我国木质重组材料研究现状与发展

木质重组材料是一种新型的高性能木质复合材料,在定向重组过程中,木、竹材在湿-热-力和树脂聚合反应作用下发生了一系列复杂的物理和化学变化,木、竹材原有构造特征发生了显著变化,形成了木质重组材料全新的多维构造,这种新构造特征的形成使得重组材料的物理力学性能与木材、竹材等原材料性能相比有了显著改善,并且重组过程中可通过添加不同添加剂赋予木质重组材料阻燃、防腐、防霉、耐候、防虫等新功能,克服了人工速生林木材材质软、强度低、材质不均、易开裂等缺陷,解决了竹材径级小、易劈裂、材质不均等问题,可用于替代优质木材、钢铁、水泥、塑料等建筑材料,具有广泛的应用前景,是实现人工林木材和竹材高效利用的有效途径之一。本文对木、竹材在重组过程中宏观、微观等构造演变,木质重组材料多尺度构造、多层次胶合界面等多维结构形成机制以及多维结构对木质重组材料物理力学性能影响进行了综合评述,提出了木质重组材料细胞选择性增强的观点,归纳了木质重组材料亟待解决的科学问题,建议加强在细胞和分子水平层面,对木质重组材料的理论基础、制造基础和应用基础等进行研究,构建木质重组材料理论体系,从而为人工速生林木材资源高效利用这一国家重大战略需求提供基础理论和技术支撑。

压缩率对杨木重组木表面硬度的影响

【目的】以速生人工林杨木为试验材料,利用定向重组技术制备高硬度重组木,揭示压缩率对杨木重组木表面硬度的影响规律,为杨木表面改性及其重组木制备工艺优化提供可靠的方法和科学依据。【方法】利用定向重组技术制备压缩率50%、55%和59%共3种杨木重组木,选取杨木、红榉和俄罗斯柞木为对照样,采用万能力学试验机测定3种木材和3种不同压缩率杨木重组木样品表面的金氏硬度;应用超景深三维显微镜(UDTM)、场发射扫描电镜(SEM)观察样品表面的宏观和微观形貌以及样品金氏硬度测试过程中破坏面的宏观和微观形貌;运用压汞法(MIP)测试样品孔隙率;使用激光共聚焦显微镜(LSCM)和透射电子显微镜(TEM)表征酚醛树脂在重组木中的分布情况。【结果】杨木重组木的金氏硬度随压缩率增大而增大,与杨木相比,压缩率59%杨木重组木的金氏硬度增加12.63倍,其硬度高于俄罗斯柞木和红榉。金氏硬度测试过程中的应力-应变曲线显示,压缩率越大,重组木的比例极限应力越大。场发射扫描电镜(SEM)和超景深三维显微镜(UDTM)观察可知,杨木原木的破坏面呈韧性断裂,制备的重组木随压缩率增大其破坏模式逐渐变为脆性断裂。压汞法(MIP)测试样品孔隙率可知,定向重组可显著降低杨木的孔隙率,压缩率越大,重组木的孔隙率越低。激光共聚焦显微镜(LSCM)和透射电子显微镜(TEM)观察可知,随压缩率增大,酚醛树脂沿胶层带分布的宽度和深度逐渐增加,且渗透到导管、木射线和纤维细胞的细胞腔中。通过纳米压痕测试重组木细胞壁力学性能,当重组木压缩率为55%、施胶量为15%时,其细胞壁硬度和弹性模量相较原木分别提高54.65%和20.14%。重组木表面硬度增大主要是因为杨木经定向重组后,其导管和木纤维细胞被压缩密实,孔隙率降低,单位体积内的细胞实质密度增加,细胞之间的结合面积增大,连接更紧密;同时,引入的酚醛树脂不仅将压缩的细胞结构固定,而且通过形成的胶钉可提高细胞之间的连接强度,浸入细胞壁的酚醛树脂还能够增强其硬度和弹性模量,从而赋予重组木表面较高的硬度。【结论】定向重组技术可有效解决速生人工林杨木木材材质软、表面硬度低的问题,且可通过控制压缩率调控重组木硬度,以满足不同应用场景对材料硬度的需求。

施胶方式和单板厚度对重组木物理力学性能的影响

采用不同树种的不同厚度单板制备重组木,考察了单板施胶方式、厚度和树种对重组木耐水性能与抗弯性能的影响。结果表明:在0.7~2.2 mm范围内,树种和单板厚度相同时,采用单板表面喷胶制备重组木的吸水厚度膨胀率低于单板浸胶制备的重组木,静曲强度高于后者。树种相同时,单板越厚制备的重组木耐水性能越差。单板厚度和树种对重组木的静曲强度影响较大。单板厚度相同时,桉木重组木的耐水性能和弹性模量高于杨木重组木,但静曲强度低于后者。本研究可为薄单板制备重组木原料和施胶工艺的选择提供重要参考依据。

压缩率和施胶量对毛白杨重组木干状和湿状表面粗糙度的影响

表面粗糙度是评价木质材料表面质量和加工性能的重要指标之一。以毛白杨(Populus tomentosa)单板和酚醛树脂为原料,采用单因素试验制备重组木,探讨压缩率(50%、55%、59%)和施胶量(10%、15%、20%)对重组木干状和湿状表面粗糙度的影响。结果表明,压缩率对干状和湿状表面粗糙度影响显著,且对干状表面粗糙度的影响大于湿状;随着压缩率的增大,重组木的干状表面粗糙度逐渐降低,湿状表面粗糙度逐渐增大;施胶量对干状和湿状表面粗糙度影响显著,且对湿状表面粗糙度的影响大于干状;随着施胶量的增加,重组木干状和湿状表面粗糙度均逐渐降低。与毛白杨单板相比,在压缩率为59%和施胶量为15%时,重组木干状粗糙度参数Ra和Rz分别降低了79.64%和73.07%,湿状粗糙度参数Ra和Rz分别降低了62.85%和50.00%。在实际生产过程中,可通过控制压缩率和施胶量调控重组木干状和湿状表面粗糙度,以满足不同应用场景对重组木材料表面粗糙度的需求。

基于微创预处理的重组木防霉防腐性能

【目的】研究不同预处理工艺对重组木防霉和防腐性能的影响,旨在寻求最优处理方法以提升重组木在户外多变环境中的使用性能。【方法】采用传统的水煮法、微波法和创新性提出的微创法对重组木进行预处理,利用有机碘化物3-碘代-2丙炔基甲氨酸丁酯(IPBC)对其进行浸渍并采用异氰酸酯胶黏剂(MDI)饰面。通过防霉、防腐试验分析3种处理工艺重组木的防治效力,通过孔隙率、力学性能和尺寸稳定性研究3种处理工艺对重组木质量的影响。【结果】(1)通过微创预处理工艺,重组木的总孔隙率增加了64.1%,载药量提高了88.0%。(2)防霉试验结果显示重组木对照样对黑曲霉和可可球二孢菌的感染等级均为4级,而经过微创预处理/IPBC浸渍工艺的重组木对两种菌的感染等级均为0级,此外通过MDI饰面的重组木抗流失性提高了63.0%。(3)防腐试验结果显示重组木对照样对白腐菌和褐腐菌仅为Ⅱ耐腐等级,而经过微创预处理/IPBC浸渍工艺的重组木对白腐菌和褐腐菌均为Ⅰ耐腐等级。(4)力学和尺寸稳定性试验的结果表明:经过微创预处理/IPBC浸渍工艺的重组木有效保证了优异的力学性能和尺寸稳定性;相比重组木对照样,其抗弯强度和水平剪切强度相比对照样分别提高了14.9%和17.4%,其吸水宽度膨胀率和吸水厚度膨胀率分别降低了25.0%和49.2%。【结论】采用微创预处理/IPBC浸渍工艺制备的重组木对霉菌、变色菌和腐朽菌都具有优异的防治效力,同时提升了力学性能和尺寸稳定性。此外,该微创工艺绿色简单,可有效解决重组木户外应用难题。

木竹重组材抗弯性能的研究

根据混杂复合材料理论 ,将重组木的构成单元———木束与重组竹的构成单元———竹束 ,采用混杂方法复合 ,并对 3种不同的混杂形态和不同混杂比进行了木竹重组材的结构设计及抗弯力学性能的研究。结果表明 ,与重组木相比 ,木竹重组材的比模量略有提高 ,比强度提高较大 ;3种混杂形态中 ,以竹束为表面的夹芯结构的比模量及比强度最高 ,均匀混杂的木竹重组材的抗弯性能最低 ;木竹重组材的抗弯性能均随竹束用量的增大而有不同程度地增大。重组竹的比模量和比强度分别比重组木高出 5 0 %和 12 0 %。

重组竹的耐冲击性能

探索竹/木复合材料在极端环境中(飓风、雹暴等)对冲击载荷的适应性,并在此基础上进行合理的结构设计。利用Instron 9250HV落锤冲击试验机对毛竹重组竹和竹木复合重组材进行了低速冲击试验,研究了密度和组坯形式对冲击性能和损伤模式的影响,并分析了组坯结构与吸能机制的关系。结果表明:高密度重组竹的耐冲击性能较好,纵横组坯的竹木复合重组材冲击性能优于同密度的重组竹。冲击损伤使重组竹沿纤维方向纵向开裂,导致材料整体失效;而竹木复合重组材的横纵结构抑制了裂纹的扩展,使缺陷仅发生在冲击点附近;落锤出射面表现为层状开裂,具有分层吸能的能量吸收机制。相同密度的竹木复合重组材可以更好地抵抗冲击破坏。

重组木与重组竹抗弯性能的比较

以杨木和毛竹为原料,制造了重组木和重组竹。对重组木和重组竹的抗弯弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)进行测试和分析。结果表明:密度在0.7g/cm3以上时,重组竹的抗弯弹性模量比重组木的性能好,弹性模量与密度呈线性相关;重组竹和重组木的静曲强度与密度间呈二次相关,重组竹密度在0.8g/cm3以下时,其静曲强度比重组木略低,密度在0.8g/cm3以上时,重组竹的静曲强度比重组竹的略高。将重组竹在低密度下的高弹性模量与杨木相对较高的静曲强度相结合,制造的木竹重组材可以制造出轻质高强的新型结构材料。

静压作用下重组木坯料形成的力学机理和试验验证

在横观各向同性假设条件下．借用弹性力学的半无限平面体边界上受力作用和圆柱体均布载荷作用的结论，导出静压作用下重组木坯料形成的受力关系式，并用试验验证了这些结论。应用这些理论，可以精确计算重组本木束形成达到临界状态时的最大应力，并可建立其强度准则。结论还可以用于重组木坯料加工设备的参数确定和丰富木材学的基础理论。

中等密度木材制备高性能重组木的适应性

以中等密度木材刺槐和桉树为原料,利用纤维可控分离技术,将6~7厚单板制备成纤维化木单板,经过浸胶、干燥、热压,制备重组木,探讨中等密度木材制备重组木的工艺特点和产品性能。结果表明,2种木材均适合制备高密度重组木;当密度为1.10 g/cm^3时,2种木材重组木的力学性能是其木材的1.5~2.0倍,MOR、MOE和HSS均高于GB/T 20241-2006《单板层积材》最高指标值要求,且刺槐重组木的力学性能与耐水性能更优。

速生轻质木材制备高性能重组木的适应性研究

以低密度泡桐、杨树和柳树三种速生轻质木材为原料,利用纤维可控分离技术,将6~7 mm厚单板制备成纤维化单板,经过浸胶、干燥、热压制备重组木,探讨三种木材制备重组木的工艺特点和产品性能。结果表明,三种木材均适合用于制备高性能重组木;在重组木与木材密度之比约2.5时,泡桐重组木的吸水厚度膨胀率最低,杨木重组木的抗弯性能最好,柳木重组木的水平剪切强度最高。

我国木、竹重组材产业发展的现状与前景

木、竹重组加工,是速生林木材和竹材未来最具发展前景的高效利用途径之一。通过回顾我国木、竹重组材产业的发展现状,对当前产业发展过程中存在的主要技术、工艺、设备和标准化体系建设等问题,进行了分析归纳,对我国木、竹重组材产业未来的发展提出建议。

疏解单板厚度对杨木重组木性能的影响

以杨木为原料制备高性能重组木,重点探讨疏解单板厚度对重组木性能的影响。结果表明:随着疏解单板厚度的增加,重组木的抗弯性能和抗剪性能下降,但抗弯强度整体差别不明显;吸水厚度膨胀率先下降后略有上升,吸水宽度膨胀率和吸水率呈逐渐下降的趋势,其中6 mm厚疏解单板压制的重组木的耐水性能性能较优。不同厚度疏解单板压制的重组木纹理略显不同,均呈现出较强的实木感。

新型纤维化单板重组木的主要制备工艺与关键设备

总结传统重组木的产业化发展历程和技术难题,提出先制备单板、再疏解纤维化单板、后重组的技术方案,介绍冷压热固化法和热压法制备新型纤维化单板重组木的主要工艺和关键设备。新型纤维化单板重组木突破了传统重组木采用原木直接碾压疏解制备木束的思路,解决了重组木产业化的技术瓶颈,为其产业化提供了一套可行的技术方案。

小径木重组材与家具设计的关联性研究

小径木重组材是一种先进生物质材料,在家具、地板制造和室内外用材等方面具有较好的应用前景。为了研究小径木重组材与家具设计之间的关联性,探明小径木重组材应用于家具设计的具体适应性,文章综合运用比较分析法、功能分析法、调查法等科学研究方法,在概述小径木重组材的制造工艺和应用范围的基础上,从家具设计的形式设计、功能设计、情感设计和绿色设计4个方面,结合小径木重组材的材料特性和家具设计过程中对于材料的表现要求,对比了小径木重组材在软硬、轻重、冷暖等感觉性能及肌理、色彩、光泽等表面性能与天然木材的异同,分析了小径木重组材的机械加工性能和功能改性对于家具功能的增益,描述了小径木重组材培养型和寓物型情感特征的由来,调查了小径木重组材在产品生命周期评价体系中与定向刨花板、中密度纤维板相比能源消耗的增减。最终验证了小径木重组材应用于家具设计与制造的合理性和优胜性,侧面反映了家具制造对于小径木重组材制材的改性要求,为利用小径木重组材进行家具设计提出了参考要素,为拓宽木质家具用材渠道同时实现小径木重组材高值化利用的双赢问题提供了理论依据。

木质地板结构与密度分布特征的CT技术检测

利用CT技术无损检测实木地板、杨木重组木地板以及毛竹重组竹地板的内部结构,并分析了三者的密度变异特征。结果表明:密度变异重组木地板>重组竹地板>实木地板;杨木重组木地板从表面到背面的剖面密度分布(VDP)呈现小幅下降后大幅上升的趋势,而实木地板与毛竹重组竹地板VDP无明显变化规律。CT技术能用于地板结构与密度的检测与分析,并将在木质地板质量无损检测以及重组材地板工艺优化研究中产生积极影响。

重组木坯料在腰鼓形压辊辗压中应力的级数解初探

在横观各向同性的假设条件下。借用弹性力学的复变函数解法，建立了重组木坯料在腰鼓形压辊均栽辗压下圆截面局部受压力学模型。导出的截面内应力分布的级数形式解，可用于计算圆截面木材在横向加载时沿纵向开裂的应力，为重组木坯料加工设备设计提供设计参数。

预处理对竹束及竹木重组材性能影响

采用接触角/界面张力测定仪、电子顺磁共振波谱(ESR)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析了炭化、微波处理后竹束的物理化学性能,利用经过不同预处理的竹束制备了竹木重组材,研究了预处理对竹木重组材物理力学性能的影响。结果表明,炭化处理后竹束表面接触角变大,微波处理后竹束表面接触角变小;炭化处理后竹束表面的自由基浓度降低,微波处理后的竹束表面自由基浓度增大;炭化、微波处理均能使竹束表面纤维素结晶度增大,但炭化处理结晶度增幅较大;炭化处理后竹束表面亲水性羟基减少,而微波处理后竹束亲水性羟基增加;预处理竹木重组材的MOR值较未处理材降低,MOE值变化幅度很小,炭化处理竹木重组材IB和TS值较未处理材下降,而微波处理竹木重组材IB和TS值上升。

木束形态对沙柳材重组木性能的影响

以沙柳材为原料,在沙柳材重组木制造关键参数正交试验的基础上,探讨了沙柳(Salix m ongolica)材重组木木束形态对产品物理力学性能的影响,以及实验室条件下制造沙柳材重组木的较佳木束形态。

户外用重组木加速老化耐久性能的评价

采用杨木和落叶松疏解单板制备重组木,参照我国三循环水煮标准和美国六循环试验方法标准加速老化处理,并测定其力学性能和尺寸稳定性。结果表明:两种老化处理后重组木的力学性能和尺寸稳定性均下降,但抗弯性能仍能满足GB/T20241-2006《单板层积材》中结构用材的要求,尺寸稳定性满足GB/T30364-2013《重组竹地板》中室外地板的要求;三循环水煮试验条件较六循环试验条件更严酷,适用于对使用性能要求更高的重组木的性能评价。