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《林产工业》杂志2017年第7期—翻页版预览

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《林产工业》杂志2017年第7期

描述:荷风送香气,竹露滴清响,不怕南风热,能迎小暑开。《林产工业》杂志第七期在此盛夏中如期出刊。本期,小编将为您推介以下内容,各位读者朋友在收到杂志前可一睹为快。

关键字: 刨花板产业供给侧结构性改革,木结构建筑隔声技术,湿热-压缩处理木材,松木木材脱油固脂

目   次

综述 综述 综述

LINCHAN GONGYE 我国刨花板产业供给侧结构性改革加快推进 胡广斌  3
木结构建筑隔声技术研究进展 刘芯彤  席  飞  杨晓林等  6
(月刊 1964年创刊)
研究与分析
全国中文核心期刊 双效期刊
湿热-压缩处理木材的纤维素晶体结构变化
第44卷第7期(总第263期) 尹江苹  郭  娟  赵广杰等 10

主管  国家林业局 加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估
主办 国家林业局林产工业规划设计院 王韵璐  曹  瑜  王  正等 15
  中 国 林 产 工 业 协 会
协办 中 国 林 业 机 械 协 会 竹丝装饰材的湿缓冲特性研究 李  晖  刘  嵘  陈美玲等 21
编辑出版 《林产工业》编辑部 响应面优化生物质玉米秸秆催化液化工艺研究
主   编  田健夫
执行编辑 张国萍  余  珊  陈  悦 李学琴  雷廷宙  李翔宇等 26
编  辑 张国萍  李永康  余  珊  PVC直线封边工序影响因素的研究
陈  悦 张  骥(兼)
广告总监 李永康 熊先青  郭伟娟  钱文婷等 31
广告主管 王  滔 一种基于单片机控制的自动伸缩桌设计原理
新运营媒总体监 王  滔 
主编电话 (010)85128040 刘  杏  陈  威  戴金耀等 35
编 辑 部 (010)85128107 85128120 竹柳颗粒燃料燃烧性能实验研究
广 告 部  (010)85128131 13810497405
传 真 (010)85128070 刘沙沙  张  健  马  楠等 40
主编信箱 xfr@cfpi.cn 生产与应用
在线投稿 www.cfpi.cn
广告信箱 cfpiad@126.com 松木木材脱油固脂的研究及应用
国外总发行 中国出版对外贸易总公司 高中海  吴子良  王文涛等 44
      (DK11048)
国内总发行 北京市邮局 家具生产中电脑裁板锯作业的工时分析
订   购 全国各地邮局 赵  斌  陶  涛  刘子欢等 48
邮 发 代 号 2 - 141
国际标准连续出版物号 ISSN1001-5299 利用单板明度值确定拼花制品中的单板种类
国内统一连续出版物号 CN 11 - 1874/S 乐  磊  丁子峰  王举伟等 52
本刊通信地址 北京朝内大街130号
邮政编码  100010 规划与设计
印  刷  北京科信印刷有限公司
广告许可证 京东工商广字第0088号 广场地下车库的结构设计分析 杨玉梅 55
出版日期  2017年7月6日 多层砌体住宅建筑抗震实例分析 李  佳 59
国内售价  本期16.00元
中国林产工业协会动态 63
【郑重声明】 本刊文章已被多家期刊数据库收录。作者文章
著作权使用费(含光盘版、网络版、电子版稿酬)在本刊结算稿 广告目录
酬时已一次性税后支付,随之文章版权归本刊所有,不再产生
任何费用。如作者不同意文章被收录或上述条款,务必在来稿 封面 上海人造板机器厂有限公司 广11 桂林华德机械设备有限公司
时向本刊声明。未声明者,本刊均将认为已获得作者许可。 封二 敦化市亚联机械制造有限公司 广12 杭州太克干燥设备有限公司
封三 大连保税区荣昌消防设备工程 广13 烟台瓦鲁机器人自动化有限公司
有限公司 广14 中国园林工程公司
封底 苏州苏福马机械有限公司 广15 第18届成都国际家具工业展览会
扉页 辛北尔康普 目录对页 苏州市华翔木业机械有限公司
广2 敦化市拜特科技有限公司 中央首插 江苏保龙机电制造有限公司
广3 临沂市新天力机械有限公司 广18 哈尔滨智博百达科技开发有限
广4 吉林辰龙生物质材料有限责任 公司
公司 广19 上海东和胶黏剂有限公司
广5 株洲新时代输送机械有限公司 广20 林产工业规划设计院工业一所
广6 常州益林机械有限公司 广21 2017中国国际林业机械展览会
广7 无锡市华盛成套机械设备有限 广22 2017中国家博会(上海)
公司 广23 中国(广东)国际家具机械及
广8 漳州捷龙自动化技术有限公司 材料展
广9 桂林正东机械制造有限公司 中央末插 《林产工业》杂志投稿系统
广10 江苏平陵机械有限公司 目录页 上海久星导热油股份有限公司

  MAIN CONTENTS
CHI NA F O  REST PRODUCTS
  Review
INDUSTRY
START PUBLICATION IN 1964 Accelerating Promotion of Supply-side Structural Reform of Particleboard

Monthly   Industry in China …………………………………HU Guang-bin 3
No. 7 Volume 44
  6 Jul., 2017 Research Progress of Wooden Structure Construction Sound Insulation
A CORE JOURNAL OF CHINA
  Technology………LIU Xin-tong XI Fei YANG Xiao-Lin et al. 6
Sponsor:
Planning & Design Institute of Forest Products   Research & Analysis
Industry, SFA
China National Forest Products Industry Association Cellulose Crystalline Structure Changes of the Wood Treated by
Supported by:
China National Forestry Machinery Association   Compression Combined with Steam
Chief Editor:
Tian Jianfu   ……………YIN Jiang-ping GUO Juan ZHAO Guang-jie et al. 10
E-mail: xfr@cfpi.cn
Foreign Circulation Prediction and Assessment of Canadian Hemlock CLT Bending
China National Publishing Industry Trading Corp.
(782 P. O. B Beijing)   Performance……WANG Yun -lu CAO Yu WANG Zheng et al. 15
Code DK 11048
ISSN 1001-5299 Research on the Moisture Buffering Properties of Decorative Bamboo
CN 11-1874/S
  Filament………………LI Hui LIU Rong CHEN Mei-ling et al. 21
Tel: (8610)85128040 85128107 85128120
Fax: (8610)85128070 Research on Biomass Corn Stalk of Catalytic Liquefaction Process by
Web: www.cfpi.cn
Add: China Forest Products Industry   Response Surface Methodology
130 Chaonei Street, Beijing, China
Publishing: 6 Jul., 2017   …………………LI Xue-qin LEI Ting-zhou LI Xiang-yu et al. 26
Price: 16.00 $
Research of the Influence Factors on PVC Straight-line Edge Banding

  Process

  ……Xiong Xian-qing GUO Wei-juan QIAN Wen-ting et al. 31

Design Principle of Automatic Telescopic Table Based on Single Chip

  Control………………LIU Xing CHEN Wei DAI Jin-yao et al. 35

Experimental Study on the Combustion Performance of Bamboo-willow

  Pellet Fuel…………LIU Sha-sha ZHANG Jian MA Nan et al. 40

  Production & Application

Study and Application of Pine Board Turpentine Degreasing and

  Abietyl Immobilizing

  …………GAO Zhong-hai WU Zi-liang WANG Wen-tao et al. 44

Work Time Analysis for Computer Panel Saw Operation in Furniture

  Production ……………ZHAO Bin TAO Tao LIU Zi-huan et al. 48

Veneer Species of Mosaic Products Determined Through Veneer

  Lightness Value ……LE Lei DING Zi-feng WANG Ju-wei et al. 52

  Planning & Design 55

  CNFPIA Dynamic State 63

综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

我国刨花板产业供给侧结构性改革加快推进

胡广斌

摘要:  截至2016 年底,全国近320 家刨花板生产企业保有刨花板生产线337 条,合计生产能力2 081 万m3/a,预计2017 年
底全国刨花板总生产能力将突破2 700 万m3/a。我国刨花板生产能力稳步增长,产品质量不断提高,落后产能淘汰加速,
装备水平不断提高,产业供给侧结构性改革加快推进。
关键词:  刨花板;产量;生产能力;装备;生产企业;产品质量;供给侧结构性改革
中图分类号:TS653.5    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0003-03
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707001

Accelerating Promotion of Supply-side Structural Reform of Particleboard Industry in China

HU Guang-bin
(Planning and Design Institute of Forest Products Industry, Beijing  100010, China)

Abstract:  Until the end of 2016, there are 337 particleboard production lines in about 320 particleboard
manufacturing enterprises in China, which is with a total production capacity of 20.81 million m3/a. And it is
predicted that at the end of 2017, the national total particleboard production capacity will exceed 27 million m3/a.
The production capacity of particleboard in China goes steadily up, the particleboard quality improves constantly,
the pace of close down outdated production facilities is sped up, and the equipment situation of particleboard
industry has been continuously updated. The supply-side structural reform of particleboard industry in China is
accelerating to promote.
Key words:  Particleboard; Production output; Production capacity; Equipment; Production enterprise; Product
quality; Supply-side structural reform

1  我国刨花板产量 图1 2006—2016 年我国刨花板产量
随着定制家居产业的迅猛发展,刨花板在定制家 Fig.1 Particleboard production output in China

居产品的应用逐步推广,我国刨花板需求量呈现快速 of 2006—2016
增长趋势。2016 年,我国刨花板产量2 650 万m3[1-2],同
比增长30 .5 %,产量创出历史新高,占全国人造板产量 这一轮刨花板投资建设热潮具有建设规模大、投资强
的比例从2015 年的7.1%提高到8.8%,产值约350 亿元, 度高、产品品种丰富的特点,新建刨花板生产线数量和
连续三年稳定在2 000 万m3 以上。详见图1。 生产能力创历史新高。

2  我国刨花板生产能力发展情况 2016 年度,全国建成投产6 条刨花板生产线,新增
2016 年度,我国刨花板产业呈现井喷式集中投资 生产能力71 .5 万m3 /a,其中连续平压生产线2 条,合计

热潮,各路资金纷纷涌入刨花板生产领域,全国新开工 -3-
建设刨花板生产线45 条,合计生产能力超过860 万m3/a。

胡广斌,高级工程师 ,国家林业局林产工业规划设计院,
E-mail:554861928@qq.com
收稿日期:2017-05-11

我国刨花板产业供给侧结构性改革加快推进——胡广斌

综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

生产能力30.0 万m3/a,占全国新增生产能力的42%。 逐步扩大,大规格削片机与刨片机、单通道或三通道刨
截至2016 年底,全国近320 家刨花板生产企业保有 花干燥机、分级式铺装机、连续平压机、宽幅砂光机、裁
板中心、热能中心以及以工业计算机与可编程序逻辑
刨花板生产线337 条,合计生产能力2 081 万m3/a,分布在 控制构成的自动控制系统等装备先后进入市场,带动
24 个省市区,总生产能力在2015 年底基础上增长5.4%。 刨花板产业升级更新。连续平压生产线替代多层或单
层压机生产线成为未来几年技术升级的主要趋势。国
2017 年初,全国在建刨花板生产线43 条,合计生 产大产量拌胶设备的生产技术逐步成熟,开始在刨花
产能力为848 万m3 /a,其中连续平压生产线31 条,合计 板生产线中得到应用。大产能、连续平压刨花板生产
生产能力697 万m3 /a,占在建刨花板生产能力的82 %; 线投资门槛大幅降低,企业更新装备意愿明显。
山东省在建刨花板生产线9 条,合计新增生产能力147
万m3 /a,投产后有望超越广东省成为我国刨花板生产 截至2016 年底全国保有25 条连续平压刨花板生
能力第一大省;河北省在建刨花板生产线5 条,合计新 产线,合计生产能力达到550 万m3 /a,占全国刨花板总
增生产能力93 万m3 /a;江苏省在建刨花板生产线4 条, 生产能力的26.4%,分布在全国13 个省市区,其中广东
合计新增生产能力125 万m3/a。 省保有5 条连续平压生产线,合计生产能力达到124 万m3 /a,
占全省刨花板总生产能力的36.4%;广西区保有4 条连
在建刨花板生产线将陆续在2017 年至2018 年期 续平压生产线,合计生产能力达到94 万m3 /a,占全区
间投入运行,预计2017 年底全国刨花板总生产能力将 刨花板总生产能力的58 .8 %。我国连续压机单线平均
突破2 700 万m3/a。 生产能力22 .0 万m3 /a,是刨花板全部生产线单线平均
生产能力的3 .5 倍,一批装备水平高、市场信誉良好的
3  我国刨花板产业供给侧结构性改革加快推进 企业成为中国刨花板生产骨干企业。
近年来,我国刨花板产业供给侧结构性改革效果 3.4  产品质量不断提高,市场认可度逐步回升

明显,落后产能淘汰加速推进,产品质量显著提升,消 我国刨花板产品质量逐步提升,质量监督抽查或
费者认知度逐步提高,刨花板产业发展势头良好,产品 全国联动监督抽查年度产品合格率在57 %~95 %之间。
供销两旺[3]。 吸水厚度膨胀率、甲醛释放量仍是不合格的主要项。
3.1  落后产能淘汰加快,供给侧结构性改革成效明显
表1 2006—2015 年刨花板产品质量监督抽查
截至2016 年底,全国关闭、拆除或停产刨花板生 及联动监督抽检合格率
产线累计近960 条,淘汰落后生产能力约1 630 万m3/a。
一大批生产规模小、产品质量差、环保设施不完善、劳 Tab.1 Pass percent of particleboard products in quality
动条件恶劣的生产线被淘汰,产业供给侧结构性改革 supervisory inspectionandlinkagesupervisionandsampling
取得阶段性成效。
3 .2  平均单线生产能力持续增加,新建生产线产能规 inspection of 2006—2015
模效应明显
年度 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
我国刨花板生产线的平均单线生产能力不断提 合格率/% 62.0 57.0 66.0 — 60.4 72.0 81.6 79.2 94.2 —
高,2016 年达到6 .2 万m3 /a。近年来,新建生产线单
线平均生产能力不断提高,单线生产能力20 万m3 /a以 我国刨花板产业技术进步和装备升级促进了产品
上成为企业的常规配置。2017 年初,我国在建刨花板 质量不断提高,而定制家居产业的迅猛发展和人们消
生产线平均单线生产能力为19 .7 m3 /a,这其中连续平 费需求的升级对刨花板产品质量尤其是环保性能提出
压生产线平均单线生产能力为22 .5 m3 /a,与国际主流 了更高的要求。E2 级刨花板产品退出主流市场,E1 级
刨花板产业生产规模基本相当。单线平均生产规模的 产品成为我国刨花板产品的主流产品,部分骨干企业
提高在一定程度上说明我国刨花板行业装备水平也在 大规模生产游离甲醛释放量更低或无醛添加产品,产
不断提高。 品环保性能与国际领先标准进一步接轨。产品质量的
3.3  装备水平不断提高,连续平压装备渐成行业主流 提高满足了消费者对绿色生态产品的消费升级需求,
提升了消费者的市场满意度,刨花板的市场认可度逐
我国刨花板生产装备水平不断提高。在经过多年 步回升。
的装备引进后,我国制造连续平压刨花板生产线成套 3.5   行业集中度不断提高,龙头企业不断涌现
设备取得突破并进入国内外市场,在国内外市场份额
长期以来,我国刨花板行业产业集中度低,企业规
-4-
林产工业2017年第44卷第7期

综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

模普遍小。近年来,随着我国刨花板市场的快速发展, 的生产能力之和为376 万m3 /a,占全部生产能力总和
刨花板生产企业的投资力度也在不断加大,部分刨花 的18 %。以广西国旭林业发展集团股份有限公司、吉
板企业的规模也不断扩大,在行业内,知名度较高的企 林森工人造板集团有限责任公司、福人木业有限公司、
业不断涌现,情况逐步改观。2016 年,全国近320 家刨 宁丰集团为代表的一批大型刨花板企业的成长,在很
花板生产企业合计生产能力2 081 万m3 /a,平均每家企 大程度上促进了我国刨花板行业的产业集中,具有一
业的规模为6 .5 万m3 /a。行业内生产能力前十名企业 定的示范意义。详见表2。

表2 我国大型刨花板生产企业
Tab.2 Large-scale particleboard enterprises in China

序号 名称 生产规模/ 生产线 备注 序号 名称 生产规模/ 生产线 备注
(万 m3·a-1) 数量 (万 m3·a-1) 数量

1 广西国旭林业发展集团 73 3 11 华坊洲木业(集团)有限公司 25 2
股份有限公司

2 吉林森工人造板集团 47 4 12 贵州圆方林业有限公司 25 1 定向
有限责任公司
40 2 22 1
3 福人集团有限责任公司 34 3 13 广东惠州盛易木业有限公司 22 1 定向
4 商鼎木业集团 32 2 14 湖北宝源木业有限公司 22 1
5 山东鲁丽集团有限公司 15 衡水巴迈隆木业有限公司
30 1 21 1
6 鸿伟木业集团 16 安徽省六安市叶集丽人木业
30 1 有限公司 21 1
30 1 20 1
7 宁丰集团 17 广西华晟木业有限公司

8 广东瀚森环保材料科技 18 丰林亚创(惠州)木业有限公司
有限公司

9 康欣新材料科技股份 30 1 定向 19 万华生态板业股份有限公司 20 4
有限公司 18 1

10 广元升达林业产业 27 1 纤维板 20 云南新泽兴人造板有限公司
有限责任公司 线改造

随着2017 年和2018 年一批在建刨花板生产线陆 著的冲击,近期稳步提升的刨花板价格将接受明显的
续投产,我国大型刨花板生产企业规模将进一步扩大, 考验,市场竞争短期内将加剧,落后产能淘汰将持续进
行业集中度将进一步提高。 行,年产5 万m3 以下的刨花板生产线将持续淘汰。

4  我国刨花板发展趋势 参考文献
预计2017 年底全国刨花板总生产能力将突破
[1] 国家林业局发展规划与资金管理司.2016年全国林业经济发展统
2 700 万m3 /a,同比增长约30 %。随着我国刨花板生产
能力在未来两年内的集中释放,我国刨花板市场将迎 计公报[R].2017.
来供应量提升的一个小高峰,将对刨花板市场造成显
[2] 国家林业局. 中国林业统计年鉴[M]. 北京:中国林业出版社, 2016.

[3] 钱小瑜. 我国刨花板行业在结构调整中快速成长[J]. 林产工业,

2016, 43(5):6-7.

(责任编辑  余  珊)

·消息· 中国林业机械协会人造板机械产业发展座谈会在苏州召开

2017 年6 月16 日,中国林业机械协会在苏州苏福马机械 参会人员就人造板产业及协会发展事宜展开研讨,李军教
有限公司召开人造板机械产业发展座谈会,协会副会长苏州苏 授作了《工业4.0 与中国制造2025 先进制造模式》专题讲座,协
福马公司董事长黄钢、青岛千川木业设备公司董事长王维辰、 会众位副会长重点就加快科技创新、引进先进制造理念、强化
迪芬巴赫上海板机厂总经理叶柏东、镇江中福马公司董事长邹 企业管理和规范行业发展等议题展开了深入交流和讨论。
利刚、山东百圣源集团董事长许伟才等企业负责人,以及协会
木工机械分会秘书长齐英杰、国家木工机械质检中心常务副主 与会人士还参观考察了苏州苏福马公司生产制造现场,走
任颜良、南京林业大学李军教授等专家、学者出席了会议。协 访了江苏部分人造板机械企业。
会秘书长韦剑主持会议。
(中国林业机械协会 供稿)
我国刨花板产业供给侧结构性改革加快推进——胡广斌
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综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

木结构建筑隔声技术研究进展∗

刘芯彤 席 飞 杨晓林  孙友富

摘要:  近几年来木结构建筑发展迅猛,并由于其优良的特性受到人们的关注。但是由于木结构建筑构件的厚度较薄、
材料面密度较小,导致构件隔声量较低,尤其是对木结构楼盖和墙体而言很难实现较好的隔声性能,所以木结构的隔音
问题一直以来是发展木结构产业的关键要素之一。为了设计出具有优良隔音性能的木结构建筑,对现有木结构墙体、楼
盖、门窗和其他方面隔声技术的研究成果进行分析与论述,以期为木结构行业的施工与应用提供借鉴。
关键词:  木结构;隔声;研究;进展
中图分类号:TU759    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0006-05
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707002

Research Progress of Wooden Structure Construction Sound Insulation Technology

LIU Xin-tong1  XI Fei1  YANG Xiao-Lin2  SUN You-fu1 
(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University, Nanjing  210037, China

2. School of Architecture, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:  In recent years, wooden structure construction has developed rapidly, and has getton the attention of
people because of its excellent performance. However, because the thickness and the material surface density of
wooden structure construction component is small, resulting in lower sound transmission loss, especially hard on
wooden floor and wall to achieve better sound insulation performance, so sound insulation performance of wooden
structure construction has been one of the key factors for the development of the industry. In order to design a
wooden structure construction with excellent sound insulation performance and provide reference for construction
and application of wood framework industry, the research results of existing wood structure wall, floor, doors and
windows and other aspects of sound insulation technology have been analyzed and discussed,which provide
references for construction and application of wooden structure industry.
Key words:  Wooden structure; Sound insulation; Research; Progress

近几年,木结构建筑发展迅猛,并因为其独特的建 计规范》中对住宅中的声环境制定严格的噪声标准[3]。
筑风格,以及绿色环保、保温节能、防火防潮、抗风抗 要求住宅的卧室容许噪声级(A声级)昼间应小于或等
震、施工周期短等特点受到越来越多的关注。然而,由 于45 dB,夜间应小于或等于37 dB,分户墙与楼板的空
于木材较钢筋混凝土等其他建筑材料质量轻,因此,受 气声的计权隔声量应大于或等于50 dB,高要求的住宅
“质量定律”的控制,很难实现较好的隔声性能[1]。隔声 楼板的计权标准化撞击声压级宜小于或等于75 dB[4]。
主要包括空气隔声和撞击隔声,空气隔声是指阻隔空 所以,若想大力发展木结构产业,改善木结构建筑的声
间声场的声能,如听到的说话声;撞击隔声是指减弱 环境尤为关键。
撞击的能量辐射到建筑空间中的声能,如楼上的脚步
声、擦地声等[2]。在GB 50118—2010《民用建筑隔声设 1  木结构墙体的隔声
墙体是木结构建筑体系的三大结构之一。墙体分
* 基金项目:传统农房建造技术改良与应用示范(NO.2015BAL03B03)
刘芯彤,在读硕士研究生,南京林业大学材料科学与工程学院 为内墙和外墙,其功能和构造都不尽相同。轻型木结
孙友富(通讯作者),教授,单位同第一作者,E-mail: ailin@ailin.com.cn 构的墙体主要包括墙骨柱、覆面板和填充材料等,影响
修回日期:2017-03-15
林产工业2017年第44卷第7期
-6-

综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

其隔声的要素是覆面板密度、墙骨的规格和间距、填充 量相差高达8 .272 dB,这说明在低频部分,隔声量的提

材料的容重和厚度[5]。有实验证明在结构允许的情况 高完全能够打破质量定律。

下,考虑到经济性和隔声性能,木墙骨间距应尽可能选 在木结构墙体的隔声性能方面已经有了相当可观

用600 mm[6]。在设计墙体的内部构造时,可使各构件 的研究进展。墙体的隔声性能不能简单的依赖于单

之间相互隔离。例如,将墙骨柱交错安装在两面墙上, 一的因素,而是要考虑“质量定律”、墙骨柱规格、阻尼

每一根墙骨柱只与一面墙相连,从而降低构件之间的 性、填充材料等多方面因素的影响。另外,墙骨柱交错

传声[7]。木结构墙体隔声除了受“质量定律”的控制 安装以减弱构件之间传声的方法以及新型隔音材料的

外,还在一定程度上受吻合效应的影响[8]。木结构双 使用,理论上是可行的,但还要通过缜密的实验验证其

层墙体之间的空腔厚度是影响吻合效应的因素之一。 力学性能等是否符合要求,才可考虑是否可以进行实

有实验表明,随着空腔厚度的增加,吻合效应逐渐减 际应用。

弱,隔声量逐渐增加,但超过某一值后,这种效果就越

来越差[9]。实验发现双层墙之间的空腔厚度为100 mm 2  木结构楼盖的隔声
左右时,对减轻吻合效应来说是最有效的,而且密度和 木结构住宅的楼板由于其刚度和密度都低于钢筋

厚度越大的构件受吻合效应的影响越小[10]。然而,只 混凝土住宅的楼板,同样因为“质量定律”,楼板的隔

靠提高构件的密度和厚度来提高隔声量效果是不明显 音比较困难,一般要比混凝土楼板低 10 dB左右[17]。加

的,而且还占用建筑空间,增加了成本。对于双层墙体 之楼板中会埋有大量管线,空洞增多,质量减小,楼板

的木结构来说,选用不同材料和不同厚度的墙体两侧 隔声问题尤为突出。楼板的隔声一般包括空气隔声和

的板材同样有利于隔音量的提升[11]。墙体内填充的保 撞击隔声两大类。由于楼板自身的结构,空气隔声的

温材料可有效地减少高低频声源的通过[12]。有实验表 防治往往局限于噪声源附近,而楼板撞击噪声的控制

明,不加保温棉的木结构墙体计权隔声量基本在40 dB 相对来说比较困难[18-19]。改善木楼板隔声性能可采取

以下,而加了保温棉的计权隔声量在40 dB以上。此 如下措施:

外,周统建等人发现空心刨花板复合墙体的隔声能力 1)铺设弹性面层。在楼板上铺设一层弹性面层,

优于填充岩棉等材料的墙体结构,符合住宅隔声标准 如地毯、软木砖、橡胶等,能有效改善楼板中、高频的撞

要求[13],所以可以根据需要考虑用其代替填充保温材 击隔声,若材料弹性好、厚度大,对低频也有所改善。

料的墙体结构。另外,墙体上的缝隙也有利于噪声的 如用两层不同材料作为弹性面层,隔音效果会更好[20]。

传递,所以在施工时应尽量避免缝隙的产生,例如,将 2)加设吊顶。在楼板下加设吊顶也可改善楼板

插座和管道的周围密封严实等。在安装木结构外墙饰 的隔音性能。施工时要注意吊顶与周围墙壁之间不能

面板时,将木结构构件和饰面材料之间留设弹性缝隙 有缝隙;在确保安全的前提下尽可能减少吊点数量;且

则有助于缓冲墙面板的振动以达到降低噪音的目的。 吊顶不宜用刚性连接[21];可以在吊顶中铺设吸音材料,

近几年一些新型的隔声技术亦可用于木结构墙体 如玻璃棉,岩棉等,吸收部分噪声。另外,将吊顶用弹

的隔音设计。黄险峰[14]运用逆预测的方法来确定实体 性连接直接固定于承重墙上,或者在此基础上进一步

墙的最小隔音量和最大尺寸的开口或缝隙。可以用此 在下层增设独立侧墙,对不同音域下的平均隔音改善

措施,在满足隔音要求的情况下,获得安装管道和墙上 量可达到10 dB左右[22]。然而,采用吊顶结构也存在一

插座的许用面积。T·E·Vigran[15]完善了基于矩阵转 定的局限性:减少了建筑空间;成本高,施工复杂;隔音

移技术预测双层墙隔声量有限的结构连接,并且考虑 效果一般。

了墙上钉子的灵活性。这种技术主要测量的是有石膏 3)构造浮筑楼板。浮筑楼板的构造是在楼板与

板的轻质双层墙的隔声指数,以便于更好隔声的设计。 硬质地面之间铺一层弹性垫层,可削弱楼板的撞击噪

除了以上提到的提高墙体隔声量的方法以外,使用新 声。施工时应注意面层与基层之间或面层与其四周墙

型的建筑材料也可以在一定程度上解决木结构墙体的 面之间不能有刚性连接,尤其应注意湿作业对弹性垫

隔声问题。周梦平[16]分析了新型声子晶体隔声材料的 层材料弹性产生的影响。此外,戚建强发现,地暖系统

隔声性能,发现这种隔声材料的隔声量要比同面密度 由于特殊构造,与浮筑楼板的施工工艺十分相似,因而

的其余匀质材料高6 .62 dB,在100 ~500 Hz内平均隔声 不难推断,地暖装置不仅可以采暖,还可在一定程度上

木结构建筑隔声技术研究进展——刘芯彤 席 飞 杨晓林  孙友富 -7-

综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

提高楼板的隔音量[23]。 善。D·Takahashi[32]等发明了一种新的提高双层玻璃
4)提高楼板阻尼性。将阻尼材料夹于地板与楼 窗隔音性能的方法,这种技术使用黏弹性材料作为两
个玻璃面板之间的连接器,并验证了模型的有效性。
板之间,可提高地板的隔声量。大岛[24]等人曾做过类 此外,结果还表明,最有效的隔音因素是阻尼,阻尼越
似的实验,并取得了成功。李贤钟对常用的地板胶黏 大,隔音性能就越好。Cinzia Buratti[33]开发一种人工神
剂的阻尼性对楼板隔音性能的影响进行了研究[25],发 经网络(ANN)模型来估测木窗的计权隔声量,可以容
现使用环氧树脂类胶黏剂降低了楼板的隔音能力,而 易地估测木窗的声学性能,而不用在原型上做实验,节
使用阻尼性能高于木材的聚氨酯类胶黏剂可使楼板的 省了成本和时间。
隔音性能有所提高。
对于木门来说,门板内的填充物是决定木门隔音
除了上述提到的措施之外,一些先进的测量技术 效果的关键,现在市场上多数的门都是气腔中有吸音
也有利于楼板隔音的设计。Shi Wanqing[26]通过实验 和防火材料的双层板结构[34]。有实验表明,内芯填充
发 现,一 个 沙 球 从 一 定 的 高 度 落 下 与 真 实 的 脚 步 声 纸基的模压隔音门,可实现29 dB的隔音效果;内芯使
非常一致,比起IOS标准中用攻丝机作为的噪音源,此 用 优 质 刨 花 板 的 门,隔 音 效 果 最 好,隔 音量可达到
方法是一个测量低频声源隔声的更好办法。Andrea 32 dB[35]。此外,密度越高,质量越大,门板越厚,表面
Prato[27]研究了低频阶段(50~100 Hz)实验室测量建筑 越粗糙的门隔声效果越好。目前,国内市场上推广的
声学的模态方法,发现该方法适用于撞击隔音的测量, 一种德式木质门有较好的隔声效果。德式门又称“T
并使低至50 Hz的声学测量成为可能。 型口门”,其特点是门扇与门框之间运用双曲尺结构,
结合严密,有着良好的隔音性和密闭性。隔音效果可
提高木楼板的隔声性能一直以来就是发展木结构 达到 40 dB,而一般的门只有20 dB 左右。
建筑的难题之一,虽然在这方面已经有很多研究成果,
但是还未找到真正有效且实用的解决方案。许多影响 想要拥有健康的住宅环境,开窗通风是必须的。
木结构楼板隔音性能的因素还未探索,比如木格栅的 然而开窗后噪声的分贝会放大10 ~15 dB,通风与隔
材料、规格、间距,格栅与格栅之间有无剪力撑或横撑, 声的矛盾就会显得尤为突出。近几年有很多学者致
有无填充材料,填充材料的类型等。总的来说,研究的 力于自然通风消声窗的设计,2005 年我国设计出的
隔声构造在使楼板的隔声等级达到规范要求的前提 一款通风消声窗的隔声量可达到10 dB左右。另外通
下,还要尽可能具备实用性、材料易购、施工简便、造价 风器的使用也可以解决通风与隔音的矛盾。Michael
低廉等特点,适合大面积推广使用。 Barclaya[36]等用有限元模型的方法来量化噪音与自然
通风之间的相互作用,这项研究说明了在城市建筑中
3  门窗的隔声 噪声暴露和通风性能方面集成方法的重要性。需要注
在一栋建筑的声环境中,门窗是隔绝噪音最薄软 意的是,现在市场上许多通风消声窗往往只注重隔声
性能,而忽略了窗户本身通风作用。如果因通风换气
的环节,室内90 %的噪声都是由门窗进入[28]。门窗隔 不畅,达不到一定的舒适感要求,必将影响它的实用性
声性能的好坏主要取决于门窗的密封性和本身材料的 和推广。通风器的使用虽然解决了通风与噪音的矛
隔音性能。密封性包括玻璃与边框的密封,关闭门窗 盾,但要注意是否会存在屋内热量损失,在雨雪天气下
后边框与框架的密封,以及安装后窗户与墙体的密封。 是否存在漏水的情况,这是设计、生产部门必需及时考
施工时选用高质量的五金件,或在门窗与墙体的缝隙 虑的。另外,安装隔音门窗无疑增加了成本,隔音效果
间加橡胶压条可增强门窗的密封性,改善隔声效果[29]。 越好的门窗则成本也就越高,在装修时,要根据实际情
况,不要盲目安装具有过高隔音性能的门窗,在保证隔
对于窗户来说,玻璃的厚度和层数也是影响隔声 音性能的同时也能降低成本,减少资源的浪费。
性能的关键因素。一般来说,玻璃厚度越厚,中间空隙
越大,隔音效果就越好。有实验表明单片玻璃厚度加 4  隔音要注意的其他事项
倍,隔声量约增加6 .1 dB[30]。但仅靠增加玻璃的层数 除了上述提到的几点之外,在隔音方面还应注意:
和厚度对窗户隔声效果的改善并不明显,并且也非经 1)住宅的卫生间中有各类阀门和水龙头以及管
济适用办法。有资料显示,日本Sekisui[31]公司开发的
一种新型叠层玻璃——SAF膜,比常见的PVC膜胶合 林产工业2017年第44卷第7期
玻璃的阻尼要大得多,对窗户的隔音性能有明显的改

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综述 林产工业

REVIEW CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

道,其中的击水声会产生噪音。对此可以采取的方法 出版社, 2010.
是采用低噪声阀门和低噪声管道,如内螺旋的双层排 [5] 周海宾, 江泽慧, 费本华. 木结构墙体建造细节对其隔声性能的影
水管道;在洗面盆、马桶、管道等与地面和墙面连接处
采用柔性连接,如加硅胶垫;另外各种管道应纳入管道 响[J]. 北京林业大学学报, 2007(3):159-163.
井,管井每层之间应用隔音材料封堵,管道与固定支架 [6] 周海宾. 木结构墙体隔声和楼板减振设计方法研究[D]. 北京:中国
之间应加入柔性材料。
林业科学研究院, 2006.
2)从室外传入室内的噪音有一部分来自于阳台 [7] 孙崇咪. 现代木结构建筑之墙体构造研究[D]. 南京:南京林业大学,
顶棚的反射,特别是木结构建筑多是低楼层,反射效果
更为明显。针对这一问题,可采取在顶棚上铺设吸声 2007.
材料的方法。另外,阳台的栏板对噪声的传入也有影 [8] L e i m e r H - P , H a r t i n g A . E r g ä n z e n d e U n t e r s u c h u n g e n z u r
响。有资料显示,高栏板比低栏板,实体栏板比镂空栏
板更能有效地阻隔外界的噪音[37]。 Schalldämmung von Fachwerkwänden/ Complementary study on
sound insulation of frame work walls[J]. Restoration of Buildings and
3)住宅区的合理规划可有效避免一些噪音。在 Monuments, 1999, 5(2):163-176.
规划阶段,主体建筑位置、功能区的分布、交通道路网 [9] Huang Xian Feng, Liu Jun,Yang Yan. Prediction on Coincidence Effect
的分布、噪声源的位置、绿化区分布等均应考虑在内, of Sound Insulation of a Wall[J]. Applied Mechanics and Materials,
符合防躁设计的要求。在竣工验收阶段,可以请专门 2011, 1449(99):354-357.
的部门监测住宅的隔声性能是否达标,在督促设计和 [10] 刘君. 建筑墙体隔声中吻合效应的研究[D]. 南宁:广西大学, 2012.
施工的同时,使住宅声环境品质得到真正的提高。 [11] 丁允. 传统木构干栏民居室内声环境的改造研究[D]. 昆明:昆明理工

5  结语 大学, 2014.
综上所述,木结构产业由于其绿色环保、低碳节能 [12] 王红梅. 浅谈建筑隔声[J]. 山西建筑, 2009, 11:50-51.
[13] 周统建, 王志强, 徐才峰, 等. 银杏木空心刨花板复合墙体隔声性能[J].
等特点正逐步进入我国建筑市场,发展前景广阔,但同
时也面临着巨大的挑战。隔音技术的研究是发展木结 林产工业, 2012(6):11-13.
构产业的一大重点,虽然在此方面已经有了一定的研 [14] Huang Xian Feng. Inverse Prediction of Sound Insulation to a Wall with
究进展,但不可否认的是在木结构隔音领域仍存在一
些技术空白值得探索,尤其是在楼板的隔音技术方面, Apertures[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 11:1441-1446.
应引起高度的重视。另外,一些隔声技术的使用虽然 [15] Vigran T E. Sound insulation of double-leaf walls—Allowing for studs of finite
会在一定程度上提高建筑的隔声量,但可能会存在成
本较高、占用空间大、资源浪费等缺陷,所以应根据建 stiffness in a transfer matrix scheme[J]. Applied Acoustics, 2010, 71:616-621.
筑本身的用途和需求进行合理选择。笔者认为,隔声 [16] 周梦平. 声子晶体理论在建筑隔声板材中的应用性研究[D]. 哈尔滨:
技术的研究越来越趋向于技术预测,尤其是在西方国
家更为普遍,这种技术是在建造之前对建筑构件的隔 哈尔滨工业大学, 2008.
声性能进行预估,从而节省了时间和金钱,这也是未来 [17] [日]中尾哲也. 楼板构造和撞击声[J]. 木材工业, 1986, 41(11):3-6.
隔声研究的一大趋势,相信在不久的将来,木结构建筑 [18] Yeon Jun Oh,Kim Kyoung Woo, Yang Kwan Seop, et al. Characteristic
产业的发展定会迎来崭新的篇章。
Evaluation of Impact Sound Reduction by Floor Coverings Using Floor Impact
参考文献 Sound in a Test Building[J]. Applied Mechanics and Materials, 2015, 752-
753:800-803.
[1] 郭万江, 张松, 杜国峰, 等. 新型墙体材料空气声隔声性能检测与分 [19] Yeon Jun Oh,Shin Hye Kyung, Yang Kwan Seop, et al. Evaluation of Reduction
析[J]. 天津城建大学学报, 2014(1):41-43, 63. Performance of Floor Impact Sound on Floor Covering in the Reverberation
Chamber[J]. Applied Mechanics and Materials, 2016, 851:685-689.
[2] 戴广慧. 住宅的隔音设计[J]. 山西建筑, 2010, 36(8):50-51. [20] 刘培杰, 时宇, 潘瑜芬. 改善撞击声隔声性能的住宅楼板构造设计[J].
[3] 赵莹. 住宅建筑墙体隔声设计探析——解读新《民用建筑隔声设 华中建筑, 2014(9):69-72.
[21] Amir Saedi Daryan,Mohammadreza Sadri, Hamid Saberi, et al. Behavior of
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[22] 宋蛰存. 日本改善住宅楼板隔音的研究进展[J]. 木材工业, 2000(2):21-
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[23] 戚建强, 蒋荃, 林文, 等. 建筑隔声与地面辐射供暖[J]. 中国建材科技,
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[24] [日]大岛. 音乐教室噪声对策中的固体声对策方法[C]. 日本噪音控制
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[26] Shi Wan qing, Carin Johansson, Ulrik Sundbäck. Assessment of the sound
insulation of a wood joist construction due to different types of impact
sources[J]. Applied Acoustics, 1996, 48:195-203.
[27] Andrea Prato, Alessandro Schiavi. Sound insulation of building elements at

(下转第14 页)

木结构建筑隔声技术研究进展——刘芯彤 席 飞 杨晓林  孙友富 -9-

研究与分析 林产工业

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湿热-压缩处理木材的纤维素晶体结构变化∗

尹江苹  郭  娟  赵广杰  殷亚方

摘要:  分别采用不同径向压缩率(25%和50%)并结合不同蒸汽处理温度(140、160 ℃和180 ℃)对人工林杉木(Cunninghamia
lanceolata)进行湿热-压缩处理,然后利用X-射线衍射法(XRD)研究了湿热-压缩处理对木材纤维素微纤丝角、结晶度及
微晶宽的影响规律。结果表明:湿热-压缩处理木材纤维素微纤丝角无明显变化,结晶度和微晶宽均增大。结晶度增幅
介于28%~38%,不同压缩率和蒸汽处理温度对纤维素结晶度影响无显著差异。随着蒸汽处理温度的增加,微晶宽逐渐增
大,在180 ℃蒸汽处理条件下达到最大值。
关键词:  杉木;湿热-压缩处理;纤维素;晶体结构
中图分类号:S781.7    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0010-05
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707003

Cellulose Crystalline Structure Changes of the Wood Treated by Compression Combined with Steam

YIN Jiang-ping1  GUO Juan1  ZHAO Guang-jie2  YIN Ya-fang1
(1.Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing  100091, China
2.College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing  100083,China )

Abstract:  Compression combined with steam treatment to Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) was carried
out with different radial compression (compression ratio of 25% and 50%) in combination with different steam
treatment temperatures (140, 160 ℃ and 180 ℃). The variation of cellulose microfibril angle, crystallinity and
crystallite width were characterized by X-ray diffraction(XRD). The results indicated that cellulose microfibril
angle had no significant changes, however crystallinity and crystallite width were increased after CS-treatment.
About 28%~38% increase of crystallinity was observed. Different compression ratios and steam treatment
temperatures did not affect cellulose crystallinity significantly. With the increase of compression ratios, crystallite
thickness increased gradually, the maximum value could be obtained when at 180 ℃.
Key words:  Chinese fir; Compression combined with steam treatment; Cellulose; Crystalline structure

由于天然林资源的短缺及人类保护意识的增强, 湿热-压缩处理过程中,木材细胞壁的无定形基质
人工林木材资源将逐步成为木材资源战略储备中的重 分解,应力缓和或释放,纤维素结晶区规整化,晶体结
要组成。人工林木材大多具有结构疏松、密度和强度 构发生变化,压缩变形固定[1]。结晶区纤维素密度大,
低、天然耐久性差以及干燥缺陷多等缺点。为了满足 分子间的结合力强,对木材细胞壁力学性能有非常重
不同环境条件下对木质材料的使用要求,可通过对木 要的影响[2]。有研究结果表明,湿热-压缩处理后纤维
材进行人工改良处理,改善其使用性能。木材湿热 - 素结晶化和结晶区规整化[1 ],但是结晶度无明显变化[3 ]。
压缩处理技术通过在一定的湿度、温度和机械压力的 Ito等[4]研究得出木材在湿热-压缩处理后再经半纤维
共同作用下对木材进行径向压缩固定,以提高木材的 素和木质素抽提,纤维素的结晶度增大。关于湿热-
物理和力学性能,同时保持木材天然生物材料特性。 压缩处理后结晶度的变化,没有一致的定论。而对湿
热-压缩处理后木材细胞壁纤维素微晶尺寸及微纤丝
*基金项目:国家自然科学基金项目(31370559) 角的研究还未见报道。
尹江苹,博士,中国林业科学研究院木材工业研究所
殷亚方(通讯作者),研究员,单位同第一作者,E-mail:yafang@caf.ac.cn 测定木材纤维素晶体结构的方法有很多,笔者利
收稿日期:2016-12-20
林产工业2017年第44卷第7期
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用 使 用 最 为 广 泛 且 精 确 性 较 高 的X射 线 衍 射 测 试 法 表1 湿热-压缩处理工艺参数
(XRD),分析湿热-压缩处理条件对纤维素微纤丝角、 Tab.1 Processing parameters for compression
微晶尺寸和结晶度的影响,并深入探讨产生这些差异
的原因,为开发科学合理的木材改性处理方法提供理 combined with steam treatment
论基础,也为拓展我国现有低质人工林木材资源的高
效利用提供技术依据。 处理组序号 压缩率/% 蒸汽处理温度/℃ 蒸汽处理时间/min
1 25 140 30
1  试验材料与方法 2 50 140 30
1.1  试验材料 3 25 160 30
4 50 160 30
采用28 年生人工林杉木(Cunninghamia lanceolata )。 5 25 180 30
样树伐倒后,在靠近髓心处取厚度为5 cm的径切板,气 6 50 180 30
干。然后,在靠近树皮的最外侧边材部分取若干小木
块25 mm(L)× 20 mm(R)× 20 mm(T),试样包含完 为研究微纤丝角变化,采用X射线衍射仪(X’pert
整的生长轮数24、25 轮,取样位置所处的生长轮位置 Pro, Panalytical, Netherlands)测试试材细胞壁各位置
如图1 所示。去除带有节子、应力木、假年轮等影响测 纤维素微纤丝角。X光源来自铜靶(波长0 .154 nm),
试结果的木块。 电流40 mA,电压40 kV,扫描时间为3 min。根据衍射
图谱计算细胞壁纤维素平均微纤丝角。

采 用 日 本 理 学 株 式 会 社 的D/MAX 2200 型X射 线
衍 射 仪(D/MAX 2200 , Rigaku, Japan)进 行 扫 描,以
观 察 纤 维 素 晶 体 结 构 变 化。 扫 描 条 件 为 铜 靶 辐 射

(l =0.154 nm),辐射管电流30 mA、电压40 kV,扫描范围
2 θ=5°~40°,扫描速度2°/min,步长为0 .1°。使用PeakFit
(Sea-Solve Software Inc., Richmond, CA)对衍射峰进行

图1 样品取材示意图 精确分析。结晶度通过结晶峰的峰面积与总面积的比
Fig. 1 Schematic picture indicating the
值得出[5-6],如公式(1)。
preparation of samples
CrI = A1-10 + A110 + A012 + A200 + A004 # 100% (1)
1.2  湿热-压缩处理工艺 A1-10 + A110 + A012 + A200 + A004 + Aam
该湿热-压缩处理工艺试验在日本京都大学生存
式中:CrI——结晶度,%;
圈研究所完成。采用径向压缩结合高温蒸汽方法,考
察压缩率和蒸汽处理温度两个因素对湿热-压缩处理 Ahkl——结晶区相应衍射峰即(1 -10 ), (110 ), (012 ),(200 )和(004 )
木材结构和性能的影响。具体处理方法如下,首先控 峰的极大积分强度;
制蒸汽温度在110℃,在设定的径向压缩率(25 %和
50 %)条件下湿热压缩,时间为6 min;随后,通入蒸汽 Aam——非晶区衍射的散射强度。
(140、160、180 ℃)保温保压,时间为30 min,如表1
所示。湿热-压缩处理杉木在反应釜冷却至室温 根据Scherer 公式计算D200 结晶面即微晶宽[6],如
20 ℃,然后存放于室温20 ℃,相对湿度65 %的环境中,
调至试材平衡含水率至12 %。 公式(2)。 Km
1.3  晶体结构测试 D2i cos i
Dhkl = (2)
选取24 ~25 年轮晚材部分进行晶体结构分析
测试。试样利用单面刀片切成 5 mm(L)× 1 mm(T)× 式中:Dhkl——结晶区的宽度,nm;
1 mm(R)的 小 木 条 后,将 小 木 条 置 于 冷 冻 研 磨 仪
l ——入射X射线的波长(0.154 nm);

D2θ——200 晶面衍射峰半宽(弧度);

cosθ——衍射角余弦;

K——常数,取0 . 9。

每一组湿热-压缩处理条件下至少分别重复测试3
个样品。

(SpexSamplePrep, Metuchen, NJ, USA)。在研磨罐中首 2  结果与分析
先利用液氮低温预冷3 min,然后研磨木粉约3 min,运 2.1  微纤丝角
行频率10 cps。将研磨好的木粉过80 目网筛,装入微
量离心管。 通常情况下,木材细胞壁纤维素微纤丝角沿径向

湿热-压缩处理木材的纤维素晶体结构变化——尹江苹  郭  娟  赵广杰  殷亚方 - 11 -

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变化方式为:微纤丝角自髓心开始逐渐减小而后在成 图2 25%压缩率下不同蒸汽温度处理杉木纤维素X射线衍射图
熟材部分数值几乎一致,趋于稳定[7]。根据之前的文 Fig.2 XRD spectra for Chinese fir cellulose in 25%
献对幼龄材与成熟材的划分[8],笔者所选取的试材均 compression ratio combined with different
来自成熟材部分,以排除木材本身对试验的影响。未 steam temperatures
处理材与25 %压缩率、180 ℃蒸汽温度处理材及50 %
压缩率、160 ℃蒸汽温度处理木材的细胞壁纤维素平
均微纤丝角分别为10 .01°、10 .27°和9 .89°(见表2)。
单因素方差分析表明,3 种试材平均微纤角之间差异
不显著,说明压缩率和蒸汽处理温度均没有显著影响
细胞壁纤维素微纤丝的排列方向。湿热-压缩处理过
程中细胞壁微纤丝角没有明显的变化。

表2 湿热-压缩处理杉木纤维素微纤丝角变化 表3 湿热-压缩处理杉木纤维素结晶度、微晶尺寸
Tab.2 Changes of microfibrillar angle for Chinese fir ( D 200 和D 004 )以及D 004/D 200 尺寸比
cellulose treated by compression combined with steam
Tab.3 Crystallinity, crystallite size ( D 200 and D 004 )
样品编号 部位 微纤丝角/(°) and crystallite aspect ratio ( D 004/D 200 ) for Chinese fir
未处理材 晚材 10.01 A
25%-180 ℃ 晚材 (0.21) treated by compression combined with steam
50%-160 ℃ 晚材 10.27 A
(0.34) 样品编号 部位 结晶度/% D200/nm D004/nm D004/D200
9.89 AB 未处理材 晚材 39(2) 3.11(0.12) 10.23(0.53) 3.29(0.34)
(0.09) 25%-140 ℃ 晚材 52(3) 3.37(0.06) 10.63(0.48) 3.15(0.50)
25%-160 ℃ 晚材 53(2) 3.44(0.06) 11.11(0.37) 3.23(0.16)
注:括号中的值表示标准差。A~B表示同一列相同字母之间差异不 25%-180 ℃ 晚材 54(1) 3.83(0.24) 11.29(0.79) 2.95(0.16)
显著,不同字母之间差异显著,显著水平<0.05。 50%-140 ℃ 晚材 51(1) 3.39(0.12) 10.45(0.58) 3.08(0.50)
50%-160 ℃ 晚材 53(2) 3.51(0.07) 10.99(0.95) 3.13(0.50)
纤维素微纤丝的排列方向是木材细胞壁力学性能 50%-180 ℃ 晚材 50(2) 3.92(0.12) 11.03(0.67) 2.81(0.19)
的重要影响因素之一[7, 9]。该试验表明,在湿热-压缩
处理过程中细胞壁力学性能的变化来自纤维素微纤丝 注:括号中的值表示标准差。
取向的影响较小。
2.2  晶体结构 图3 湿热-压缩处理杉木纤维素结晶度变化
Fig.3 The crystallinity for Chinese fir cellulose treated by
图2 为25 %压 缩 率 条 件 下,140、160、180 ℃ 蒸
汽温度处理木材的纤维素XRD扫描图谱。图中显示, compression combined with steam
与未处理材相比,湿热-压缩处理木材纤维素无新的
衍射峰出现,纤维素结晶区主要衍射峰200 和004 衍射 木材细胞壁纤维素结晶度指数变化。25 %压缩率条件
峰的位置均没有发生变化,依然位于22.5°和34.8°;1 -10 下,随着蒸汽处理温度的升高,结晶度增大,当处理温
和110 衍射峰相互影响,形成一个大的衍射峰,湿热- 度达到180 ℃时,结晶度达到最高值54 %,比未处理
压缩处理后,无明显变化,说明湿热-压缩处理后纤维 材提高了38 %;单因素方差分析表明,140、160 ℃和
素晶型没有发生变化,依然属于Ⅰβ型。但是从衍射强
度来看,湿热-压缩处理材200 衍射峰强度发生了明显 林产工业2017年第44卷第7期
的变化。根据积分面积法和Scherrer公式对湿热-压缩
处理材纤维素结晶度和微晶宽(D200)进行计算,其值
如表3。相比未处理材,湿热-压缩处理材纤维素结晶
度均提高,未处理材结晶度为39 %,湿热-压缩处理材
纤维素结晶度≥50 %。

图3 为25 %和50 %压缩率下不同蒸汽温度处理的

- 12 -

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180 ℃蒸汽温度处理的木材纤维素结晶度差异不显著 180 ℃蒸汽处理后的木材微晶宽分别为3 .39、3 .51、
(见表4)。50%压缩率条件下,140、160 ℃和180 ℃蒸 3 .92 nm,且以50 %压缩率、180 ℃蒸汽温度处理的微
汽温度处理后较未处理材结晶度均增大,160 ℃蒸汽 晶宽涨幅最高,相比未处理材增加了26 %。单因素方
温度处理时结晶度最大,180 ℃蒸汽温度处理时结晶 差分析表明,蒸汽处理温度影响纤维素微晶宽,尤其
度则呈下降趋势,单因素方差分析表明,140 ℃和160 ℃ 180 ℃蒸汽温度条件下的微晶宽显著增加(P<0.05)。
蒸汽温度处理间差异不显著,但是160 ℃和180 ℃蒸汽
温度处理间存在显著差异(P< 0 . 05)。 湿热-压缩处理过程中,纤维素分子链之间的羟基
发生“架桥”反应,产生醚键,使准晶区的微纤丝向结
表4 湿D热00-4压)缩以处及理D杉004木/D纤200维尺素寸结比晶单度因、素微方晶差尺分寸析(D200 和 晶区靠拢并取向[10]。此外,半纤维素的甘露聚糖和木
Tab.4 Single factor analysis of variance for crystallinity, 聚糖在去除乙酰基后具有结晶化的能力[11 -12 ],导致细
crystallite size (D200 and D004) and crystallite aspect ratio (D004/ 胞壁纤维素微晶宽增大,结晶度增加。当蒸汽处理温
度达到180 ℃时,无定形区纤维素、半纤维素及木质素
D200) for Chinese fir cellulose treated by compression 发生大幅降解,微晶内应力缓和[13],结晶区受到影响甚
combined with steam 至发生轻微降解反应,结晶度反而会呈下降趋势。所
以即使以50 %压缩率、180 ℃蒸汽温度处理的木材微
样品编号 结晶度/% D200/nm D004/ nm D004/ D200 晶宽达到最高值3.92 nm,但是高温条件下纤维素发生了
未处理材 B D CD A 剧烈的降解反应,使得结晶区受到影响,结晶度下降。

25%-140 ℃ A C BC ABC 3  结论
未处理材与25 %压缩率、180 ℃蒸汽温度处理的
25%-160 ℃ A C AB AB
木材及50 %压缩率、160 ℃蒸汽温度处理的木材细
25%-180 ℃ A AC A BCD 胞壁纤维素平均微纤丝角分别为10 .01°、10 .27 °和
9 .89°,不同处理条件对木材平均微纤角无显著影响。
50%-140 ℃ A C D D
湿热-压缩处理木材细胞壁纤维素结晶度和微晶
50%-160 ℃ A C BC CD 宽均增大。结晶度涨幅介于28 %~38 %,但是不同蒸汽
处理温度和压缩率间对纤维素结晶度影响无显著差
50%-180 ℃ AC A BC D 异;受到蒸汽处理温度影响,木材细胞壁基质或纤维素
准结晶领域的发生结晶化致使微晶宽增大,在180 ℃
注:A~D表示同一列相同字母之间差异不显著,不同字母之间差异 蒸汽处理条件下达到最大值。
显著,显著水平<0.05。

参考文献

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图4 为25 %和50 %压缩率条件下,不同蒸汽温度
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热-压缩处理后,微晶宽均增大。未处理材微晶宽为 properties of wood under high temperature and high pressure steam
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湿热-压缩处理木材的纤维素晶体结构变化——尹江苹  郭  娟  赵广杰  殷亚方 - 13 -

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[33] Cinzia Buratti, Linda Barelli, Elisa Moretti.Wooden windows: Sound insulation

·展会报道· 第十八届成都家具展圆满收官

中西部第一大展——第十八届成都国际家具工业展览会 材家具装饰商会联合打造的“定制与智能家居专馆”展出面积
圆满收官。6 月7 -10 日,第十八届成都家具展在中国西部国际 达4 万m2,规模位居中西部第一、全国一流。大信、尚品、博洛
博览城、世纪城新国际会展中心同时举行,实现了创办18 年以 尼、梦百合、KD等20 余家国内一线定制家居品牌一亮相展会就
来的最大突破——“一城双展”。凭借“一城双展”模式,此届 大获成功。
成都家具展两大主会场共接待专业观众近26 万人次,现场成交
达168 亿元,零售超过3 亿元,拉动服务业增收约13.88 亿元,再创 凭借“拎包入住”的全屋集成定制模式,亚度家居在展期
历史新高。 吸引了北京、上海、河南、云南等27 个省市客商的关注,现场签
约经销商135 家,成交金额达7 560 万元;年代家居与全国300
4 天迎26万人次专业观众“成都造”代表企业表现亮眼 多个经销商达成了意向合作;卡诺尼家居意向签约客户达到
156 家,成交金额同比增长了146 %,远超预期。“明年,我们继
第十八届成都家具展首次实行“一城双展”模式,展出总 续参展!”卡诺尼家居总经理罗刚说。
面积达27 万m2,参展企业1 800 余家。据统计,4 天展期里,成
都家具展两大主会场——中国西部国际博览城、世纪城新国际 加速整合全产业链 明年成都家具展更精彩
会展中心接待来自全国的专业观众近26 万人次,再创历史新
高。除了专业观众人数再创新高外,此届成都家具展的现场成 展期,成都家具展与多个国际国内家居展会、行业协会达
交额也再次刷新历史记录:现场成交达168 亿元,零售额超过3 亿 成合作协议,加速整合家居全产业链——设立国际馆、新增家
元,同比增长23 .1 %。此外,此届成都家具展拉动服务业增收约 居饰品板块、扩大定制与智能家居板块……2018 年,第十九届
13.88 亿元,同比增长33.6%,创下历届活动之最,一跃成为成都 成都家具展将更加精彩。
综合拉动效应第二的展会活动。
6 月7 日,成都家具展与成立于1896 年的英国每日邮报集
展期,成都家具领军品牌喜洋洋家具新签门店353 家,销 团旗下的DMG展览公司签订合作协议:2018 年,第十九届成都
售额达到2 000 万元;浪度家居新签门店达138 家;鼎高家居签 家具展将引进DMG展览公司旗下的国际家居暨室内装饰博览
约色系超过200 个,新签的2 000 m2 大店达20 多个;巨田家居新 会(Index),开设国际馆。
签门店达96 家;潮客家居新签门店89 家……第十八届成都家
具展提供了更大的舞台,以“成都造”为代表的四川家具企业也 全国工商联家具装饰业商会计划带领更多国内一线定制
表现亮眼,收获了切实的参展实效。 与智能家居企业参加第十九届成都家具展,进一步扩大“定制
与智能家居”专馆展出规模。同时,该商会也计划组织国内一
定制家居受青睐 企业敲定2018年继续参展 线的成品家具企业参展,打造成品家具国内“精品专馆”。此
外,成都家具展也与深圳市家居文化用品行业协会达成了组团
今年,成都家具展与全国工商联家具装饰业商会、四川建 参展的合作意向。

- 14 - (成都家具展组委会  供稿)

林产工业2017年第44卷第7期

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加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估∗

王韵璐  曹  瑜  王  正  高子震  王建和

摘要:  为了对正交胶合木(CLT)的弯曲性能开展有效预测与评估,验证CLT板件弯曲性能预测值的可靠性,采用自由梁
横向振动法,对加拿大铁杉锯材顺纹弹性模量进行动态测试与质量分等;采用悬臂板横向振动法动态测试铁杉锯材的横
纹剪切模量和弹性模量;将分等后的铁杉锯材制成足尺CLT楼板、墙板用板材,并采用四点弯曲法静态测试CLT板材的弹
性模量值;然后将锯材顺纹弹性模量、横纹剪切模量和弹性模量实测值代入模型公式进行CLT板弯曲性能预测,并与CLT
板材静态弹性模量实测值作比较分析。结果表明:CLT主强度方向弹性模量预测值为11 222 MPa,实测值为11 312 MPa,
CLT板材的弯曲弹性模量的预测值与其实测值决定系数为0.887,具有较强的相关性;用CLT板材的预测值模型公式评估
其弯曲性能指标,具有应用上的可行性和可靠性;铁杉制成的CLT板材弯曲性能达到CLT楼板、墙板等工程用的等级要求。
关键词:  加拿大铁杉;锯材;CLT;横向振动法;弯曲性能;预测与评估
中图分类号:TS653    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0015-06
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707004

Prediction and Assessment of Canadian Hemlock CLT Bending Performance

WANG Yun -lu1  CAO Yu1  WANG Zheng1  GAO Zi-zhen1  Brad Jianhe Wang2
(1.College of Material Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing  210037, China

2.Ningbo Sino-Canada Low- Carbon  New Technology Research Institute,Ningbo  315600, China )

Abstract:  In order to effectively predict and assess the bending performance of CLT , and to reliability
prediction verification of CLT plate bending, dynamic testing and grading are made into full scale CLT slabs and
wall panels according to elastic modulus parallel to grain, by the transverse vibration free beam method used in
this paper; the transverse shear modulus and elastic modulus of the fir lumber are tested by the dynamic test of
the transverse vibration of the cantilever plate and the four-point bending method; the elastic modulus parallel to
grain , the transverse shear modulus and the elastic modulus of the lumber are substituted into the model formula
of the CLT plate, and the flexural properties are predicted and compared with the measured values of the CLT
plate. The predictive value of the flexural modulus of the CLT sheet is 0.887. The results show that the prediction
of the bending elastic modulus of CLT sheet value and measured value strong correlation, prediction of elastic
modulus is 11 222 MPa, and the measured value is 11 312 MPa; the bending model formula to assess the
performance indicators for the prediction of CLT sheet value, has the feasibility and reliability of application; The
bending performance of CLT plate is up to CLT floor,wallboard and other engineering requirements.
Key words:  Canadian hemlock; Sawn timber; Cross-Laminatied Timber; Transverse vibration method;
Bending performance; Prediction and evaluation

正交胶合木(Cross-Laminatied Timber,简称CLT), 胶合而成的一种实心工程木产品。CLT及其重型木结

是由至少三层实心锯材或结构复合材(SCL)垂直正交 构建筑系统具有强重比高, 承载性能好, 抗震、隔音、防

* 2016年南京林业大学大学生科技创新项目立项课题(DXSKC-201606); 火、保温, 设计灵活, 舒适美观及低碳、节能和环保等明
2015年江苏省苏北科技专项资金(富民强县)项目(BN2015143) 显优势;易实现工厂模块化预制,  现场组装,  从而使木
王韵璐,硕士研究生,南京林业大学材料科学与工程学院 结构建筑建造快,  工期短;不但可用于低层,  也可用于
王  正(通讯作者),高级工程师,单位同第一作者, 中层甚至高层(20 层以上)的民用和非民用建筑,  可完
E-mail:wangzheng63258@163.com
收稿日期:2017-01-08

加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估——王韵璐  曹  瑜  王  正  高子震  王建和 - 15 -

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全代替传统钢筋混凝土和砖混结构,  也可与钢材或钢 式中:E ——自由梁试材的动态弹性模量,Pa;
筋混凝土等混合使用, 实现部分替代, 因此很适合在中
国城镇化、度假旅游和乡村建设中进行示范和推广[1-5]。 r ——气干密度,g/m3;
f1 ——自由梁试材一阶弯曲频率值,Hz;
加拿大西部铁杉(Western hemlock)广泛生长于 l ——自由梁试材长度,mm;
加拿大不列颠哥伦比亚省的沿海林区,是当地森林的 h ——自由梁试材厚度,mm。
主要树种之一,相比于SPF等树种,西部铁杉具有价格
低廉、抗弯强度较高等优点,非常适用于木材资源依赖 笔者采用瞬态激励法测试自由梁下铁杉锯材
于进口的国家。2016 年宁波中加低碳新技术研究院有 (CLT基材)试件的顺纹弹性模量值E [6],即在自由梁约
限公司生产了世界上首批用加拿大铁杉锯材制作的大 束条件下,动态法测得铁杉锯材试材的一阶弯曲频率
幅面正交胶合木(CLT)建筑预制板,进行CLT国产化的 f1,并通过式(1)算得其顺纹弹性模量E,其测试框图
尝试。 如图1 所示。

铁杉目前广泛应用于造纸和胶合板等低附加值的 图1 自由梁下锯材弹性模量的动态测试框图
产业,在建筑业等领域还未得以充分利用。而CLT虽 Fig. 1 Dynamic test block diagram of elastic modulus
然在欧洲和北美应用广泛,但CLT厂家采用的原料也
仅仅局限于几个常规树种,如加拿大SPF规格材、欧洲 of lumber under free beam
赤松、北美花旗松等。鉴于此,笔者运用动力学理论,
动态测试加拿大西部铁杉锯材的顺纹弹性模量值并 图1 中,首先,实现铁杉锯材试件的自由梁约束方
进行质量分等;动态测试铁杉锯材横纹剪切模量和弹 式,同时与动态信号采集与分析系统相连,并将加速度
性模量值;通过模型预测CLT板材弯曲性能。通过铁 计牢固粘贴于锯材试件表面;接着完成参数的设置,主
杉锯材弹性模量和剪切模量的动态测试、CLT板弹性 要包括:分析频率为200 Hz,FFT长度为4 096,采集方
模量的静态测试,以及通过对CLT板材弯曲性能的预 式为负触发,电压范围±5 000 mV;然后用橡皮锤敲击
测值计算及其静态测试值之间的比较分析,以期验证 铁杉锯材试件,使其产生横向自由振动。加速度计拾
CLT板材性能预测与评估方法的可行性和可靠性,也 振后将试件的机械振动信号转化为模拟电信号,再经
为下一步使用国产材生产CLT提供可靠的技术参考。 信号放大、滤波、A/D转换等得到锯材试件的横向振动
频谱图。图2 为动态测试101 号铁杉锯材试件得到的
1  铁杉锯材力学性能的动态测试及质量分等 频谱图,并按频谱识别法得其横向振动的一阶弯曲频
率值f1。
1.1  铁杉锯材顺纹弹性模量的动态测试及其质量分等
图2 101 号铁杉锯材试件的测试频谱
1.1.1  材料与仪器设备 Fig.2 Specimen 101 test spectrum of hemlock sawn timber

1)材料:试材为加拿大西部铁杉(Western hemlock) 林产工业2017年第44卷第7期

锯材,共550 根。其规格尺寸为5 500 mm×140 mm×40 mm,

平均气干密度r为490 g/cm3,含水率为16%~19%。

2)仪器设备及其配套件:南京安正CRAS振动及

动态信号采集分析系统1 套,包括信号采集箱、信号

调 理 箱、配 套 分 析 软 件 等;CA-YD-125 加 速 度 传 感

器1 只,其灵敏度系数为0.089 pc/ms-2,质量1.5 g;CA-

YD-127 加速度传感器1 只,其灵敏度系数为3.2 pc/ ms-2,

质量38 g;橡胶锤1 把;自由梁悬挂装置;磅秤1 台(范围

为100 kg,精度为0.01 kg);钢卷尺1 把(0~10 m)。

1.1.2  测试原理和方法

根据梁的横向弯曲理论,自由梁的一阶弯曲频率

与弹性模量的关系式为:

E = 0.946 2 tl4 f12 (1)
h2

- 16 -

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1.1.3  铁杉锯材试件弹性模量的质量分等 l ——悬臂板试材悬臂长度,mm;
文中运用1 .1 .2 所述原理和方法,测试同一批次
h——悬臂板试材厚度,mm。
550 根铁杉锯材试件自由梁下的动态弹性模量值,绘
制其概率分布图,详见图3。根据图3 及实际需要,将 由悬臂矩形实心杆件扭转模态振动理论,其一阶
铁 杉 锯 材 试 件 的 弹 性 模 量 值 分 为 三 个 等 级 :小 于 扭转频率与剪切模量符合公式(3)[8]。
8 500 MPa,用于CLT垂直层;8 500~11 500 MPa,用于墙
板CLT平行层;大于11 500 MPa用于楼板CLT平行层。 G = tr2 l2 b2 f 2 - C2 El (3)
垂直层实测的550 根铁杉锯材的平均顺纹弹性模量 t
为10 680 .64 MPa,标准偏差为2 942 MPa,变异系数为
27 .5 %。其中,弹性模量小于8 000 MPa的锯材数量约 C1bh2
占总数的20 %。
式中:G——悬臂板试材动态剪切模量,Pa;

——悬臂板试材一阶扭转频率值,Hz;
l——悬臂板试材长度,mm;
b——悬臂板试材宽度,mm;
b ——矩形截面因子;

C1、C2——分别为悬臂板试材扭转振动的振型系数。

C1、C2 和b 与试件材料和试件尺寸有关。依据相
关理论,木材横纹试件悬臂板振动中,C1 和C2 与试件
尺寸的关系分别符合公式(4)、(5)和公式(6)。

C1 = 7.089 6 + 6.0212b/l - 0.5121h/b (4)

C2 = - 0.000 5 + 0.064 26b/l - 0.007 31h/b (5)

b = "1/16616/3 - 3.36h/b (1 - 1/12 (h/b)4@, (6)

图3 铁杉锯材试件弹性模量概率分布图 在悬臂板约束条件下,动态测得锯材试件的频谱,
Fig. 3 Probability distribution diagram of 并借助互功率谱识别法得出其频谱中的一阶弯曲频率
fb和一阶扭转频率ft。
elastic modulus of hemlock lumber
首先,利用悬臂梁夹持装置夹持铁杉横纹锯材试
1.2  铁杉锯材横纹弹性模量和剪切模量的动态测试 件的一端,其夹持深度为45 mm,实现试件的悬臂梁约
1.2.1  材料与仪器设备 束;连接悬臂板振动测试系统,如图4 所示,并将加速
度计牢固粘贴于铁杉锯材试件表面;然后进行软件参
1)材料:试材为1 .1 .1 所用的加拿大西部铁杉锯 数的设置,主要包括:分析频率为500 Hz,FFT长度为4 096,
材,共15 根。其规格尺寸为190 mm×(38.36~40.50)mm× 采集方式为负触发,电压范围±5 000 mV;参数设置完
(6 .05 ~9 .03)mm、平均气干密度r 为490 g/cm3、含水率 毕后,用橡皮锤敲击铁杉试件自由端一角,使其能够产
为16 %~ 19 %。 生扭转振动,加速度计拾振后将试件的机械振动信号
转化为模拟电信号,再经信号放大、滤波、A/D转换等
2)仪器设备及其配套件:南京安正CRAS振动及 得到铁杉锯材试件的横向振动频谱图,图5 为12 号锯
动态信号采集分析系统1 套,包括信号采集箱、信号调 材试件的频谱图;最后借助互功率谱识别法,从频谱图
理箱、配套分析软件等;CA-YD-125 加速度传感器1 中得出试件横向振动的一阶弯曲频率值fb和一阶扭转
只,其灵敏度系数为0.089 pc/ms-2,质量1.5g;CA-YD-127 频率值ft。
加速度传感器1 只,其灵敏度系数为3 .2 pc/ms-2,质量
38 g;橡胶锤1 把;悬臂梁夹持装置;磅秤1 台(范围为 将铁杉锯材相关参数代入公式(2)、(3),即得到
100 kg,精度为0.01 kg)、钢卷尺1 把(0~10 m)。
1.2.2  测试原理和方法

依据悬臂板弯曲振动理论,悬臂板一阶弯曲频率

与弹性模量符合公式(2)[7]。

El = 48r2 tl4fb2 (2)
^1.875h4 h2

式中:El ——悬臂板试材的横纹弹性模量,Pa; 图4 悬臂板下铁杉锯材剪切模量的动态测试框图
Fig. 4 Dynamic test block diagram of shear modulus of fir
——悬臂板试材一阶弯曲频率值,Hz;
lumber under cantilever plate

加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估——王韵璐  曹  瑜  王  正  高子震  王建和 - 17 -

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15 根铁杉锯材横纹试件的弹性模量值E'和剪切模量
G,其测试结果如表1 所示。

图5 12 号铁杉锯材横纹试件的测试频谱 2  CLT结构设计与性能预测和评估
Fig.5 Test spectrum of horizontal of hemlock sawn 2.1 CLT组坯方案与结构设计

timber specimens 12 从所分等锯材中随机挑选出制造6 块CLT板所用
的锯材,其中3 块作为楼板、3 块作为墙板,CLT为三
层结构,其成板尺寸为5 500 mm×1 200 mm×105 mm。
根据锯材规格和成板尺寸,每块CLT板需要18 根用于
平行层和9 根用于垂直层的成板锯材,其结构示意图
见图6。其中每块CLT所用锯材性能参数如表2 所示。

表1 悬臂板下铁杉锯材横纹试件的弹性模量和剪切模量测试结果
Tab.1 Test results of elastic modulus and shear modulus of horizontal specimens of hemlock lumber under cantilever boar

密度 一阶弯曲频率 弹性模量E'/ 一阶扭转频率 剪切模量G/
试件编号 悬臂长度l/mm 试件宽度b/mm) 试件厚度h/mm ρ/(kg·m-3) MPa f t/Hz MPa
f b/Hz 164.41
1 641.53 155.92 51.37
2 190 39.94 7.55 530.31 37.19 535.75 163.13 46.92
3 632.56 146.61 75.25
4 190 38.96 7.19 506.13 33.13 441.80 160.93 52.69
5 509.17 148.84 63.02
6 190 39.84 6.85 633.98 30.63 519.52 190.00 49.94
7 317.74 148.45 47.85
8 190 39.92 6.69 523.95 27.50 314.64 161.61 49.01
9 326.08 135.96 53.62
10 190 39.93 6.72 522.20 29.69 698.70 125.03 56.45
11 486.63 168.13 42.30
12 190 39.54 7.01 545.30 30.63 524.60 132.65 41.11
13 341.50 137.91 52.52
14 190 38.50 9.03 510.85 31.88 318.87 143.63 49.57
15 326.62 41.62
190 40.47 7.11 509.98 25.00 462.38 51.55
132.99 8.72
190 40.34 7.42 510.46 26.56
29 17
190 38.57 6.24 630.93 29.38

190 39.90 6.24 525.53 26.88

190 38.36 8.37 521.64 37.56

190 40.37 6.05 509.27 22.19

190 40.50 6.52 507.74 23.13

190 40.38 7.37 504.42 26.56

平均值

标准偏差

变异系数/%

表2 CLT所用锯材性能参数表
Tab.2 Table of performance parameters of sawn

timber used in CLT

CLT CLT 平行层 垂直层 平均密度/
(kg·m-3)
编号 类型 弹性模量/MPa 弹性模量/MPa

1 楼板 15 459 7 972 493

2 楼板 14 826 8 312 492

3 楼板 14 463 6 889 483

图6 CLT结构示意图 4 墙板 10 970 6 898 484
Fig. 6 Schematic diagram of CLT structure
5 墙板 10 916 8 070 475
- 18 -
6 墙板 10 633 9 210 498

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2.2  CLT弯曲性能的预测 htot——CLT总厚度,mm;

2.2.1  CLT有效弯曲刚度预测 m ——CLT单元层数。

在预测CLT有效弯曲刚度时,笔者采用的是伽马 通过上述公式计算得到系数k1 后,乘以各CLT单
法[8]。伽马法在计算CLT有效抗弯刚度时,将垂直层单 元铁杉锯材弹性模量平均值,即可得到CLT主强度方

元简化为连接上下两层平行层的界面,并且在实际计 向弹性模量预测值。

算时将横向剪切效应的影响考虑在内,更符合在实际 在计算过程中,长度、宽度和厚度等参数按照加拿

工程应用中CLT的受力条件。将CLT横向剪切效应考 大标准CAN/CSA-O122—06《胶合木结构》(第三版)

虑在内后,其有效弯曲刚度与单元锯材弹性模量的关 与美国标准ASTM D198 -15《结构尺寸锯材的静态试

系符合公式(6)。 验标准试验方法》中对CLT弯曲测试试件尺寸的要求

/^n + 1h/2 (6) 计算,以便与实际测量值进行对比。顺纹试件的弹性
模量值取表2 中平行层弹性模量的平均值;横纹试件
EIeff = ^Ei Ii + ci Ei Ai ai2h

i=1

式中:EIeff——CLT有效弯曲刚度预测值,N·mm2; 的弹性模量值E'则取表1 横纹弹性模量的平均值,其
计算结果见表3。
Ei——平行层铁杉规格材弹性模量,MPa;

Ii——CLT单层截面矩; 2.3  CLT制造与弯曲性能测试

Ai——CLT单层截面积,mm2; 2.3.1  CLT的制造

n——CLT单元层数; 依 据 加 拿 大FPInnovations公 司 主 持 编 写 的CLT手

ai——平行层厚度的一半与垂直层厚度的一半之和,即为单元 册第二章,采用常规CLT制造方法加工测试所用CLT试

厚度; 件,包括锯材的加工、锯材含水率的控制、锯材外观分

g i——横纹剪切模量的相关系数,其具体关系式符合公式(7)。 等、锯材应力分等、CLT各层基材的选择、刨削、横截、
施胶、组坯、冷压、裁边加工和包装入库等过程[9]。 其
ci = 1 hi (7) 中,CLT单元厚度控制为35 mm,定厚刨削后24 h内淋
GR $ 胶,以防木材表面钝化影响胶合质量。以单组份聚氨
1 + r2 $ Ei $ Ai $ b
l2

式中:l——CLT跨度,mm;

b ——CLT宽度,mm; 酯(PUR)作为胶黏剂,采用淋胶工艺,施胶量为180 g/m2。

hi——CLT单元厚度,mm; 从淋胶开始到冷压开始的开放时间控制在30 min以

GR——铁杉规格材横纹剪切模量,MPa。 内。冷压时的板面压力为1.2 MPa,测面压力为0.08 MPa,

将各CLT组坯单元锯材平均弹性模量和横纹剪切 冷压时间为90 min。

模量平均值代入公式(6)和公式(7),通过计算即可得 2.3.2  CLT弯曲性能测试

到CLT有效弯曲刚度预测值,如表3 所示。 1)材料:用作楼板、墙板的CLT试件各3 块,其尺

2.2.2  CLT抗弯弹性模量预测 寸为3 300 mm×300 mm×105 mm,每块CLT板材取

在预测计算CLT抗弯弹性模量值时,采用的是加拿 2 个试件,共12 块。试件含水率为16%~17%。

大CLT手册第三章中所述的K法[9]。K法在预测CLT抗弯 2)设备 :四点弯曲测试试验仪器:天辰30 t大跨度

弹性模量时,利用CLT组坯单元锯材弹性模量与CLT主 梁测试试验机;天辰载荷位移分析软件;300 mm位移

强度方向弹性模量的相关系数进行计算。其相关系数 引伸计1 个;L型钢1 个;10 m卷尺1 把等。

与组坯单元锯材弹性模量平均值的关系符合公式(8)。 3)测 试 原 理 和 方 法:CLT板 材 加 工 制 造 完 成 后,

k1 = 1 - c1 - E90 m # h3 - hm3 -4 + g ! h13 (8) 参照美国标准ASTM D198 -15 对CLT弯曲性能进行四
E0 m-2 h3 点弯曲法测试[10]。其方法为:测试时跨距取试件厚度

tot

式中:k1——CLT主强度方向弹性模量与CLT单元锯材弹性模量相 的30 倍,即3 150 mm。两加载点之间的距离为跨距的
1 /3,即1 050 mm,加载方向垂直于试件表面。测试时,
关系数;

k2——CLT次强度方向弹性模量与CLT单元锯材弹性模量相关 将位移引伸计垂直固定于试件跨度和厚度方向上的

系数; 中心位置,加载速度为4 mm/min[11]。测试后即可得到

E0——铁杉锯材顺纹弹性模量平均值,MPa; CLT弯曲试验的载荷-位移曲线,如图7 所示。

E90——铁杉锯材横纹弹性模量平均值,MPa; 测试完成后通过计算,得其CLT板材的弹性模量

加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估——王韵璐  曹  瑜  王  正  高子震  王建和 - 19 -

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图7 CLT四点弯曲测试载荷位移曲线图 图8 铁杉CLT弹性模量预测值与实测值对比分析图
Fig.7 CLT four-point bending test load Fig.8 Comparative analysis of predicted
and measured values of elastic
displacement diagram modulus of hemlock CLT

值。文中最终结果取两次测试的平均值。 值与实测值具有较强的相关性。
2.4  测试结果对比与分析 2)通过测试与分析表明,运用横向振动法与K方法

CLT板 材 有 效 弯 曲 刚 度 及 弹 性 模 量 的 预 测 值 和 计算模型预测CLT弯曲性能的方法具有一定的准确性和
实测值如表3 所示。用于楼板CLT的有效弯曲刚度平 可行性,可以用于CLT制造前的质量控制和性能预测。
均 值 为1 003 .3 ×109 N·mm2,达 到 加 拿 大ANSI APA
PRG 320—2012《正 交 胶 合 木 性 能 评 定 标 准》标 准E 2 3)运用加拿大铁杉锯材制成CLT板材部件,其弯
等 级 所 要 求 的958 ×109 N·mm2。 用 于 墙 板CLT的 有 曲性能达到CLT楼板、墙板等工程用的等级要求,加拿
效 弯 曲 刚 度 平 均 值 为879 .5 ×109 N·mm2,达 到 加 拿 大铁杉锯材可以用于CLT的加工制造。
大ANSI APA PRG320—2012 标 准E2 等 级 所 要 求 的
772 ×109 N·mm2[12]。对表3 中数据进行对比分析,得 参考文献
到如图8 所示的 对 比 分 析 图。 由 图8 可 知,CLT弯 曲
弹性模量的预测值与其实测值之间的决定系数达到 [1] 曹瑜, 王韵璐, 王正, 等. 国外正交胶合木(CLT)建筑技术的发展
0 .887,具有较强的相关性,其预测值与实测值之间误 与展望[J]. 林产工业, 2016, 13(12):3-7.
差均在10 %以内。考虑到CLT板材的各项异性特点,
笔者认为,CLT的预测值对CLT的质量控制具有可靠的 [2] 王志强, 付红梅, 那斌, 等. 不同树种木材复合交错层压胶合木的力
指导价值。 学性能[J]. 中南林业科技大学学报, 2014, 34(12):141-145.

表3 CLT板材试件的弹性模量预测值与实测值一览表 [3] 阙泽利, 李哲瑞, 姜桂超, 等. 交叉层积材(CLT)的开发应用及发展
Tab.3 Table of predicted and measured 前景[J]. 木材工业, 2015, 29(6):22-26.
values of elastic modulus of CLT sheet
[4] 尹 婷 婷 . C L T 板 及 C L T 木 结 构 体 系 的 研 究 [ J ] . 建 筑 施 工 , 2 0 1 5 ,
CLT CLT 有效弯曲刚度/ 预测值/ 实测值/ 37(6):758-760.
编号 板材类型 109 N·mm2 MPa MPa
[5] 傅梅珍. CLT桥面板受力性能试验研究[D]. 西安:长安大学, 2012.
1 楼板 1 039.7 12 681.98 13 243.9 [6] 王正, 顾玲玲, 高子震, 等. SPF规格材弹性模量的动态测试及其概
2 楼板 1 000.1 12 119.00 11 246.68
3 楼板 970.0 11 696.40 10 930.24 率分布[J]. 林业科学, 2015, 51(2):105-111.
4 墙板 888.8 10 777.95 10 648.22 [7] 高子震, 王正, 张鲜, 等. 西加云杉木材音板剪切模量的频率法测试
5 墙板 884.9 10 157.09 10 010.09
6 墙板 864.8 9 900.28 11 793.1 分析[J]. 林产工业, 2016, 43(2): 23-26.
941.38 11 222.12 11 312.04 [8] WANG Z H, WANG Y L, CAO Y, et al.Testing Shear Modulus of Materials
平均值
Based on Torsional Mode of Cantilever Plate [J]. Construction &
3  结论 Building Materials, 2016, 124(10):1059-1071.
1) 对比分析结果表明,CLT抗弯弹性模量的预测 [9] Sylvain Ggnon, E. M. Ted Bilek, Lisa Podsto, et al. CLT Handbook:
cross-laminated timber[M]. Vancouve: FPInnovation, 2012.
- 20 - [10] ASTM D 198-15  Standard Test Methods of Static Tests of Lumber

in Structural Sizes [S]. West Conshohocken:the ASTM Committee on
Standards, 2015.
[11] Sikora K S, McPolin D O, Harte A M. Effects of the thickness of cross-
laminated timber (CLT) panels made from Irish Sitka spruce on mechanical
performance in bending and shear[J]. Construction and Building Materials,
2016, 116:141-150.
[12] ANSI/APA PRG 320-2012  Standard for performance-rated cross-
laminated timber [S] .Tacoma, Washington, U.S.A. 2012.

(责任编辑  张国萍)

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竹丝装饰材的湿缓冲特性研究∗

李  晖  刘  嵘  陈美玲  吕黄飞  费本华

摘要:  对未处理和经过阻燃处理、防霉阻燃处理的三种竹丝装饰材在高湿地区吸-放湿循环周期内质量的变化规律和
湿缓冲值(MBV)进行了研究;利用环境扫描电镜(ESEM)和X-射线衍射仪(XRD)对竹丝装饰材料在磷酸脒基脲阻燃剂处
理前后的微观形貌和相对结晶度进行了表征;并以实例量化三种竹丝装饰材料对室内环境的吸-放湿变化量。研究结果
表明:三种竹丝装饰材均具有一定的湿缓冲性能,在吸湿-放湿循环周期内质量变化呈周期性阶梯状上升趋势,各处理组
间湿缓冲性能表现为阻燃处理组(NP)>未处理组(C)>防霉阻燃处理组(NP4),同组表现为近青层竹丝装饰材(OB)>
近黄层竹丝装饰材(IB),吸放湿周期内遵循MBV吸湿>MBV放湿的规律,其中阻燃处理近青层竹丝装饰材(OB)湿度调节能
力最佳;通过ESEM和XRD分析发现:磷酸脒基脲在薄壁细胞中有较好的沉积,但对吸湿-放湿中的水分流动不造成影响,
阻燃处理后竹丝装饰材的纤维素相对结晶度略有降低。
关键词:  竹丝装饰材;湿缓冲值;磷酸脒基脲;防霉阻燃处理
中图分类号:TS653;S795    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07 -0021-06
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707005

Research on the Moisture Buffering Properties of Decorative Bamboo Filament

LI Hui1,2  LIU Rong1  CHEN Mei-ling1  LV Huang-fei1  FEI Ben-hua1
(1.International Center for Bamboo and Rattan, Beijing  100102, China
2. Hubei Academy of Forestry, Wuhan  430075, China)

Abstract:  Research was carried on to evaluate the quality change rule and Moisture Buffering Value(MBV)
within moisture absorption and releasing cycle period in high humidity environment for three kinds of decorative
bamboo filament(untreated, fire retardant treatment and anti-mold fire retardant treatment). The environment
scanning electron microscopy (ESEM)and X- ray diffraction (XRD) were used as characterization methods to
research microtopography and relative crystallinity before and after fire retarding treatment with guanylurea
phosphate. Results showed that three kinds of decorative bamboo filaments all had the ability of humidity control,
the quality change appeared step-like rising trend, furthermore, the order of moisture buffering performance for
different treatment group respectively was NP>C>NP4,OB>IB in the same treatment and MBVabsorption>MBVrelease
in the test cycle, the humidity adjustment of OB was the best. The XRD and SEM respectively indicated that
guanylurea phosphate had better sedimentary in parenchymal cell, but had no effect on moisture flow during
moisture absorption and releasing, decorative bamboo filament had a slight decrease of relative crystallinity after
flame retardant treatment.
Key words:  Decorative bamboo filament; Moisture Buffering Value; Guanylurea phosphate; Anti-mold fire
retardant treatment

*基金项目:十三五“ 竹资源全产业链增值增效技术集成与示范”项目 竹材是一种多孔隙的纤维及树脂自然胶结物,主
(2016YFD0600900)的部分内容 要成分为纤维素、半纤维素和木质素,其分子链上的
李  晖,助理研究员/博士研究生,国际竹藤中心/湖北林业科学研究院 游离羟基使竹材具有很多能与水结合的亲和点,在大
费本华(通讯作者),研究员/博士生导师,国际竹藤中心, 气中容易吸水和蒸发水分,具有良好的环境调湿性[1]。
E-mail:feibenhua@icbr.ac.cn
修回日期:2017-05-22

竹丝装饰材的湿缓冲特性研究——李  晖  刘  嵘  陈美玲  吕黄飞  费本华 - 21 -

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虽然以竹材为基材的装饰材料都具备吸湿解吸的功 持续加压,在压力为0.5~1.2 MPa下浸渍处理60 h。
能,但由于加工工艺的不同,调湿效果大不相同。与薄 表面防霉处理竹丝装饰材:对阻燃改性竹丝装饰
竹贴面材料、竹家具材、竹地板材等胶合类产品比较,
竹丝装饰材料的调湿功能更胜一筹,主要原因在于上 材表面进行有机碘化物(IPBC)硅丙乳液涂饰,涂饰量
述产品是经过热压胶合而成,在热压过程中竹材单元 为100~150 g/m2。
受到压力,原有的垂直纤维长度方向的微观结构遭到
破坏。此外,在板坯压实过程中,胶黏剂加速流动,较均 磷酸脒基脲阻燃剂:液体试剂质量分数为25 %,由
匀地扩散渗透到板材的缝隙中去[2],堵塞了竹材的水分 北京盛大华源科技有限公司提供。
疏导组织,从而限制产品与室内环境中水分的交换。 1.2  主要仪器设备
而竹丝装饰材制造过程避免了胶黏剂等树脂、有机物
的加入,可保持竹材原生特性具有良好的吸湿解吸能 恒 温 恒 湿 箱(上 海 一 恒LHS-HC-I型),电 子 天 平,
力,这种“被动调节能力”可提高室内环境舒适度和安 饱 和 盐 溶 液 干 燥 器,FEI环 境 扫 描 电 镜(美 国FEG-
全性。 XL30),X-射线衍射仪(美国X’Pertpro 30X)
1.3  试验方法
竹、木装饰材料的环境学特性研究,多集中在视
觉、触觉以及心理感知上[3-5],虽然有学者对吸湿性能 研究采用NORDTEST法测定湿缓冲值[13 -14 ]。将未
(调湿性能)进行研究[6-8],但其主要评价指标通常是 处理竹丝装饰材料(C)以及阻燃处理(NP)、防霉涂
材料吸放湿的快慢、吸放湿量的大小[9 -12 ],这些在平衡 饰后的改性材(NP4)分为3 组(见表1),每组 10 个试
状态下的吸湿、解吸所测得的物理量在工程中的实际 件。为考察竹丝装饰材在我国长江中上游地区高湿
应用已经不能满足能耗计算或者节能设计的要求。因 环境下的湿缓冲特性,对武汉地区的3 处办公场所(非
此,需要在周期性变化的动态过程中了解材料的吸放 中央空调模式)进行了为期3 个月的湿度变化调研,
湿能力,即湿缓冲特性。 基本确定7—9 月武汉地区室内相对湿度变化区间为
60 %~85 %,基于以上区间,对NORDTEST法的湿度区
笔者以未处理和经过阻燃处理、防霉阻燃处理的 域进行了相应调整,使之接近真实状况。
三种竹丝装饰材为研究对象,通过NORDTEST实验对
其湿缓冲值进行测定,并结合长江中上游地区夏季湿 表1 试验材料列表
度变化规律对测试区间进行调整,确定竹丝装饰材料 Tab.1 The list of test materials
在高湿环境下的湿缓冲值,探讨了该类材料在室内环
境评价中的实际应用价值。研究结果将填补竹丝装饰 未处理竹丝装饰材 阻燃处理材 防霉涂饰的处理材
材湿缓冲性能的空白,测试结果可直接应用于室内节
能设计和评估,以量化的方式证明了竹丝装饰材所具 C-OB NP-OB NP4-OB
备的调湿性能,对竹丝类系列产品的推广应用具有重
大意义。 C-IB NP-IB NP4-IB

1  材料与方法 试 件 的 尺 寸 均 为100 mm×100 mm×2 mm。 试
1.1  试验材料 验采用干燥器法,以装有饱和盐溶液的干燥器为基本
设置,通过氯化镁(MgCl2 )、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)
竹丝装饰材:原料为采自浙江安吉的6 年生毛竹 和溴化钠(NaBr)饱和溶液调节干燥器相对湿度分别为
[phyllostachys edulis (carr.)J.Houz]。去竹青去竹黄后加 33 %、75 %、85 %和60 %[15 ]。
工成宽度为5 mm的竹丝,再横向编织制成竹丝装饰材
料,其中将近青面的竹丝装饰材标记为OB,近黄面的 竹丝装饰材试样需要在相对湿度为(50 ±5)%、
则标记为IB。 温度(23 ±0 .5)℃的条件下进行调制处理,直到连续
72 h内试样的质量保持恒定为止,确保试样在同一含
阻燃处理竹丝装饰材:采用满细胞法对以上材料 水率水平。试验以24 h为1 个周期,分为吸湿和放湿2
进行磷酸脒基脲阻燃剂的加压浸注,在抽真空加入阻 个阶段,其中8 h的吸湿阶段和16 h的放湿阶段组成一
燃剂后在负压0 .04 MPa条件下浸渍24 h,卸载完成后 个完整的材料吸放湿周期。该试验进行4 个重复周期
得到多个连续周期内竹丝装饰材的质量变化量-时间
- 22 - (m-t)曲线。
1.4  评价指标及计算公式
1.4.1  湿缓冲值

湿缓冲值(MBV)主要描述材料在相对湿度变化

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过程中的动态吸放湿能力,为动态参数,需要在吸湿-

放湿(解吸)循环过程中测试。根据NORDTEST实验

结果计算得到的湿缓冲值 [g / ( m2·% RH)],其计算公

式为:

MBV实际值= Dm (1)
SDRH

式中:Δm——材料在吸湿/放湿区间内的质量变化量,g;

S——材料表面积,m2;

ΔRH——相对湿度变化量,%。

1.4.2  结晶度测定
将竹粉样品放到样品架上,用θ/2 θ 联动扫描。主要

扫描参数如下:X光管为铜靶,用镍片消除CuKa辐射,
管电压为40 kV,管电流40 mA,扫描速度为0.083 731°/s,
样 品 扫 描 范 围5 °~ 80 °,根 据 衍 射 图 谱 强 度,采 用Segal
法计算相对结晶度(Cr, %)[16],公式为:

Cr = I002 - Iam # 100% (2)
I002

式中:I002——(002)晶格衍射强度在2θ=22°的极大峰值; 图1 高湿环境下4 个周期内材料的质量变化曲线
Fig.1 Curves of mass change in four periods in
Iam——2 θ= 18°时的非结晶背景散射强度。
high humidity environment
1.4.3  微观形貌观察
在竹丝的中部选取横切面和纵切面试样,切片后 逸 出 量 增 加,宏 观 上 就 表 现 为 吸 湿 速 度 的 减 慢[17 -18 ]。

对试样进行喷金处理。通过环境扫描电镜(ESEM),对
阻燃处理前后试样进行微观形貌观察,分析阻燃剂在

竹丝(IB、OB)中的浸注情况。 在OB组和IB组中各试样吸湿过程质量变化(Δm1)表
现 为Δm1 NP>Δm1 C>Δm1 NP4。 磷 酸 脒 基 脲 的 分 子 结 构
2  结果与分析 中脒基上的氮原子是离域体系的一部分, 脒基阳离子
2.1  湿缓冲周期内变化规律及测定结果
2.1.1  循环周期内质量变化规律 的电荷分散,并且离子半径远较无机铰离子大,因此电

荷密度低, 对水分子的静电引力低,水化作用弱,因此

三种竹丝装饰材在相对湿度区间60 %~85 %内的 其吸湿性能并不强[19]。但吸湿过程中,竹丝装饰材和
质量-时间(m-t)变化曲线如图1。 阻燃剂同时吸收空气中的水分,因此NP组所表现出来
的湿缓冲性能是竹丝与磷酸脒基脲阻燃剂的叠加效
从图1 中可以看出,在4 个稳定周期内竹丝装饰 果,使得NP组的Δm1 略高于C组。虽然竹青部位的竹
材在吸湿-放湿中质量随着时间变化关系:未处理竹 肉(OB)的空隙率小于竹黄部位的竹肉(IB)[20] ,但该
丝装饰材(C-OB、C-IB)、阻燃处理竹丝装饰材(NP-

OB、NP-IB)和防霉阻燃处理的竹丝装饰材(NP 4 -OB、 研究中表现出Δm1 OB>Δm1 IB,这说明衡量吸湿能力不
NP4 -IB)试验周期内的质量变化呈周期性循环,所有 能只靠空隙率这个单一指标,水分子在材料中的流通
组的质量吸放湿循环呈阶梯状上升趋势;在8 h的吸湿
过程曲线斜率逐渐变小,这说明了吸湿开始时的速率 和渗透速度才是影响吸湿进行的重要参数。OB主要
最大,随着吸湿时间的延长竹丝装饰材的吸湿速率逐
渐减慢,这是由于吸湿开始阶段竹丝装饰材的表面能 结构为维管束组织,其纵向输导组织导管以及横向输
高于吸湿后,此期间在竹丝装饰材表面主要发生单分
子吸附,而随着吸湿时间的增加,水分子从竹丝中脱附 导组织纹孔是水分子吸湿渗透的重要通道,在IB中输
速度也略微增大,水分子的吸附量缓慢减少的情况下,
导组织缺乏,薄壁细胞较多,因此其水分吸收能力略差

于OB。在放湿过程中质量变化(Δm2)基本保持一致
规律,其中同一周期(24 h)内Δm1>Δm2,吸湿量略高
于放湿量。

竹丝装饰材的湿缓冲特性研究——李  晖  刘  嵘  陈美玲  吕黄飞  费本华 - 23 -

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2.1.2  湿缓冲值测定结果 材在高湿区间下的湿缓冲值及其对应的不确定度,如
通过质量变化和湿度变化值计算出各组竹丝装饰 表2 所示。

表2 高湿环境下4 个吸-放湿周期内材料的湿缓冲值
Tab.2 MBV of materials in four stable periods in high humidity environment

试材 湿缓冲值(MBV)/ [g·( m2·%RH )-1] 不确定度评定

周期1 周期2 周期3 周期4 平均值 U E/%
0.53 0.47
C-OB 吸湿 0.40 0.46 0.46 0.45 0.39 0.47±0.07 2
C-IB 放湿 0.44 0.40
NP-OB 吸湿 0.38 0.39 0.40 0.36 0.35 0.39±0.005 1
NP-IB 放湿 0.57 0.53
NP4-OB 吸湿 0.52 0.40 0.37 0.38 0.49 0.40±0.007 2
NP4-IB 放湿 0.46 0.43
吸湿 0.42 0.36 0.34 0.33 0.42 0.35±0.005 1
放湿 0.35 0.31
吸湿 0.25 0.55 0.51 0.48 0.27 0.53±0.08 2
放湿 0.25 0.20
吸湿 0.19 0.51 0.49 0.45 0.19 0.49±0.07 1
放湿
0.44 0.42 0.40 0.43±0.005 1

0.45 0.40 0.39 0.42±0.005 1

0.30 0.29 0.30 0.31±0.005 2

0.27 0.27 0.29 0.27±0.004 1

0.21 0.19 0.19 0.20±0.004 2

0.19 0.17 0.19 0.19±0.002 1

由表2 可以看出,采用NORDTEST法评定各组的 图2 环境扫描电镜下竹丝装饰材阻燃前后的微观形貌
湿 缓 冲 性 能 为:NP组>C组>NP4 组;MBV吸湿>MBV放湿, Fig.2 Microstructure of decorative bamboo before and
且经过不确定度评定可知湿缓冲值的不确定度较小, after fire retardant treatments in environment scanning
试验误差对结果影响较小,可信赖程度高。防霉阻燃
处理组在竹丝装饰材表面进行了有机碘化物硅丙乳液 electron microscope
的 防 霉 涂 饰 ,在 试 样 表 面 形 成 一 层 致 密 的 聚 合 物 薄
膜[21-24],对水分的渗透及交换起到了一定的限制作用, 2.3  阻燃改性后结晶度的变化
因此NP4 组所表现出来的湿缓冲效果最差,而NP组湿 利用X-射线衍射法对未阻燃竹丝装饰材(C)和
缓冲性略大于C组主要是由阻燃处理引起的。
2.2  竹丝装饰材料阻燃前后微观形貌分析 磷酸脒基脲处理竹丝竹丝装饰材(NP)进行内部结构
检测,其扫描曲线见图3 所示。根据X射线的衍射图计
鉴于防霉阻燃处理竹丝装饰材的湿缓冲性能有 算出未阻燃与阻燃处理竹丝装饰材的相对结晶度分
限,其水分的吸附和释放多数来源于竹丝端部未涂饰 别 为:CrC-OB为54 .9 %,CrC-IB为47 .7 %,CrNP-OB为49 .8 %,
的横断面,在此对其表面不做深入探讨。利用环境扫 CrNP-IB为39 .8 %。阻燃处理后,竹丝纤维素的相对结晶
描电镜(ESEM)对阻燃前后的竹丝装饰材细胞微观形 度有小幅度下降,这说明阻燃剂反复浸渍,有可能改变
貌进行观察分析,得到图2 未阻燃竹丝装饰材和磷酸 了纤维素非结晶区的结构,使非结晶区无定形,通常
脒基脲处理竹丝装饰材的电镜图。由于竹丝装饰材
料加工过程中使用过氧化氢进行热漂,因此薄壁细胞 林产工业2017年第44卷第7期
中未见淀粉颗粒,SEM图片中未阻燃竹丝装饰材中薄
壁细胞腔中无填充物质(图2 a),导管的纹孔边缘清晰
(图2 b);经过阻燃处理后,竹材的薄壁细胞腔中虽被
阻燃剂结晶颗粒填充(图2 c),但导管壁附有阻燃剂沉
积的(图2 d)纹孔仍然显示为通畅状态,这种形貌充分
说明了阻燃剂在竹丝装饰材的细胞腔中有一定的沉
积,但并未对细胞内部水分的交换与移动造成影响。

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情况下,竹丝装饰材的吸湿性会随着纤维素无定形区 从上表可以看出,无辅助调湿的情况下,竹丝装
(非结晶区)的增加而增加,因此阻燃后的竹丝装饰材 饰材料对室内湿度调节具有一定作用,将其大面积应
吸湿能力高于未阻燃处理材是由竹丝装饰材内部无定 用于建筑物内表面,有调节室内环境湿度的效果。
形区和阻燃剂共同吸湿造成的。
4  结论
图3 竹丝装饰材阻燃处理前后的XRD曲线图 1)三种竹丝装饰材对室内湿环境可起到调节缓
Fig. 3 XRD curves of decorative bamboo filament
冲作用,在吸湿-放湿循环周期内质量变化呈周期性
before and after fire retardant treatments 阶梯状上升趋势,各处理组间湿缓冲性能表现为阻燃
处理组(NP)>未处理组(C)>防霉阻燃处理组(NP4),
3  竹丝装饰材料湿缓冲值对室内湿度的影响 同组内表现为近青层竹丝装饰材(OB)>近黄层竹丝
墙面是目前房屋结构中面积所占比例最大的组成 装饰材(IB),吸放湿周期内表现为MBV吸湿>MBV放湿。

部分,除去门窗的设计实际墙体和天花板的面积甚至 2)利用环境扫描电镜和X射线衍射发现:磷酸脒
可以达到房间墙体总面积的50 %以上,以竹丝装饰材 基脲在薄壁细胞中有较好的沉积,但对吸湿-放湿中
料作为内墙和天花板的装饰材料不仅可以达到美观立 的水分流动不造成影响;阻燃处理后竹丝装饰材的纤
体的装饰效果,更能够依靠竹丝装饰材的湿缓冲特性 维素相对结晶度略有降低,阻燃处理材纤维素吸湿能
进行室内湿度调节,达到被动调湿节能降耗的目的。 力略有增加,由于竹丝装饰材内部无定形区和阻燃剂
共同作用而表现出湿缓冲性能增强。
在面积为20 m2 的房间中四周被墙体包裹,按照墙
体和天花板的表面积总和为60 m2 计算,在不考虑室内 3)通过实例分析得出,高湿地区前述竹丝装饰材料
通风和墙体吸湿的前提下,假设室内湿源所释放的水 吸放湿量排序为:NPOB>COB>NPIB>CIB>NP 4 OB>NP 4 IB,竹
蒸气都被竹丝装饰材料所吸收,按照公式(1)计算竹 丝装饰材料NPOB具有最佳的湿缓冲性能。
丝装饰材料在该房间内的吸(放)湿量[25-26]。
参考文献
根据高湿区间测得的湿缓冲值为评价指标进行计
算可得出各竹丝装饰材料在8 h和16 h内的吸放湿量见 [1] 孙照斌, 田芸, 曲保雪. 龙竹竹材吸湿膨胀特性研究[J]. 林业机械与
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(下转第34 页)

竹丝装饰材的湿缓冲特性研究——李  晖  刘  嵘  陈美玲  吕黄飞  费本华 - 25 -

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响应面优化生物质玉米秸秆催化液化工艺研究∗

李学琴  雷廷宙  李翔宇  时君友  王志伟  关  倩

摘要:  以获取高得率的生物质液化油为目的,利用生物质玉米秸秆为原料,液化时间、液化温度、催化剂的量为影响因
素设计Box-Behnken试验,得到试验因素之间的定量数学模型和交互作用对玉米秸秆液化率的影响,采用响应面法确定
玉米秸秆催化液化的最佳工艺条件。结果表明,试验数据建立的二次多项式数学模型显著性极高(P<0.000 1),相关系数
R2=0.953 8,预测值与试验值具有很好的拟合度。当液化时间为63.66 min、液化温度为162.43 ℃和催化剂的量为4.02 %时
为最佳的催化液化条件;在该工艺条件下,玉米秸秆的液化率为98.88 %,预测值为98.87 %,二者相差0.01%;由此得出响
应面法优化玉米秸秆催化液化工艺参数更加精准可靠,具有一定的参考价值。
关键词:  生物质;玉米秸秆;响应面法;催化液化
中图分类号:TK6    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0026-05
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707006

Research on Biomass Corn Stalk of Catalytic Liquefaction Process by Response
Surface Methodology

LI Xue-qin1,2,3  LEI Ting-zhou3,4  LI Xiang-yu2  SHI Jun-you2  WANG Zhi-wei1,3  GUAN Qian1,3
(1. Energy Research Institute Co., Ltd., Henan Academy of Science, Zhengzhou  450008, China

2. Wood Material Science and Engineering Key Laboratory, Beihua University, Jilin Province, Jilin  132013, China
3. Key Biomass Energy Lab of Henan Province, Zhengzhou  450008, China
4. Henan Academy of Science, Zhengzhou  450008, China )

Abstract:  In order to get high yield of biomass liquefaction oil, using corn straw as raw material, liquefied
duration(LD), liquefaction temperature(LT) and catalyst dosage(CD) as influence factors for design Box-behnken
experiment, the quantitative mathematical model of experimental factors and interaction of between factors effect
on the liquefaction of corn stalk rate were got, response surface method(RSM) was used to determine the optimum
process conditions. The result shows that it was highly significant(P<0.000 1)that the quadratic regression mathematics
model established according to experimental data, which the coefficient of correlation is R2=0.953 8. The degree
of fitting is provided with between the predicted value and the experimental value. When the LD is 63.66 min,
the LT is 162.43 ℃ and the CD is 4.02% for the best catalytic liquefaction conditions; Under the condition of the
process, the liquefaction rate of corn straw is 98.88%, while the predictive value is 98.87%, which the relative
deviation between them is 0.01%; Therefore, it is concluded that the optimization of the process parameters of
corn stalk catalytic liquefaction by the RSM is more precise and reliable, and has a certain reference value.
Key words:  Biomass; Corn straw; Response surface method; Catalytic liquefaction

*基金项目:国家林业局948项目(批准号:2014-04-28);国家自然科学 随着社会的进步和化石资源的日趋枯竭[1],人们
基金项目(批准号:21376241);国家林业公益性行业科研重大专项(批准 对能源的需求量越来越大,所以能源短缺问题成为人
号:201504502);河南省科技攻关计划项目(172102410030)资助 们关注的焦点[2]。我国拥有丰富的生物质能资源,可
李学琴,硕士,河南省科学院能源研究所有限公司/吉林省木质材料科 供开发利用的主要包括农作物秸秆,禽畜粪便,工业有
学与工程省重点实验室(北华大学)/河南省生物质能源重点实验室 机废弃物和城市固体有机垃圾等[3];其中农作物秸秆
李翔宇(通讯作者),教授,吉林省木质材料科学与工程省重点实验室(北 产量可达到6 .2 亿 t/a[4],所以,生物质能成为新能源产
华大学),E-mail:lxq88889@126.com
收稿日期:2016-11-24 林产工业2017年第44卷第7期

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业的中流砥柱[5]。与传统生物质秸秆资源利用方法相 洗至中性→80 ℃恒温干燥→玉米秸秆基前驱体→加

比,其新的有效利用方法也正在开辟[6-9]。目前,生物 磁性Fe3O4 颗粒→1 mol/L H2SO4 溶液浸泡24 h→烘干→
质转化利用技术主要有:热解技术[10 ]、气化技术[11 ]、固 马弗炉高温煅烧3 h→玉米秸秆基磁性固体酸催化剂。

化 成 型 技 术[12 ]、与 煤 混 燃 发 电 技 术[13 ]、液 化 技 术[14 ,15 ]。 2)液化剂的制备:根据文献[26]按体积比1∶1∶1 将

从国内外液化技术研究可知,首先以苯酚作溶剂、浓硫 乙二醇、聚乙二醇和丙三醇混合均匀,作为液化剂。

酸 作 催 化 剂 液 化 木 材[16 ];如:Lee等[17 ]研 究 了 对 玉 米 麸 3)液化方法:将提前粉碎、晾干的玉米秸秆放入

和各种废纸的液化[18];谌凡更等[19]研究了以水、醇等作 具有搅拌、冷凝、回流管和温度计的三口瓶中,加入液

溶剂液化麦草;山西大学也对秸秆纤维的催化液化进 化剂和催化剂,混合均匀后,连同三口瓶一起放入恒温

行了初步研究[20];梁凌云[21]以浓硫酸作催化剂,EC作 油浴锅中进行液化反应,通过调节液化时间、液化温度

为液化剂,研究了玉米秸秆等生物质的液化条件。但 以及催化剂的量,使玉米秸秆液化完全,待液化反应结

是,这些研究都是基于通过对液化方法、液化剂选择和 束,冷却,过滤,干燥得到液化产物。

液化条件的不断调整进行液化;另外,选用不同的液化 4)液化率的计算:称取2 g液化产物溶于20 mL体

剂比例进行液化。以上液化技术虽然可以显示出每次 积比为8∶2 的二氧杂环己烷-水中,于80 ℃水浴锅中保

试验的具体条件和最优结果,但是不能很地直观的表 温20 min,并不断搅拌。混合液体过滤,并反复冲洗至

达出各种因素对试验数据的影响。 滤液无色。将残渣连同滤纸放入烘箱中于105 ℃烘4 h,

响应面法是一种建立预测模型,进行方差分析、模 质量恒定后,测残渣量。液化率为:

型诊断并对模型适应性、模型和系数显著性、失拟项进 Y = c1 - Me m # 100% (1)
行检验,从而给出直观等高线图和三维立体图,并考 Ma

察影响因素之间交互作用的方法[22]。在2015 年,蒋军 式中:Y ——液化率,%;
等[23]阐述了响应曲面法在刨花板制造中的应用,通过
一系列确定性的“试验数据”寻求一种最佳试验条件。 Ma——原料质量,g;
笔者通过利用响应面法[24]对响应因素进行优化,通过 Me——残渣质量,g。

1.2.3  响应面试验设计

立体曲面图表达玉米秸秆液化率与各因素之间的响应 表1 响应面分析因素与水平
关系,确定玉米秸秆液化最佳试验条件,形成一种生物 Tab.1 Factors and levels of response surface analysis
质液化方法。
水平 液化温度A/℃ 因素 催化剂量C/%
1  材料与方法 150 液化时间B/min 1
1.1  材料、试剂及设备 1 160 3
2 170 50 5
玉米秸秆取自市郊;乙二醇、聚乙二醇和丙三醇 3 60
均 为 分 析 纯;主 要 设 备:6202 型 高 速 粉 碎 机、DHG- 70
9075 A型干燥箱、JT 502 N型电子天平、BTF- 1200 C-S型
真空管式炭化炉、HH-S型数显恒温油浴锅、HH-1 型 2  结果与分析
2.1  玉米秸秆的成分分析

由表2 可以看出,烟煤的灰分含量与挥发分分别

数显恒温水浴锅、SX-4-10 箱式马弗炉。 为20 . 11 %和28 . 43 %,而生物质玉米秸秆的灰分含量与

1.2  试验方法 挥发分分别为4 . 99 %和50 . 17 %,可见,生物质玉米秸秆
1.2.1  玉米秸秆的成分测定 具有低灰分和高挥发分的优点,是热解和气化的理想

利用GYFX-610 型自动工业分析仪测定玉米秸秆 原料。生物质玉米秸秆的热值为17 .02 MJ/kg,烟煤的

的水分、灰分、挥发分;利用0R2012 型全自动快速量热 热值达34.17 MJ/kg, 远远高于生物质的热值,这主要是

仪测定玉米秸秆的热值。 由于C—O 键和C—H 键含的能量比C—C 键含的能量

1.2.2  玉米秸秆的液化 低,因此,生物质的热值比较低。与煤相比,生物质中

1)催化剂的制备[25]:玉米秸秆→干燥→粉碎→管 含有较低的N、S 含量,燃烧后产生的污染远远小于烟

式炭化炉(氮气保护)→黑色固体→恒温油浴→冷却 煤,说明玉米秸秆是一种低污染高热量的可再生能源,

→加去离子水→静置→液固分离→过滤→沸水反复冲 这对生物质能量利用以及对环境的贡献尤为重要。

响应面优化生物质玉米秸秆催化液化工艺研究——李学琴  雷廷宙  李翔宇  时君友  王志伟  关  倩 - 27 -

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表2 玉米秸秆的成分分析结果 达到极其显著水平,液化时间B2(P=0 .032 7 <0 .05)达
Tab.2 Analysis of the composition of corn straw 到显著水平,催化剂的量(P=0 .001 7 <0 .01)达到极其
显著水平。在交互项中,液化温度与液化时间的交互
原料 水分/ 灰分/ 挥发分/% 固定碳/ 热值/ 项AB(P=0 .010 7 <0 .05)达到显著水平;液化时间与
% 催化剂的量的交互项BC(P =0.021 3<0.05)达到显著
% % (MJ·kg-1) 水平。而液化时间B(P =0.558 4)、液化温度与催化剂
的量的交互项AC(P =0.261 3)对玉米秸秆液化率Y的
玉米秸秆 8.26 4.99 50.17 27.05 17.02 影响不显著(P>0 .05)。由此可推出,三个因素影响的
49.28 34.17 主次顺序为C > A > B。
烟煤 2.85 20.11 28.43

原料 C H 元素分析/% O
41.68 6.28 NS 42.66
玉米秸秆 63.88 3.99 0.96 0.26 10.18
烟煤 1.15 0.98

2.2  响应面试验结果 表4 回归方程方差分析
采用Design-Expert 8.0.6 软件分析,建立响应面模 Tab.4 Analysis of variance (ANOVA) for

型得到试验设计和时间结果见表3。共有17 组试验, regression equation
其中12 组为分析试验,5 组为中心试验,用于试验误
差的评估。 变异来源 均方和 自由度 均方 F值 P>F 显著性
模型 489.84 9 54.43 16.05 0.000 7 ***
表3 响应面分析的试验设计和试验结果 A 32.81 1 32.81 9.67 0.017 1 *
Tab.3 Experimental design and results of response B 1.28 1 1.28 0.38 0.558 4
C 153.13 1 153.13 45.16 0.000 3 ***
surface analysis AB 40.32 1 40.32 11.89 0.010 7 *
AC 5.06 1 5.06 1.49 0.261 3
试验 液化温度 液化时间 催化剂量 液化率 BC 5.06 1 5.06 1.49 0.021 3 *
次数 A/℃ B/min C/% Y/% A2 121.98 1 121.98 35.97 0.000 5 ***
B2 23.90 1 23.90 7.05 0.032 7 *
1 160 70 5 98.50 C2 82.72 1 82.72 24.40 0.001 7 ***
2 160 60 3 97.80 残差 23.74 7 3.39
3 170 60 1 88.00 失拟项 22.28 3 7.43 20.46 0.006 9 ***
4 160 60 3 97.90 纯误差 1.45 4 0.36
5 160 60 3 96.40 总和 513.58 16
6 170 60 5 93.00
7 160 60 3 97.50 注:***:P<0.01,极其显著;*:P<0.05,显著。
8 170 70 3 93.20
9 160 50 1 85.00 利 用Design-Expert8 .0 .6 软 件 对 表3 数 据 进 行 多
10 160 70 1 86.00 元拟合,得到了玉米秸秆液化率Y对液化温度(A),液
11 160 60 3 97.60 化时间(B),催化剂的量(C)的二次回归方程:
12 150 70 3 84.50
13 160 50 5 93.00 Y=97 .44 +2 .03 A+0 .40 B+4 .38 C+3 .17 AB-
14 150 60 1 80.00 1 . 13 AC+ 1 . 13 BC- 5 . 38 A2 - 2 . 38 B2 - 4 . 43 C2。
15 150 60 5 89.50
16 150 50 3 92.50 该回归方程显著性可通过表5 进行验证,由表5 可
17 170 50 3 88.50 知,通过响应面法优化玉米秸秆的液化工艺精准可靠;
通过图1 可以看到大部分的试验数值都集中在编码为
2.3  回归模型方差分析 0,这就说明玉米秸秆液化得率在编码0 处的概率最集
ANOVA分析响应面的回归模型方差分析结果见 中,即该回归方程拟合度好且模型成立。
2.4  响应面法分析
表4。显著性由F检验判定,概率 P值越小,相应变量的
显著程度越高。此模型P=0 .000 7 <0 .01,达到极显著 由图2 a可知,当液化时间不变,随着液化温度的增
水平;失拟项P=0 .006 9 <0 .01,达到极显著水平,模型 大或减少,液化率会呈现大幅度的增加或减少趋势;当
拟合度好。因此,该回归方程的模型成立。由表4 可 液化温度不变时,随着液化时间的增大或减少,液化率
知,在一次项中,液化温度A(P =0.017 1<0.05)达到显 出现增加或减少的趋势变弱;这就表明,在一次项中,
著水平,催化剂的量C(P =0 .000 3 <0 .01)达到极其显 液化温度比液化时间对液化率的影响大,液化率呈曲
著水平。在二次项中,液化温度A2 (P=0 .000 5 <0 .001 )
林产工业2017年第44卷第7期
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表5 回归方程的显著性验证
Tab.5 Test of significance regression coefficient

系数项 估计值 自由度 95%置信区间 方差膨胀
系数
1 低高
1 1
截距 97.44 1 95.49 99.39 1
A 2.03 1 1
B 0.4 1 0.49 3.56 1
C 4.38 1 1
AB 3.17 1 -1.14 1.94 1
AC -1.13 1 1.01
BC 1.13 1 2.84 5.91 1.01
A2 -5.38 1 1.01
B2 -2.38 1 5.35
C2 -4.43
-3.3 1.05

-1.05 3.3

-7.5 -3.26

-4.5 -0.26

-6.55 -2.31

图1 玉米秸秆液化得率的概率
Fig. 1 Probability of yield of corn straw liquefaction

面型变化;在交互项中,液化时间液化温度的交互项对

玉米秸秆液化的影响显著。由图2 b可知,当液化温度

不变,液化率随着催化剂量的增加出现大幅度的增大

趋势;而当催化剂的量不变,液化率随着液化温度的增

加出现微弱的增加趋势,这说明,在一次项中,催化剂 图2 不同因素的响应面图
的量比液化温度对液化率的影响大;另外,当任何一项 Fig.2 Response surface figure of different factors

增大或者减小,与之交互的另一项也会随着增大或者 米秸秆液化的最佳工艺条件如图3。由图3 a可知,三个
减小,这在回归方程中是相对不变的,这就说明液化温 影响因素(液化温度、液化时间、催化剂的量)在编码
度和催化剂量对玉米秸秆液化的影响不显著。由图2 c 为0 时,相互之间交互得最好;即由图3 b可知,响应面
可知,当液化时间不变,液化率随着催化剂量的增加呈 优化玉米秸秆液化的最佳工艺条件为:液化温度(A)
现大幅度的增加趋势;而当催化剂的量不变,液化率随 162 .43 ℃,液化时间(B)63 .66 min,催化剂的量(C)
着液化时间的增大出现小幅度的增加,这就说明在一 4 . 02 %;在此工艺条件下,所得液化率(Y)为98 . 88 %。
次项中,催化剂的量比液化时间对液化率的影响大;在 2.6  验证性试验
交互项中,催化剂的量与液化时间对玉米秸秆的影响
以Design-Expert.V8.0.6.1 的Response surface中的

显著。所以,这正好与表4 的结果一致,说明此方法可行。 Box-Behnken为模型,优化生物质玉米秸秆液化,以液

2.5  最佳工艺条件的确定 化率为指标,得到最佳的液化工艺条件为:液化时间
根据Box-Behnken 模型得出响应面优化生物质玉 63.66 min,液化温度162.43 ℃,催化剂的量4.02%。在

响应面优化生物质玉米秸秆催化液化工艺研究——李学琴  雷廷宙  李翔宇  时君友  王志伟  关  倩 - 29 -

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图3 最佳工艺条件的预测 参考文献
Fig. 3 Forecast of the optimum technological
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秆液化率分别为98 .84 %、98 .88 %、98 .91 %,平均值
为98.88%(98.876 7%),预测值为98.87%(98.872 8%), [2] 林伯强. 能源革命与“十三五”能源规划的制定[N]. 上海证券报,
实际值与预测值相近,重合性好,具有一定的参考价值。 2015-10-15(A01).

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1)利用Design-Expert 8.0.6 软件,参照Box-Behnken模 途径分析[J]. 生态环境学报, 2016, 25(1):168-174.

型,设计三因素三水平响应面试验优化玉米秸秆催化 [4] 武志虹. 控制农作物秸秆焚烧搞好秸秆综合利用[J]. 农业工程技
液化工艺为:液化温度162.43 ℃,液化时间63.66 min, 术·新能源产业, 2014(3):31-32.
催 化 剂 量4 .02 %,测 得 液 化 率 为98 .88 %,预 测 值 为
98 . 87 %,与预测值相差0 . 01 %。所以,通过响应面法更 [5] 施英乔, 丁来保, 盘爱享, 等. 生物质能产业与林产化工[J]. 林产工
加精确地优化玉米秸秆催化液化的参数条件,具有一 业, 2016, 43(1):9-11.
定的参考价值,为生物质后续催化液化打下了基础。
[6] 曹有为. 生物质热裂解热载体加热装置的设计与研究[D]. 哈尔滨:
2)通过响应面方差分析表明,各试验因素之间的 东北林业大学, 2006.
定量数学模型及单因素和因素间交互作用对秸秆液化
率的影响是相互制约的,其影响的主次顺序为:催化剂 [7] 朱德滨, 刘永鹏, 程承, 等. 废弃木质材料利用现状评述与多级循环
量>液化温度>液化时间。 利用建议[J]. 森林工程, 2015, 31(3):43-46.

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(责任编辑  余  珊)

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PVC直线封边工序影响因素的研究∗

熊先青  郭伟娟  钱文婷  方  露  庞小仁

摘要:  为研究PVC直线封边工序的影响因素,采用抽检的方法,对PVC封边生产过程中常见的质量问题进行统计,并对
几种常见工序进行分析,包括板件宽度、齐头余量和封边速度对倒角质量、齐头质量和封边质量的影响情况。结果表明,
PVC封边质量问题最常见的是倒角问题和齐头问题;PVC封边倒角问题受到板件宽度的影响,当基材宽度小于100 mm时,
随板件宽度的变小,倒角质量问题明显;齐头余量影响齐头质量,齐头余量10~20 mm时最为理想;封边速度对倒角和齐头
质量问题没有太大影响。
关键词:  直线封边;PVC封边条;倒角;齐头
中图分类号:TS664    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0031-04
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707007

Research of the Influence Factors on PVC Straight-line Edge Banding Process

XIONG Xian-qing1  GUO Wei-juan1  QIAN Wen-ting1  FANG Lu1 PANG Xiao-ren2
(1. Nanjing Forestry University, Nanjing  210037, China

2. Zhejiang Shenghua Yunfeng Greeneo Co., Ltd., Deqing  313220, China)

Abstract:  For studying the influence factors on PVC straight-line edge banding process, by using the method
of sampling, the statistics of common quality problems in the production of PVC edge banding are conducted,
and several common working procedures are analyzed, including the effect conditions of plate width, jump-butt
allowance and edge banding speed on chamfer angle quality, jump-butt quality and edge banding quality. The
results show that the most common quality problems of PVC edge banding are chamfer angle and jump-butt. The
chamfer angle problem of PVC edge banding is influenced by the plate width. When the substrate width is less
than 100 mm, chamfer angle quality is more obvious as the plate width reduces. The jump-butt allowance affects
the quality of jump-butt. It is most ideal when the jump-butt allowance is between 10~20 mm.The speed of edge
banding has little effect on the quality problem of chamfer and jump-butt.
Key words:  Straight-line edge banding; PVC edge banding; Chamfer angle; Jump-butt

在板式家具生产过程中,封边是最为频繁的一道 畅和圆滑。

工序,其基本过程是用薄木(单板)条、木条、三聚氰 PVC(聚氯乙烯)封边条应用最为广泛,由于其产

胺、塑料条、PVC条、ABS条等涂胶后压贴在零部件的 量大、价格低廉、性能良好、挤出性好、可以印刷和油

边部,起到防水、保护、封闭有害气体和减少变形等作 漆,因此,目前仍然是板式家具应用最为广泛的一种塑

用[1],同时能美化家具。封边要做到美观,要保证封边 料封边条[2-3]。但 PVC 耐热性较差,在高温下易变形,

材料与板的边部端面结合平整牢固,不能存在崩边、露 影响封边质量。同时,封边机、胶黏剂、基材等因素对

底、缝隙较大等缺陷,同时封边过渡还要做到自然、流 PVC封边质量的影响也较为明显[4]。如封边机的运行

*基金项目:江苏省自然科学青年基金资助项目“ 硅烷化木材单板/HDPE 稳定性和封边速度、封边热熔胶的选择和使用、基材尺
薄膜胶合成型机理研究”(BK20150881);国家林业公益性行业科研重大 寸等都会直接影响PVC封边质量和封边强度[5]。
专项“ 实木家具用低质材提质加工技术研究与示范”(201404501);江
苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD) 基于此,笔者通过对某企业实际调研和规模化实
熊先青,副教授,南京林业大学,E-mail:96xiong0450@sina.com 验,对PVC直线封边过程中的影响因素进行归纳,找出
修回日期:2017-05-22

PVC直线封边工序影响因素的研究——熊先青  郭伟娟  钱文婷  方  露  庞小仁 - 31 -

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最为关键的工序进行讨论,从而为优化封边工艺提供 分别记录封边过程中的倒角和齐头质量问题。
借鉴。
2  试验结果与分析
1  试验材料与方法 2.1  板件封边质量问题统计与分析
1.1  试验材料
依据上述方法,共抽检总边数为 1 288 条的板件,
E1 级刨花板(含水率8%~10%);胶黏剂(封边热熔 其中,抽查统计195 条边,统计结果如表1。
胶,广州市雅乔化工有限公司生产,型号为EH9338);
PVC封边条(选取特性相一致的PVC封边条)。 Tab.1 表1 封边各类质量问题统计表
1.2  试验设备与工具 Statistics of various edge banding quality problems
序号
全自动直线封边机(KDT-360DJ,封边厚度10~60 mm, 1 质量类别 出现次数/次 比例/%
封边带厚度0.4~3 mm,最小板料宽度80 mm,进给速度 2
12 ~20 m/min);游标卡尺(刻度范围0 .01 ~100 mm); 3 倒角 49 25.13
卷尺1 把(刻度范围1~5 mm)。 4
1.3  试验方法 5 齐头 46 23.59
6
研究采用规模化生产试验的方法,即通过PVC封 7 崩边 43 22.05
边生产过程中常见的质量问题,在封边机正常生产运
行情况下,保持外界影响因素一致,依据封边质量问题 胶水外溢 22 11.28
的基本原理[6],采用抽检方法进行统计,分别对倒角质
量、齐头质量和封边质量等常见影响因素进行分析。 胶缝 15 7.70
1.3.1  质量问题类别统计
胶线 13 6.67
采用抽检统计的方法[7],抽取旁板、面板和底板等三
类板件进行封边质量问题统计,记录质量问题产生次数。 缺胶 7 3.59
1.3.2  工序质量问题试验
由表1 可知,在 PVC 封边时,出现的质量问题主要
1)板件宽度与倒角质量。 有:倒角、齐头、崩边、胶水外溢、胶缝、胶线、缺胶等,具
选 取 长 度 相 同(300 mm)、宽 度 不 同 (300、250、 体分布情况见图1,所占比例依次为:倒角、齐头、崩边,分
200、120、90、60 mm)、厚度相同(16 mm)的板材各 别为:25.13%、23.59%、22.05%。为此,笔者重点对出
20 块,分别对每块板件相邻2 边进行封边;封边材料为 现问题较高的倒角和齐头进行质量控制因素分析。
1 mm×22 mm的PVC封边条,封边速度为24 m/min,记
录倒角过程中的质量问题。 图1 封边各类质量问题分布情况
2)齐头余量与齐头质量。 Fig.1 The distribution of various edge banding
以常规活动柜的隔板(700 mm×368 mm×18 mm)
做为试验对象,依据封边时的齐头加工原理,分别将 quality problems
PVC封边条(规格为 1 mm×20 mm)齐头余量控制在 5 mm
到 80 mm 的 6 个不同范围,进行两长边封边,封边速 2.2  板件宽度与倒角质量
度为 24 m/min,采用抽检方式,记录齐头过程中的质量 2.2.1  试验结果
问题。
3)封边速度与封边质量。 板件宽度与倒角质量问题,试验结果见表2。
为避免板件自身尺寸对倒角质量的影响,试验对
象为长或宽均大于300 mm的工厂常用板材(如门板、 表2 板材宽度与倒角质量试验结果
旁板、底板、隔板等),在长度不同而宽度相同时,分别 Tab.2 The experimental results of plate width
采用不同的封边速度(18、22、24、28 m/min)对其4
边进行封边;封边材料为1 mm×22 mm的PVC封边条, and chamfer angle quality

- 32 - 序号 板件规格/mm 封边边数/边 倒角问题/边 比例/%
1 300×300×16 40 1 2.5
2 300×250×16 40 2 5
3 300×200×16 40 3 7.5
4 300×120×16 40 2 5
5 300×90×16 40 6 15
6 300×60×16 40 12 30

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板件宽度与倒角质量问题关系如图2 所示。 70 mm时,齐头出现的质量问题持续变多,表现为前端
齐头不整齐,封边条端部会存在残余撕开的问题。

图2 板件宽度与倒角质量问题分布情况 图3 齐头余量与齐头质量问题分布情况
Fig. 2 The distribution of plate width and chamfer Fig.3 The distribution of jump-butt allowance and

angle quality problems jump-butt quality problems

由图2 可知,当板材宽度大于120 mm 时,倒角质量 2.3.2  讨论与建议
问题随板件宽度的改变并无明显变化,出现问题的边数 当齐头余量不足10 mm 时,由于封边设备在对封
趋于比较低的稳定状态;当板材宽度小于120 mm时,随
板件宽度不断变小,倒角质量问题所占比例明显上升。 边条切割时需有一定的余量,将会导致一部分封边条
2.2.2  讨论与建议 的长度小于板件长度,从而造成齐头不良问题;而当齐
头余量大于70 mm时,就会由于封边条太长,在进行连
产生上述现象的主要原因是由于板材宽度较小, 续进料的同时,将会导致齐头的前刀会间断性的触碰
在封边时容易产生夹持不稳,导致精修刀及平刀不能 到封边条,影响封边条的稳定性,造成各种齐头问题。
较好的发挥作用,从而出现封边过程发生跑偏现象,同 因此,齐头余量应该控制在一个合理的范围内,一般
时,预铣刀也会因不稳定导致封边后背面会出现胶缝 10~20 mm最为理想。
现象。因此,当遇到较窄的板材时,可以将两块板材 2.4  封边速度与封边质量
进行拼接一起进行封边,可适当的减少上下两个输送
带的距离,以此来加大夹持力度,减少甚至避免此类问 封边速度与倒角质量问题,试验结果见表4。
题;同时,对相对较窄的板件进行封边时,尽可能降低
封边速度,从而保证板材在输送带内的相对稳定。 表4 封边速度与倒角质量试验结果
2.3  齐头余量与齐头质量 Tab.4 The experimental results of edge banding speed and
2.3.1  试验结果
chamfer angle quality
齐头余量与齐头质量问题,试验结果见表3。
序号 规格/mm 封边 抽查 倒角 倒角 齐头 齐头
速度/ 边数/ 问题/ 问题 问题/ 问题
(m·min-1) 边 边 比例/% 边 比例/%

表3 齐头余量与齐头质量试验结果 1 1 220×385×18 18 80 5 6.25 7 8.75
Tab.3 The experimental results of jump-butt allowance 2 700×385×18 22
3 750×385×18 24 80 7 8.75 6 7.5
and jump-butt quality 4 420×385×18 28
80 6 7.5 4 5

序号 齐头余量/mm 抽检边数/边 问题/边 比例/% 80 7 8.75 6 7.5
1 5 75 11 14.6
2 10 70 6 8.6 封边速度与封边质量问题关系如图4 所示。
3 20 126 10 7.9
4 50 102 12 11.8
5 70 45 14 31.1
6 80 25 11 44

齐头余量与齐头质量问题关系如图3 所示。

由图3 可知,当齐头余量在10 ~20 mm之间时,齐 图4 封边速度与封边质量问题分布情况
头的质量问题较少,封边质量比较稳定;当齐头余量处 Fig.4 The distribution of edge banding speed and edge
于5 mm时,齐头质量问题明显增多;当齐头余量大于
banding quality problems

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由图4 可知,随着封边速度变化,倒角和齐头的质 种齐头问题。因此,齐头余量应该控制在一个合理的
量问题只在小范围波动,基本在正常的范围内,因此, 范围内,10~20 mm最为理想。
在板件规格尺寸不影响封边机正常运行时,封边速度
对倒角和齐头质量没有明显影响。 4)封边速度对倒角和齐头质量问题没有太大影响。

3  结论 参考文献
1)通过实际生产性试验数据统计分析,对 PVC封
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倒角质量问题明显。因此,在实际生产中可采用辅助 [3] 张娲娟. 封边技术发展趋势[J]. 木材加工机械, 2003(5):37-38.
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·企业报道· 格雷康LIGNA汉诺威木工机械展表现亮眼

2017 年5 月22-26 日LIGNA汉诺威木工机械展在德国开幕, 度提高也在展会上以实物展示给客户,满足了业内用户的需求。
格雷康以占地面积200 多 m2 的超强阵势入驻,整个展台设计以 与此同时,格雷康还重点推出了用于人造板生产、玻璃工
中纤板为主。
业和硬化车间中的压机火焰探测熄灭装置Flamewolf,应对已发
格雷康主打产品仍是火花探测熄灭系统,现场配合管道、 生的大火;同台展示了用于人造板行业的在线铺装优化检测系
探头、喷水等演示了火花进入管道后如何被快速探测和熄除, 统Formator,对降低物料和生产成本、改善板材质量发挥着重大
新研发的多种火花和温度探测装置高调亮相。 作用;另外,Ipac品牌还推出了用于表面装饰纸板的颜色比对系
统,响应了广大装饰纸用户的需求。
同时,格雷康针对人造板在线厚度测量系统、鼓泡检测系统、
表面质量检测系统所做的技术更新尤其是检测测量精度的大幅 (格雷康向亚菲  供稿)

- 34 - 林产工业2017年第44卷第7期

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一种基于单片机控制的自动伸缩桌设计原理∗

刘  杏  陈  威  戴金耀  王  伟

摘要:  传统的伸缩桌多为手动调节,使用时比较容易坏,而且调节时比较耗时。除此之外,一般的伸缩餐桌里边还有用
到齿轮的设计,在使用这种桌子的时候容易将脏东西卡在齿轮上,这样一来就会影响到桌子的伸缩。因此,为了克服以
上传统手动伸缩桌的不足,笔者提出一种基于单片机控制的自动伸缩桌,结合合理的机械设计能够自动改变桌子的形
状,实现桌子的智能控制,方便消费者的使用,具有实用性好、舒适性高、机构合理等特点。
关键词:  自动伸缩桌;曲柄滑块;丝杆螺母;单片机
中图分类号:TH122    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0035-06
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707008

Design Principle of Automatic Telescopic Table Based on Single Chip Control

LIU Xing  CHEN Wei  DAI Jin-yao  WANG Wei
(Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an  710021, China)

Abstract:  The traditional telescopic table is usually designed for manual adjustment, and it is relatively
easy to bad, and more time-consuming in adjustment. In addition, the design of general automatic telescopic
table still use the gear, the dirty things are easy to get stuck on the gear, and this will affect the telescopic of
the table. Therefore, in order to overcome the shortcomings of traditional manual extension table above, authors
of this paper put forward a kind of extension table based on single chip microcomputer automatic control, the
combination of reasonable mechanical design can automatically change the shape of the table, realize the
intelligent control of the table, convenience for the consumer, has a good practicability, high comfort, and
reasonable, etc.
Key words:  Automatic telescopic table; Crank slider; Screw nut; Single chip

伸缩结构是一种具有伸展和缩回功能的结构,其 桌,以及旋转结构中采用可调节的金属拉杆来控制桌
在工程技术和日常生活中得到了广泛应用。随着现代 面变形的“泰坦”桌[3]。支架可调整式桌具是使桌子的
生活水平的提高,人们对家具的功能和品味有了极大 一侧支架固定,而另一侧具备可调节性,通过支架的调
的提升,具有伸缩功能的便携桌具也伴随人们的生活 整来改变桌面的长度和面积。
习惯应运而生[1]。
但目前,这些伸缩桌大多为手动调节,操作过于繁
近年来关于自动伸缩桌的研究,主要分为支架固 琐,为了更好地满足现代人的生活需求,设计出一种基
定桌面延伸式和支架可调整式两种形式[2]。支架固定 于单片机控制的自动伸缩桌具,该设计不仅提高了使
桌面延伸式桌具,主要有德国Thonet公司的悬臂连接 用的舒适度,也更好地实现了桌具的人性化设计。
式桌子,美国Tossa公司的“普格拉玛”抽拉结构方式
1  自动伸缩桌的设计原理
*基金项目:国家自然科学基金项目(51405278);陕西科技大学博士科研 1.1  设计方案选定
启动基金项目(BJ11-01);特种材料及制备技术四川省高校重点实验室
开放基金项目(szjj2015-088) 对于支架固定桌面延伸式桌具,桌子的基本支撑
刘  杏, 硕士研究生, 陕西科技大学 框架固定,桌面由几部分组成,每部分桌面都可以随着
陈  威(通讯作者),博士/讲师, E-mail: 326299247@qq.com 变换机构而运行,桌面位置发生变化,并与固定桌面重
修回日期:2017-04-18

一种基于单片机控制的自动伸缩桌设计原理——刘  杏  陈  威  戴金耀  王  伟 - 35 -

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新拼接成新的桌面,这种结构主要靠旋转、翻转、抽拉、 通过丝杆11 运动的传递将运动传递给曲柄13 使其带
悬臂桌面等方式来实现桌面大小的变换,结构相对简 动与之相连接的桌面撑杆14,将运动传递给滑块15 使
单,稳定性和可靠性较好。 其沿着直线导轨16 运动,实现正方形桌面1 的展开运
动,此时单片机的延时作用消除,电机7 正转,驱动丝
对于支架可调整式桌具,主要是将活动桌面隐藏 杆8 运动,通过十字接头9 的连接作用将运动传递给与
在固定桌面内部或者下方,支架和桌面的连接方式基 撑杆10 相接的长方形桌面2,长方形桌面2 上升,从而
本是通过桌面下方的金属滑槽进行连接。当需要变化 实现桌面面积变大的功能,同理,当两个电机反转时便
尺寸时,顺着金属滑槽的方向移动支架,活动桌面会随 可以实现桌面面积的缩小功能。
着支架的移动进行平移并与固定桌面拼接成一个新的
桌面,这种结构内部传动机构较复杂,并且内部金属滑
槽的加工难度大,安装精度低,稳定性和可靠性较差。

因此,通过对比两种变换机构的可靠性以及加工
难易程度,从而选定以支架固定桌面延伸式中的旋转
方式变换大小的方案进行设计,如图1 所示,自动伸缩
桌主要由9 块桌面、1 个底板、1 个曲柄滑块机构、1
个丝杆螺母撑杆机构、4 个桌腿以及控制系统等几部
分组成。

图2 机构运动传递简图
Fig.2 A diagram of the organization movement

图1 自动伸缩桌结构示意图 2  运动机构的设计
Fig.1 Structure diagram of automatic stretching table 2.1  曲柄滑块机构的设计

1.2  工作原理 曲柄滑块机构是一种用曲柄和滑块来实现转动和
如图2 所示,在进行桌面面积变化的时候,首先由 移动相互转换的平面连杆机构,也称曲柄连杆机构,其
与机架构成移动副的构件为滑块,通过转动副联接曲
步进电机7 正转提供动力,使丝杆8 运动,带动由十字 柄和滑块的构件为连杆,曲柄滑块机构又分为对心曲
接头相接的撑杆10 运动,实现长方形桌面2 的展平,此 柄滑块机构和偏置曲柄滑块机构[4-5]。
时单片机发出延时信号,电机7 停止运动,电机6 正转,
- 36 - 图1 所示的自动伸缩桌采用对心曲柄滑块机构,
其运动简图如图3 所示,其中曲柄和连杆的材料选用
均为10 mm厚度的亚克力板。通过对曲柄滑块机构的
运动做出分析计算,以此来确定曲柄和连杆的设计尺
寸,如下所述[6-8]。

由图3 可知任意时刻滑块运行距离、滑行速度、滑
行加速度如下:

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距离,所以曲柄实际尺寸相应扩大,其结构简图如图4
所示。

图3 曲柄滑块机构运动简图 图 4 曲柄结构简图
Fig.3 A diagram of the movement of crank and Fig.4 A diagram of the crank structure

slider mechanism

S = R + L - R cos x 结合滑块的运动,选择曲柄的长度为50 mm,即4
个直径为6 mm的孔分布在直径为100 mm的圆周上。
=R61 - cos^xh@ + L61 - cos^bh@
连杆分别与曲柄和滑块,在连杆两端设计连接孔。
L sin^bh = R cos^ah 同时在设计中为了避免4 个连杆在运动过程中发生相
互干涉,特将其设计成圆弧形,其结构简图如图5 所示。
sin^bh = R sin^ah = m sin^ah : ` R - mj
L L 图5 连杆结构简图
Fig.5 A diagram of the linkage structure
cos^bh = 1 - sin2 ^bh = 1 - m
为保证桌面顺利展开和收拢,根据导轨的长度可
. 1 - 1 m2 sin2 ^ah 知,连杆长度须大于120 mm,故选择连杆长度为180 mm。
2 2.2  丝杆螺母撑杆机构的设计

sin2 ^ah = 1 : ^1 - cos 2ah 丝杆螺母撑杆机构的主要作用是实现第二层桌面
2 的展平上升和收拢下降,主要由丝杆螺母、十字连接
架、撑杆、鱼眼接头、十字板托等组成[9], 其结构原理简
cos^bh = 1- 1 m2 : 61 - cos ^2mh@ 图如图6 所示。
4

sin2 ^ah = 1 : ^1 - cos 2ah
2

cos^bh = 1- 1 m2 : 61 - cos ^2mh@
4

V = ds = ds : da
dt da dt
1
= WR : 8sin^ah + 4 m : 2 sin^2ahB

= WR : 8sin^ah + 1 m sin^2ahB
2
1 R
= WR : 8sin^wth + 2 : L sin^2wthB

a = dv = dv : da
dt da dt

= w2R : 6cos^xh + m cos^2ah@

= w2 R : 8cos^wth + R cos^wthB
L

式中:S——任意时刻滑块运行的距离,mm;

l——R/L;
V——滑块运行速度,mm/s;
a——加速度,m/s2;
w——角加速度,rad/s2;

t——时间,s。 图6 丝杆螺母撑杆机构原理图
Fig.6 Mechanism schematic of the screw shaft brace
结合第二层桌面尺寸,为了避免曲柄与小桌面发
生干涉,所选曲柄尺寸不宜过大,同时考虑到该设计需
要用到4 个曲柄滑块机构,故将曲柄设计为圆形,既节
省空间又便于安装。此外,为了给曲柄滑块机构提供
动力,在圆形曲柄中心设计一个直径为10 mm的通孔,
同时为了连接曲柄和连杆,需要在曲柄圆周上开4 个
直径为6 mm的通孔。为保证4 个通孔与外圆有一定的

一种基于单片机控制的自动伸缩桌设计原理——刘  杏  陈  威  戴金耀  王  伟 - 37 -

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如图6 所示,步进电机带动丝杆旋转,进而实现螺 采购,决定此处撑杆也选取M6 丝杆。通过计算,4 根
母的直线运动,螺母再带动撑杆运动,第二层桌面在撑 撑杆长度均为450 mm。
杆的力的作用下达到展平上升的目的。其中撑杆两端 2.3  连接件的选择
分别连接桌面和十字连接架。丝杆螺母撑杆机构实物
如图7 所示。 1)螺栓的选择。设计中有多处使用到螺栓连接,
曲柄与连杆的连接就用了螺栓连接。曲柄和连杆上
图7 丝杆螺母撑杆机构 加工的是直径为6 mm的通孔,曲柄和连杆厚均为10 mm,
Fig.7 Mechanism of the screw nut brace 所 以 选 取M6 ×25 的 粗 牙 全 螺 纹 六 角 头 螺 栓(GB/T
5783—2000 ),共采购4 个[10]。此外丝杆螺母撑杆机构
丝杆螺母机构又称螺旋传动机构。主要将旋转运 中也用到了M6 的螺栓,其中连接长度大于30 mm,所以
动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。其 选取M6 ×40 的粗牙全螺纹六角头螺栓(GB/T 5783—
中包括以传递能量为主 (如螺旋压力机、千斤顶等),以 2000),共采购12 个[10]。
传递运动为主(如机床工作台的进给丝杆);还有调整
零件之间相对位置的螺旋传动机构等。在丝杆螺母撑 2)丝杆的选择。桌面和滑块的连接支撑件使用
杆机构中丝杆螺母起传动作用,将旋转运动变换为直 丝杆,鉴于加工零件中所有螺纹孔都是M6 的螺纹通
线运动,它是构成丝杆螺母撑杆机构的重要组成部分。 孔,所以选取的丝杆都是M6 的。由于桌面总共分为
其结构如图8 所示,自动伸缩桌中所选用为外购的T8 两层,每个小块桌面用4 点支撑,所以每部分桌面的支
梯形丝杆,其在运动过程中具有自锁特性,其结构参数 撑件有4 根丝杆。
如表1 所示。
第一层正方形桌面由滑块支撑,正方形桌面距离
滑块150 mm,所以选取正方形桌面的连接丝杆长度为
150 mm,共16 根。

第二层小桌面与丝杆螺母撑杆机构连接,考虑到
桌面实际尺寸以及桌面运动距离,选取丝杆长度为450 mm,
共4 根。

步进电机与曲柄的连接也需要用到丝杆,曲柄中
心孔直径为10 mm,考虑到曲柄厚度以及联轴器规格,
选取M10 丝杆,长度为50 mm。

3)联轴器的选择。步进电机分别与T8 丝杆螺母
和M10 丝杆连接,步进电机轴的直径为5 mm,所以选
择5×8 和5×10 的联轴器各一个。

图8 丝杆螺母 3  自动伸缩桌控制系统的设计
Fig.8 Screw nut 3.1  电机的选择

表1 丝杆螺母副参数 由于步进电机工作原理易学易用,成本低、电机和
Tab. 1 Screw nut auxiliary parameters 驱动器不易损坏,非常适合于微电脑和单片机控制,因
此在该设计中选用步进电机。步进电机是一种专门用
名称 丝杆 螺母 于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大
材料 304不锈钢 铜 特点是其“数字性”,对于微电脑发过来的每一个脉冲
长度/mm — 信号,步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角
螺距/mm 500 — 度。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应
导程/mm 3 — 距离。同时可通过控制脉冲频率,直接对电机转速进
6 行控制。

在丝杆螺母撑杆机构中撑杆主要起支撑作用,实 步进电机的选择主要是以负载的阻力矩为依据,
现第二层桌面的变形,由于撑杆两端分别连接桌面和 只要电机的扭矩大于负载力矩即可。在该设计中通过
十字连接架,所以必须参考连接件来选取确定撑杆,由
于滑块和第一层桌面连接时也用到了撑杆,为了方便 林产工业2017年第44卷第7期

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估算来确定负载阻力矩。计算中主要考虑摩擦阻力, 取Arduino UNO R3 开发学习板,如图10 所示。其功能
在设计中选取的是滚珠系列直线导轨滑块,其摩擦系 如下:
数为0 . 05 ~ 0 . 08,计算中取其值为0 . 065。
1)针脚变动:在AREF针脚旁加了两个C针脚(SDA
F=µ×M 和SCL,只 是Analog 4 和5 的copy,并 不 是 额 外 的I2 C
接 口),另 外,在RESET旁 边 也 加 了 两 个 针 脚,一 个 是
式中:F——摩擦阻力,N; IOREF,能让扩展板适应板载电压,这个针脚只是告诉
扩展板目前的板载电压是多少(比如UNO是5 V,可以
µ——摩擦系数; 看成电源针脚的copy,并不提供电平上拉),另一个是
以后待用的占位针脚。
M——工作负荷(即为桌面重力), N。
2)更稳定的RESET电路。RESET键位置也变了,
T=F×L 被移到了靠近USB接口的板角处,更方便按。
式中:T——阻力矩,N·m;
3)ATmega16 U2 代 替 了8 U2,这 个 更 新 是 为USB
L——阻力作用点到转轴距离,m。 接口芯片服务的,理论上它让UNO能模拟USB HID,比
如 MIDI/Joystick/Keyboard。
则T=µ×M×L=0.065×1.7×9.8×0.177=0.19(N·m)
电机选择外购,通过对比价格、质量、安装尺寸等
因素,最终选择Y42 BYG34 -1 .3 A步进电机,其参数如
表2 所示。

表2 步进电机参数
Tab. 2 Stepper motor parameters

型号 扭矩/(N·m-1) 轴颈/mm 电流/A
Y42BYG34 0.25 5 1.3

3.2  电机驱动模块 图10 Arduino UNO R3 开发学习板
步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工 Fig.10 Arduino UNO R3 develop learning board

作,而必须使用专用的驱动器。步进电机和步进电动 控制组件选购完成之后,根据运动仿真数据进行
机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动器的 控制编程,具体程序结构如下:
原理,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的
各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转
动。为配合步进电机正常使用,该设计中选择L298 N电
机驱动板模块,其结构如图9 所示,其参数如表3 所示。

图 9 电机驱动模块
Fig.9 Motor drive module

表 3 驱动模块参数
Tab.3 Drive module parameters

工作模式 驱动电压/V 驱动电流/mA 外围尺寸/mm
H桥驱动 5~35 0 ~36 43×43×27

3. 3  控制模块 (下转第43 页)
综合考虑已选用的步进电机和驱动模块,最终选 - 39 -

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竹柳颗粒燃料燃烧性能实验研究

刘沙沙  张  健  马  楠  孙  军

摘要:  采用生物质燃烧速率测定仪模拟竹柳颗粒燃料在层燃锅炉中的实际燃烧过程,用正交试验法设计试验条件,试
验的压缩比分别选取4、4.5、5,过量空气系数分别选取1.1、1.3、1.5,炉膛温度分别选取800、900、1 000 ℃,对竹柳颗
粒燃料的燃烧性能进行试验研究,为竹柳颗粒的能源化利用提供基础。结果表明:影响相对燃烧速率的主要因素为炉膛
温度,9组试验的速率均维持在0.34 g/min左右,燃烧主要集中在前5 min进行,平均相对燃烧速率在90%左右,随后绝对燃
烧速率大幅下降,表现为不耐烧;竹柳颗粒的灰熔点在1 360 ℃以下,略低于烟煤;竹柳颗粒不适宜单独燃烧,在锅炉中燃
烧时有结渣的可能性,炉膛出口的烟气温度控制在1 250 ℃以下为宜。燃用挥发分含量高的烟煤锅炉设备,原则上更适
合燃用竹柳颗粒燃料。
关键词:  竹柳颗粒燃料;燃烧性能;燃烧速率;灰熔点
中图分类号:TK16;S792    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0040-04
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707009

Experimental Study on the Combustion Performance of Bamboo-willow Pellet Fuel

LIU Sha-sha1  ZHANG Jian2  MA Nan3  SUN Jun1
(1.Nanjing Forestry University, Nanjing  210037, China

2.Yanjiang Institute of Agricultural Sciences of Jiangsu, Nantong  226541, China
3.Nanjing Technical Vocational College, Nanjing  210019, China)

Abstract:  The biomass determination instrument was used to simulate the combustion characteristics of fuel
in the burner from the angle of combustion rate. Using orthogonal test method to design the test conditions,
the compression ratio was selected for 4, 4.5, 5, the excess air coefficient was selected for 1.1, 1.3, 1.5 and the
furnace temperature was selected at 800, 900, 1 000 ℃. The combustion performance of bamboo-willow pellet
fuel was studied experimentally, which provided the basis for the energy utilization of bamboo-willow pellet. Test
results show that the main factor affecting the relative burning rate was furnace temperature. The rate of the nine
experimental groups were maintained at about 0.34 g/min, the combustion was mainly concentrated in the first 5
minutes and the average relative burning rate at around 90%, then the absolute burning rate fell sharply, and the
combustion duration was shorter. Bamboo-willow pellet fuel of ash melting point below 1 360 ℃, that is slightly
lower than bituminous coal. Bamboo-willow pellets are not suitable for separate combustion alone, there is the
possibility of slagging in the boiler when burning and the flue gas temperature of furnace outlet is controlled
below 1 250 ℃. It's more suitable for high content of volatile bituminous coal boiler equipment to burn bamboo-
willow pellet fuel.
Key words:  Bamboo-willow pellet fuel; Combustion performance; Combustion rate; Ash fusion point

竹 柳(Bamboo-willow)是 杨 柳 科 柳 属 的 植 物,其 生 合高密度种植,种植成本低,树种产量大,具有非常大
长潜力大,生长速度比速生杨木快,耐盐碱,耐水淹,适 的能源利用价值,是建立生物质燃料基地的优良树种[1-3]。
研究发现,具有开发和利用价值的生物质能源树种逐
刘沙沙,在读研究生,南京林业大学 渐增多,柳树生长量明显高于其他常见的能源树种。
孙  军(通讯作者),教授,单位同第一作者,E-mail:sunjun227@163.com
收稿日期:2017-01-16 林产工业2017年第44卷第7期

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吴远媚等[4]研究了竹柳的造林适应性和生长特性,并 式中:AVi——第i时间段的平均绝对燃烧速率,g/min;
与桉树进行了比较,探索了竹柳的开发利用价值和造
林效益。朱继军等[5]进行了竹柳生长势、抗性试验等 RVi——第i时间段的平均相对燃烧速率,%;
研究,对能源柳无性系良种进行了初步筛选评价。我 mi——第i时间段试样的起始质量,g;
国选育出的某种柳树年生苗在密度为2 000 株/hm2 左 m1——试验开始时试样的质量,g;
右时,单株地上部生物量较高,4 ~6 年平均单株成材 mn+1——试验结束时试样的质量,g;
体积达0.3~0.35m3,高度可达 20~25m[6]。由于具有高 τ——第i时间段时间长度,min,i=1,2, 3, … , n。
热值、高碳氮比,是最适合综合开发作为能源树种的种
植,竹柳被称为最优秀的新能源树种。笔者采用生物 1.3  试验设计
质燃烧速率测定仪模拟竹柳颗粒燃料在层燃锅炉中的 根据燃料燃烧理论[8]可知,影响竹柳颗粒燃料燃
实际燃烧过程,对其燃烧性能进行初步研究。探究竹
柳颗粒燃料的较优燃烧工艺,为竹柳颗粒燃料的燃用 烧速率的因素主要有:压缩比、炉膛温度和空气供给
提供基础资料。 量。 锅 炉 运 行 实 践 表 明,层 燃 炉 的 过 量 空 气 系 数 一
般控制在1 .3 ~1 .6,炉排上燃料层的平均温度一般在
1  材料与方法 800 ~1 000 ℃。试验的压缩比分别选取4、4 .5、5,过
量空气系数分别选取1 .1、1 .3、1 .5,炉膛温度分别选
取800、900、1 000 ℃。因素水平表见表1,采用正交
试验法设计试验条件。

1.1  试验原料 表1 燃烧速率试验因素水平表
Tab. 1 Factors and levels of combustion rate experiment
竹柳取自江苏如东县沿海围垦滩涂基地;将竹柳

粉碎至粒径小于1 mm,在含水率为10 %、压缩比为5 的 序号 压缩比A 过量空气系数B 炉膛温度C/℃
1 4 1.1 800
工艺条件下利用红星机械有限公司生产的KAF67 -Y5 2 4.5 1.3 900
3 5 1.5 1 000
挤压式颗粒成型机制备成竹柳颗粒燃料;在灰熔融性

测定时,使用竹柳颗粒燃料的灰分作为实验原料。

1.2  试验设备和方法 2  结果与分析
竹柳颗粒的基本燃料性能如表2 所示。从表2 可
采用角锥法进行灰熔融性测定,试验仪器为鑫科
以看出:竹柳颗粒含碳量较高,约为麦秸秆的1 .25 倍,
分析仪器有限公司生产的XKHR-3000 微机灰熔融性 氮、硫含量很低,直接燃烧更具有环保优势;灰分低,
因此产生的炉渣量极少,挥发分高达80 %左右,是烟
测定仪,最高加热温度1 500 ℃,升温速度1~20 ℃ /min;采 煤(30 %左右)的两倍多,因而易于着火和燃尽[9]。竹
柳颗粒的发热量与褐煤(14 650 kJ/kg)、Ⅰ类烟煤
用数码摄像技术对试样进行图像采集,最后输出灰的 (11 300 ~15 490 kJ/kg)相当,仅略低于工业上常用的
锅炉燃料Ⅱ类烟煤(15 490~19 680 kJ/kg)[10]。
变形温度、软化温度、半球温度和流动温度[7]。
通常灰的软化温度高于1 425 ℃时为难熔性灰,在
采用自行研制的生物质燃烧速率测定仪模拟竹柳 1 200 ~1 425 ℃之间的为可熔性灰,低于1 200 ℃的为
易熔性灰[11]。竹柳颗粒的灰熔点试验结果见表3。
颗粒燃料在层燃锅炉中的实际燃烧过程,对竹柳颗粒
目前,研究的成果大致规律是:灰中高熔点的成分
燃料的燃烧速率进行了试验研究。生物质燃烧速率测 愈多,灰的熔点愈高,反之则愈低。灰的成分按其化学
性质,可分为酸性氧化物和碱性氧化物[12]。一般认为
定仪采用电加热,其炉膛温度调节范围:室温~1 200 ℃。 灰中酸性成分增加,会使灰熔点提高;碱性成分增加,

试验采用称重法,根据试验过程中颗粒燃料质量的变

化情况计算颗粒燃料的燃烧速率。燃烧速率用平均绝

对燃烧速率(AV)和平均相对燃烧速率(RV)两个指

标表示,其计算式为:

AVi = mi - mi+1 (1)
x (2)

RVi = mi - mi+1
m1 - mn+1

表2 竹柳颗粒的元素分析、工业分析和低位发热量
Tab.2 Element analysis, proximate analysis and lower heat value of bamboo-willow pellet

试样 元素分析/% 低位发热量/ 工业分析/%
竹柳颗粒
C H O N S (kJ·kg-1) 挥发分 灰分 固定碳
16.1
49.27 5.90 34.80 0.34 0.09 15 090 82.2 1.68

竹柳颗粒燃料燃烧性能实验研究——刘沙沙  张  健  马  楠  孙  军 - 41 -

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表3 原料的灰熔点 试验过程当中,每隔5 min将试样取出称重,连续
Tab. 3 The ash fusion point for raw materials ℃ 燃烧直到燃料燃烬为止。通过预试验发现当试样燃烧
到第5 个5 min时质量变化甚微,故试验称取4 次即可。
试样 变形温度 软化温度 半球温度 流动温度 试验完成后按各次称重结果,根据式(1)和式(2),计
算出各个时间段的燃料平均绝对燃烧速率和平均相对
竹柳颗粒 1 322 1 356 1 403 1 438 燃烧速率,计算结果见表4。

则会使灰熔点下降[13]。 从表4 可以看出,在0 ~5 min之间时,竹柳颗粒燃
从表3 中可以看出,竹柳颗粒的灰熔点在1 360 ℃ 料的平均绝对燃烧速率和相对燃烧速率在整个燃烧阶
段有最大值。从平均绝对燃烧速率的结果中看出,燃
以下,工业中广泛应用的烟煤灰熔点接近1 390 ℃,略 烧主要集中在前5 min进行,随后绝对燃烧速率大幅下
高于竹柳颗粒的灰熔点[14]。造成这一结果的主要原因
可能是取自盐碱地的竹柳,其灰分中碱金属的含量较
高所致。

表4 L9(34)正交试验平均相对燃烧速率和平均绝对燃烧速率计算表
Tab. 4 Four factors and three levels orthogonal test dates of RV and AV

试验号 压缩比A 过量空气 炉温C/ 平均相对燃烧速率/% 平均绝对燃烧速率/(g·min-1)
系数B ℃
0~5 min 5~10 min 10~15 min 15~20 min 0~5 min 5~10 min 10~15 min 15~20 min 总平均速率
1 91.85
11 1 2 92.70 2.96 2.96 2.22 1.240 0.040 0.040 0.030 0.338
21 2 3 90.51
31 3 2 93.94 3.65 2.19 1.46 1.270 0.050 0.030 0.020 0.343
42 1 3 89.36
52 2 1 91.34 3.65 3.65 2.19 1.240 0.050 0.050 0.030 0.343
62 3 3 90.97
73 1 1 94.31 2.27 2.27 1.52 1.240 0.030 0.030 0.020 0.330
83 2 2 91.60
93 3 3.55 3.55 3.55 1.260 0.050 0.050 0.050 0.353

3.15 3.15 2.36 1.160 0.040 0.040 0.030 0.318

2.78 3.47 2.78 1.310 0.040 0.050 0.040 0.360

1.63 0.81 3.25 1.160 0.020 0.010 0.040 0.308

3.05 2.29 3.05 1.200 0.040 0.030 0.040 0.328

降,9 组试验的速率均维持在0.34 g/min左右。从平均 表5 相对燃烧速率RV1 直观分析
相对燃烧速率看出,前5 min时,可燃成分的失重量高 Tab.5 Intuitive analysis of RV1
达整个失重阶段的89 .36 %~94 .31 %,随后,相对燃烧
速率大幅度下降。总体而言,竹柳颗粒燃料极易着火 试验号 压缩比A 过量空气系数B 炉温C/℃ RV1
燃烧,但燃烧时间不长,表现为不耐烧。 1 91.85
2 1(4) 1(1.1) 1(800) 92.70
对诸因素在主要燃烧阶段的平均相对燃烧速率 3 90.51
4 1(4) 2(1.3) 2(900) 93.94
RV1(第一燃烧阶段0 ~5 min时的平均相对燃烧速率) 5 89.36
进行直观分析,计算结果如表5。 6 1(4) 3(1.5) 3(1 000) 91.34
7 90.97
从表5 看出:影响竹柳颗粒燃料主要燃烧阶段相 8 2(4.5) 1(1.1) 2(900) 94.31
对燃烧速率的因素影响大小顺序为C>B>A,即:炉膛温 9 91.60
度对相对燃烧速率的影响最大,其次是过量空气系数, T1 2(4.5) 2(1.3) 3(1 000)
影响最小的是颗粒燃料的压缩比。因为颗粒燃料在干 T2
燥过程中为吸热反应,所以炉膛温度高,挥发分容易着 T3 2(4.5) 3(1.5) 1(800)
火燃烧;燃烧反应为氧化过程,必须提供充足的氧气保 K1
证燃烧正常进行,在过量空气系数为1 .1 时氧气充足, K2 3(5) 1(1.1) 3(1 000)
如果空气量过多,可能造成物质发生其他反应。表中 K3
看出,当压缩比为5,过量空气系数为1 .1,炉膛温度为 3(5) 2(1.3) 1(800)
900 ℃时,有利于竹柳颗粒燃料的燃烧。但由于生物 极差
质燃料具有易着火,燃烧时间短等特点,且竹柳颗粒燃 优化方案 3(5) 3(1.5) 2(900)

- 42 - 275.06 276.76 277.50

274.64 276.37 278.24

276.88 273.45 270.84

91.69 92.25 92.50

91.55 92.12 92.75

92.29 91.15 90.28

0.75 1.10 2.47

A3 B1 C2

林产工业2017年第44卷第7期

研究与分析 林产工业

RESEARCH & ANALYSIS CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

料的相对燃烧速率均在90 %左右,表现为不耐烧,所以 参考文献
无论大小都不适宜单独燃烧。
[1] 何爽爽, 王新洲, 邓玉和 ,等.竹柳枝丫材与小径材中密度纤维板的
3  结论 研究[J]. 林产工业, 2015 (11):31-35.
竹柳颗粒燃料既具有良好的物理性能,其基本燃
[2] 何爽爽, 王新洲, 邓玉和, 等. 耐盐竹柳中密度纤维板的研究[J]. 中
烧性能也与烟煤相当,其着火和燃烬性能甚至优于烟 南林业科技大学学报, 2016, 36(1):134-141.
煤,将是更有市场前景的竹柳能源化利用方式,并且燃
用挥发分含量高的烟煤锅炉设备,原则上更适合直接 [3] 吴金绒, 衡利辰, 邓玉和, 等. 大豆蛋白胶制备竹柳胶合板的研究[J].
燃用竹柳颗粒燃料。 林产工业, 2016, 43(7):19-23.

1)燃料中的S和N是有害物质,容易形成酸雨及光 [4] 吴远媚, 姜立甫, 黄雪芬, 等.竹柳引种造林试验[J]. 湖南林业科技,
化学烟雾,竹柳颗粒中S、N含量极低,更利于环保。竹 2016, 43(3):75-78.
柳颗粒挥发分达到80 %左右,约为烟煤的2 .5 倍,低位
发热量约为烟煤的66 %。因此,竹柳颗粒可以替代褐 [5] 朱继军, 陈必胜, 王玉勤, 等. 苏柳、竹柳等速生能源柳引种研究[J].
煤和Ⅰ类烟煤作为工业锅炉的燃料。 安徽农业科学, 2012, 40(29):14290-14291,14322.

2)竹柳颗粒的平均相对燃烧速率前5 min内均在 [6] 王亭, 于华忠, 刘同方, 等. 竹柳发展现状及未来趋势——基于案例[J].
90 %左右,表现为易着火但不耐烧,不适宜单独燃烧。 湖南生态科学学报, 2015(1):50-56.
影响相对燃烧速率的最大影响因素为炉膛温度,因此
在实际燃烧过程中,要做好锅炉炉膛温度的合理调节。 [7] 白亚亚.原煤灰熔融性测定方法的优化[J].石油化工应用, 2013,
32(9):103-106.
3)竹柳颗粒的灰熔点低于烟煤,所以在应用于工
业锅炉时,需结合炉膛工况考虑其可能结渣而造成的 [8] 曾文, 陈潇潇, 刘静忱, 等. 航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性[J].
危害。可以通过增加某些高灰熔点煤提高竹柳颗粒燃 航空动力学报, 2012(8):1688-1695.
料的灰熔点,但要合理控制燃烧温度,使炉膛出口的烟
气温度控制在1 250 ℃以下为宜。 [9] 张丽萍, 徐德良, 陈小娟, 等. 麦秸秆与烟煤燃烧过程与燃烧特性比
较[J]. 木材加工机械, 2015, 26(2):31-33.

[10] 吴味隆. 锅炉及锅炉房设备[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2006.
[11] 肖奋飞, 陈小娟, 张林进. 燃煤环形套筒窑内煤灰熔融特性的初步分

析[J]. 工业锅炉, 2014, 36(4):25-28.
[12] 刘虎才, 冯静, 李培铖. 煤的灰成分对焦炭热态强度的影响[J]. 煤炭加

工与综合利用, 2015(8):56-60.
[13] 林博, 林荣英, 郑福宝, 等. 提高兰炭灰熔融温度的研究[J]. 福州大学

学报(自然科学版), 2014, 42(6): 935-939.
[14] 阮芮彬, 龙兵, 刘志强, 等. 生物质灰结渣判别指数研究[J]. 热能动力

工程, 2013, 28(6):650-654.

(责任编辑  张  骥)

(上接第39 页)

4  结语 参考文献
通过单片机和机械机构的合理结合充分实现了桌
[1] 张春艳, 陈文平. 便携产品结构设计研究[J]. 重庆科技学院学报(自
具的自动伸缩功能,对自动伸缩桌具的机械原理进行 然科学版), 2012(6):118-120.
探讨与结构分析,并基于现有的自动伸缩桌具的结构
原理进行相关的设计,得出以下结论: [2] 张凌浩. 产品的语意[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[3] 谭淑敏. 桌子“变形记”[J]. 家具与室内装饰, 2012(7):76-79.
通过对自动伸缩桌具的机构以及原理分析,通过 [4] 王宁侠. 机械设计[M]. 北京:机械工业出版社, 2010.
使用三维建模软件UG进行建模仿真,最终确定以支架 [5] 刘善林, 胡鹏浩. 曲柄滑块机构的运动特性分析及仿真实现[J]. 机
固定桌面延展式机构为研究对象。
械设计与制造, 2008(5):79-80.
利用步进电机、电机驱动模块、单片机所组成的控 [6] 杜力, 任亨斌, 黄勇刚, 等 平面连杆机构曲柄调速结构设计[J]. 图
制系统,通过控制电机的正反转,能实现桌面伸缩扩张。
学学报, 2013(5):20-24.
以支架固定桌面延展式桌具为研究对象,经由运 [7] 宋亮, 赵鹏兵. 曲柄滑块机构的运动精度分析与计算[J]. 科学技术
动学分析和零件尺寸设计,说明该次设计的正确性以
及可行性。 与工程, 2011(10):2201-2205.
[8] 刘善林. 曲柄滑块机构中滑块最大速度的位置探讨[J]. 机械,
基于以上结论可知,通过3 D仿真证明这种结构的
伸缩桌可以通过单片机的控制实现自动伸缩的功能, 2008(7):18-19, 42.
为人们提供了科学的设计方案。 [9] 张彪, 叶军, 鲁翔, 等. 一种丝杆螺母机构型机械手的设计[J]. 中国

西部科技, 2010(15):31-32.
[10] 杨黎明, 黄凯, 李恩至. 机械零件设计手册[M]. 北京:国防工业出版

社, 1993.

(责任编辑  李永康)

竹柳颗粒燃料燃烧性能实验研究——刘沙沙  张  健  马  楠  孙  军 - 43 -

生产与应用 林产工业

PRODUCTION & APPLICATION CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

松木木材脱油固脂的研究及应用

高中海  吴子良  王文涛  左艳仙  莫丽华

摘要:  松木木材浸注含有催化剂、渗透剂的饱和氢氧化钙水溶液,然后进行真空-微波干燥。利用催化剂和微波双重作
用,使松木中松香与氢氧化钙反应形成松香钙,达到有效的固脂目的;在形成松香钙的同时,松节油在真空-微波干燥中
得到较彻底的清除。处理后的松木木材,脱除松节油可达 80%以上,而树脂(松香)被脱去≤13%,物理力学性能的降低
<10%。
关键词:  松木;脱脂;氢氧化钙;醋酸钙;催化;真空-微波干燥
中图分类号:S781.7    文献标识码:A    文章编号:1001-5299(2017)07-0044-04
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201707010

Study and Application of Pine Board Turpentine Degreasing and Abietyl Immobilizing

GAO Zhong-hai1  WU Zi-liang2  WANG Wen-tao3  ZUO Yan-xian2  MO Li-hua2
[1. Planning and Design Institute of Forest Products Industry, SFA, Beijing  100010, China
2. Northwood (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou  510806, China
3.Shenzhen Guantian Industrial Development Co.,Ltd., Shenzhen  518020, China]

Abstract:  After impregnating the saturated calcium hydroxide solution containing catalyst and penetrant, the
pine wood were dried under microvave-vacuum condition. Under the double effect of catalyst and microwave, the
rosin in pine formulated calcium rosinate and effectively immobilization of abietyl; in the process, the degreasing
of turpentine was completed thoroughly by microwave-vacuum drying. The pine wood proceed can remove
turpentine over 80% with less than 13% abietyl removal, the mechanic performances loss are less than 10%.
Key words:  Pine; Deresination; Calcium hydroxide; Calcium acetate; Catalyze; Microwave-vacuum drying

松木中含有松脂,脱脂处理可防止或减轻木材使 木中松香与氢氧化钙反应形成松香钙,脱除松节油可
用过程中的变形、溢脂现象,提高油漆性能和粘合性 达 80%以上,而树脂(松香)被脱去≤13 %,物理力学
能。松脂由松香和松节油组成,可以采用碱性溶液高 性能的降低<10%,完全能够满足松木制品的加工要求。
温皂化法[1]、溶剂浸取法、高温干燥法等方法脱脂。这
些脱脂方法大都存在某些缺点,如耗时长、能耗高,环 1  试验部分
境污染、脱脂不彻底和材色加深严重等。另外在去除 1.1  仪器及原料
松木中的松节油的同时,松香也被抽提出来,使得木材 1 .1 .1  仪 器  小型真空-压力罐:带水环式真空泵(真空
的密度、硬度和强度有所下降。 度-0.095 MPa)、手动加压泵(压力2.5 MPa);小型间歇辐
射式微波-真空干燥设备:自制,内腔400 mm×400 mm×
微波辐射对许多有机化学反应有显著的加速作 518 mm,真空度为-0 .09 MPa,辐射功率2 000 W可调;
用,一些反应的反应速率能提高数百倍乃至上千倍,大 MWD- 10 B万能力学试验机。
大缩短了化学反应时间。有关在微波作用下松香与氢 1 .1 .2  原料  马尾松锯材试样:平均含水率24 .2 %,
氧化钙的皂化反应未见文献报道。 长(顺纹)40 cm、宽15 cm、厚6 cm(长度方向两头用
环氧树脂固化封端),放入塑料袋密封防止含水率变
该研究利用醋酸钙催化剂和微波双重作用,使松 化;氧化钙:AR;醋酸钙:AR;烷基酚聚氧乙烯醚(渗透

高中海,高级经济师,国家林业局林产工业规划设计院, 林产工业2017年第44卷第7期
E-mail:w8333@126.com
收稿日期:2017-01-03

- 44 -

生产与应用 林产工业

PRODUCTION & APPLICATION CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

剂JFC):工业级;甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠(净洗剂 过程每隔15 min排湿1 次。干燥完毕木材平均含水率
LS):工业级。 为18 . 2 %。
1.2   检测方法
试验5:同试验1,但不开启微波仅真空干燥:用长
木材松节油含量按照LY/T 1355—2010《松脂》[2] 40 cm、宽20 cm的电热铝板加热,真空度-0.09 MPa,加

测定;木材松香(树脂)含量按照GB/T 2677 .6—1994 热温度90 ℃。6 块松木板逐块夹于7 块电热铝板中,平
《造 纸 原 料 有 机 溶 剂 抽 出 物 含 量 的 测 定》[3]进 行 测 放,面上用20 kg铁板加压使木板和铝板紧密接触。干
定,采用丙酮做溶剂;木材硬度按照GB/T 1941—2009 燥时间为36 h,干燥完毕木材平均含水率为11.7%。

《木 材 硬 度 试 验 方 法》[4 ]测 定;木 材 抗 弯 强 度 按GB/T 2  生产应用
1936 . 1—2009《木材抗弯强度试验方法》[5 ]测定。 组合物溶液浸注入松木木材中,可采用常压法或

抗溢脂率的测定:取无节眼的木板样品在70 ℃的

恒温干燥箱中放置 7 d,取出观察板面判定溢脂情况。 满细胞法浸注。常压浸注需要较长的时间周期,根据

无树脂溢出,抗溢脂率为100 %;有少量(<6 处)小溢 木 材 厚 度 和 含 水 率 不 同,需 浸 泡 长 达 数 天 甚 至 数 十
脂点,抗溢脂率为80 %;有≥6 处小溢脂点但无片状 天,可用于浸注厚度较小(一般<2.5 cm)、含水率较低
溢脂,抗溢脂率为60 %;有≥6 处小溢脂点及总面积 (一般<30 %)的板材;对厚度较大、含水率较大(一般

≤ 1 cm2 的片状溢脂,抗溢脂率为40 %;有总面积> <30 %)的板材采用满细胞法浸注为宜。满细胞法大

1 cm2 ~≤3 cm2 的片状溢脂,抗溢脂率为20 %;有总面 大地缩短了浸注时间,一般耗时数十分钟到数小时即
积>3 cm2 的片状溢脂,抗溢脂率为0%。 可;对于湿材或渗透性差的树种的木材,采用“汽蒸-

1.3  松木木材的脱油固脂 真空”过程结合满细胞法浸注,可获得较短的浸注周
该研究通过如下几个步骤进行松木木材脱油固 期和满意的浸注效果。
2.1  配制组合物溶液
脂:配制脱油固脂组合物溶液→松木木材浸注组合物
溶液→真空-微波干燥木材。 将150 kg氢氧化钙(熟石灰)粉加入15 t水中,用循

1.3.1  组合物溶液的配制 环泵循环搅拌30 min,2 h后加入醋酸钙22 .5 kg,再用

将200 g氧化钙加入25 kg水中,搅拌20 min后加入 循环泵循环搅拌20 min,澄清12 h后泵出清液10 t,加入
25 g醋酸钙再搅拌10 min,澄清后取20 kg清液加入8 g 3 kg渗透剂JFC和5 kg净洗剂LS,用循环泵循环10 min
渗透剂JFC及5 g净洗剂LS,搅拌均匀备用。 搅拌均匀备用。

1.3.2  松木木材脱油固脂 2.2  生产1:俄勒冈松木材脱油固脂
试验1:将马尾松锯材试样6 块(长度方向两头用 将含水率18 .1 %、厚度4 .2 cm、长度210 cm的俄勒

环氧树脂固化封端),放入小型真空-压力罐,采用满 冈松锯材10 .50 m3,放入装载量为12 m3 的真空-压力
细胞法浸注1.3.1 组合物溶液:前真空压力为-0.095 MPa, 罐,采用满细胞法浸注2 .1 章节所述的组合物溶液:前

前真空时间为45 min;浸注加压压力1 .5 MPa,加压时 真空压力为-0.092 MPa,前真空时间为45 min;浸注加压压

间为90 min;后真空时间为8 min。浸注完毕后板材于 力1.2 MPa,加压时间为90 min;后真空时间为8 min。浸
室内竖立放置1 h晾干表面,使用试验室小型间歇辐射 注完毕,组合物溶液排放回原槽重复利用;板材出罐后

式微波-真空干燥设备(真空度为-0 .09 MPa,辐射功 逐层水平堆码,相邻两层互成90°叠放,每层相邻两

率选800 W)进行干燥。微波-真空干燥时间共300 min, 块板间距10 cm左右。板材自然晾干2 d后(测得含水
辐射间歇为前60 min每辐射20 s间歇2 min、之后每辐射 率70 .6 %),放入装载量为12 m3 的间歇辐射式微波-真
30 s间歇2 min。干燥完毕木材平均含水率为13.4%。 空干燥罐,选控制仪干燥基准档位为“密度=0.5~0.75”

试验2:同试验1,但组合物溶液不加醋酸钙。干燥 档(指木材密度,单位g/cm3,下同),干燥82 h至含水率

完毕木材平均含水率为13 . 0 %。 读数为13 . 0 %。
试验3:同试验1,但不浸注组合物溶液直接进行真 2.3  生产2:马尾松木材脱油固脂

空-微波干燥,时间45 min。干燥完毕木材平均含水率 处理材为马尾松生锯材7.95 m3,厚度5.5 cm、长度

为9 . 2 %。 210 cm,含水率87.6%。
试验4:同试验1,但不开启真空仅微波干燥,干燥 1)汽蒸-真空处理:设备为装载量12 m3 带汽蒸装

松木木材脱油固脂的研究及应用——高中海  吴子良  王文涛  左艳仙  莫丽华 - 45 -

生产与应用 林产工业

PRODUCTION & APPLICATION CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY

置的真空-压力罐。木材先在罐外叠放于设备配套的 松锯材8 . 23 m3,逐 层 叠 放 在 长 ×宽×高为4 . 5 m×
装载车上,每层板材之间等距横放4 条5 mm厚的隔条 2 m×1 .5 m的水池中,每层之间等距横放4 条2 mm厚
隔开。木材入罐后关闭罐门并设置好其他阀门,进行 的隔条隔开板材,最上一层面上放置数块长1 .9 m的混
交替汽蒸-真空处理过程,重复3 次;汽蒸过程的温度 凝土重块防浮,泵入2 .1 章节所述的组合物溶液至液
为105~110 ℃,真空过程的真空度为-0.085 MPa;汽蒸 面没过板材10 cm左右,浸泡16 d后板材出池,逐层水
时间(ST)、真空时间(VT)为:ST第1 次=30 min、VT第1 次= 平堆码,相邻两层互成90°叠放,每层相邻两块板间距
15 min,ST第2 次=20 min、VT第2 次=15 min,ST第3 次=15 min、 10 cm左右。自然晾干2 d后(测得含水率65.8%),板材
VT第3 次=30 min。 放入装载量为12 m3 的间歇辐射式微波-真空干燥罐,
选控制仪干燥基准档位为:“密度<0 .5”档,干燥71 h
2)浸注组合物溶液:采用满细胞法浸注2 .1 章节 至含水率读数为10 . 0 %。
所述的组合物溶液。上述第一步的第3 次真空作为前
真空,浸注加压压力1 .5 MPa,加压时间为120 min;后 3  结果与讨论
真空时间为8 min。浸注完毕,组合物溶液排放回原槽 试验1 ~5 得到的处理材,直接用压刨刨去上下面
重复利用。
及两长侧面各2 mm,锯截两端2 mm去除环氧树脂;生
3)预干:浸注组合物的板材出罐后室干至含水率 产1~3 得到的处理材,抽样截取长(顺纹)40 cm、宽15 cm
40 %~50 %左右,采用高温硬干燥基准,预热阶段4 h、 木板6 块,用压刨刨去上下面及两长侧面各2 mm。然
干湿球温度均为100 ℃,干燥阶段6 h、干湿球温度分别 后与马尾松素材(未脱油固脂处理的板材,放入60 ℃
为118 ℃和92 ℃。预干后木材含水率50.4%。 的烘箱中干燥至平均含水率为12 %左右)一起,进行
树 脂(松 香)、松 节 油 含 量 的 测 定 和 物 理 力 学 性 能 测
4)微波-真空干燥:预干后的木材放入装载量为 定。抗弯强度和表面硬度为试样调整至含水率12 %检
12 m3 的间歇辐射式微波-真空干燥罐,选控制仪干燥 测,或检测结果换算为含水率12%的数据。结果见表1。
基准档位为“密度=0 .5 ~0 .75”档,干燥47 h至含水率 3.1  脱油固脂处理木材
读数为12 . 0 %。
2.4  生产3:樟子松木材脱油固脂 试验1、生产1 为采用满细胞法浸注组合物溶液,

将含水率28 .3 %、厚度2 .3 cm、长度210 cm的樟子

表1 木材脱树脂、脱油率及物理力学性能测试结果
Tab.1 Test results of turpentine degreasing rate, abietyl immobilizing rate, and mechanic performance

序号 脱树脂率/% 脱油率% 抗弯强度/MPa 抗弯率/% 端面硬度/N 持硬率/% 抗溢脂率/% 综合性能/%
试验1 11.03 96.31 98.8 98.11 4 690 91.60 100 96.51
试验2 13.02 83.56 92.3 91.63 4 270 83.40 80 84.65
试验3 28.57 60.46 82.7 82.12 3 840 75.00 70 71.90
试验4 18.22 66.23 88.1 87.46 4 270 83.40 60 74.27
试验5 13.87 78.77 64.7 89.07 4 690 91.60 60 79.86
生产1 8.50 88.12 102.0 87.63 5 230 93.33 100 92.27
生产2 12.91 95.77 97.5 96.89 5 120 100.00 100 98.17
生产3 6.54 82.10 46.4 92.71 3 370 90.91 100 91.43
素材 — — 100.7 100.00 5 120 100.00 0 50.00

注:表中之抗弯率是指处理后木材的抗弯强度与处理前的抗弯强度的比值;持硬率是指处理后的木材的表面硬度与处理前的表面硬度的比值;综合性能
是脱油率、抗弯率、持硬率和抗溢脂率的平均值。

辐射式微波-真空干燥脱油固脂处理木材。处理材的 在松木木材改性技术领域,过去普遍认为,要改善
松香(树脂)基本上保留下来,松节油则去除较彻底。 松木的溢脂和变形性问题,就得脱脂,把松脂从松木中
脱树脂率仅为11 .03 %、8 .5 %,脱油率则达到96 .31 %、 脱除出来,越干净越好。松脂由松节油和松香组成,而
88 .12 %,抗弯强度、硬度也基本上没有降低,高温烘烤 松脂的流动性是由于松节油的存在而引起的。因此,
没有溢脂。 只要将松节油从松木中去除,就可以获得理想的处理

- 46 - 林产工业2017年第44卷第7期

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