,停1~2min后再继续加热。

  (4)容易产生电火花。在人造板高频热压过程中,如果原材料含水率偏高,就会形成大量水汽,极板间的介电常数变大,高压交流电就会将水蒸气击穿,产生电火花。因此,在生产过程中必须严格控制板坯的含水率。

  (5)高频热压参数的调节问题。目前,国内大多数人造板高频热压设备的荷载匹配及电流调节全靠手动,操作技术与经验要求较高,不易精确控制。因此,加强高频热压设备的自动化控制与信息化程度显得尤为重要。随着人造板产业规模的不断壮大,高频热压技术因其具有加热速度快、加热均匀等优点,有着非常广阔的运用前景。纵观高频热压胶合中所存在的问题,今后,可以从以下几个方面进行研究工作:一,充分利用现代化热传导技术和计算机控制技术,不断完善高频热压设备,推进人造板高频热压技术工业化进程;二,深入研究人造板高频热压成型机理,为不断优化高频热压工艺奠定理论基础;三,推广人造板高频-接触式联合热压,在确保生产效率的同时,有效的提高板材的质量。有理由相信,通过人造板科研工作者的不断努力,我国的人造板高频热压技术将会逐渐走向成熟。


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