单板条层积材的研究与发展

单板条层积材的研究与发展
摘要：介绍了工程木质材料中单板条层积材的生产工艺和优缺点，分析了单板条层积材的各种性能和蠕变，根据单板条层积材研究现状，对其发展提出了建议。

关键词：单板条层积材性能生产工艺
木材是世界公认的四大材料（钢材、水泥、木材和塑料）之一，也是唯一可以再生的生物材料[1]。

工程木制材料是通过一系列加工,产品强度性能具有评价、设计、保证的结构用木制材料。

相比较于实木而言，强度性能可靠性高，强度性能明确且有保证。

工程木制材料一般都用作结构材料,取代传统的实体木材。

它主要包括单板层积材、单板条层积材、结构用集成材、机械应力分等锯材、结构用指接材、结构用胶合板、定向刨花板(OSB)等等。

工程木制材料作为受力的结构用材可广泛地用于建筑、桥梁、交通运输、家具等领域[2]。

1 单板条层积材
单板条层积材(PSL)是工程木质材料中的一种，是一种新型高强度木质复合材料，可利用低等级小径木生产，由窄单板条沿木纤维长度方向定向排列成型，主要用于建筑结构领域[3]。

也有用Parallam®代指PSL的情况，Parallam®是商标。

其高强度性能且对原料的形态限
制小，碎单板可作为PSL的绝佳原料。

可用小径原木或低等级单板，生产出高强度、大规格结构材产品。

具有质量均匀、尺寸稳定的优点，主要用于建筑托梁、内墙柱、门框、窗框和楼梯扶手等部件[4]。

上世纪70年代，加拿大麦克米兰·布隆德尔公司提议开发一种新的复合材料，这种复合材料被称为单板层积材，1986年首次出现在北美市场，此后国内外学者就单板条性能、工艺、影响单板条性能因素方面进行了大量研究[5]。

我国对PSL的研究始于1990年，起步较晚，但发展迅速，对PSL的生产工艺和物理力学性能进行了研究[3]。

2 单板条层积材制造工艺和优缺点
单板条层积材生产工艺，在单板切条之前和胶合板生产几乎完全相同，其工艺流程：原料准备-单板切条-单板条干燥-喷胶铺装-热压-冷却-检测，如用小径原木，则首先截断,然后剥皮蒸煮、旋切单板，原木的旋切；如用湿单板为原料，则需经单板干燥机干燥，然后堆垛备用。

在加工过程中剔除了节子等天然缺陷后，质量均匀，尺寸稳定,产品纹理一致，没有钝棱、翘曲、扭曲和开裂现象，不产生边角废料。

其强度和耐久性均比天然木材好。

单板条层积材的缺点是工艺复杂，采用微波加热生产成本高，固化能耗大，又因该产品可利用低质材料，且产品质量高，强度高，克服了缺点，补偿了价格。

3 目前国内外研究进展
国外关于单板条层积材（PSL）的研究主要侧重在力学性能方面；国内的学者主要在工艺方面上做了一定的研究，得出单板条层积材（PSL）的性能受含水率、树种、单板条尺寸、表芯层质量比、施胶方式、施胶量、热压温度和热压时间等因素的影响，但这些工艺仍停留在实验室阶段，很少应用到真正的生产中。

4 单板条层积材（PSL）性能及蠕变
4.1测试方法
国内目前并没有专门针对单板条层积材的测试标准，国内学者大都采用GB/T17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行检测，主要测试项目包括密度、含水率、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)、吸水厚度膨胀率(TS)、静曲强度（MOR）等[5]。

图1 杨木PSL试件上力的加载方向
4.2单板条层积材性能
板材密度是影响杨木PSL性能的主要因素。

密度减小，则板材的3项主要力学性能指标均减小；涂胶量、热压时间及热压温度则对试板的MOE、IB、MOR、和24hT S有影响。

抗弯强度和抗弯弹性模量，PSL弹性模量介于LVL和LSL之间，具有良好的承载能力，可用于桥梁。

力的垂直加载和平行加载(图1)。

杨木PSL平行加载抗弯强度、抗弯弹性模量大于垂直加载。

PSL主要破坏机理涉及弯曲破坏，剪切破坏和单板条间的黏合效果。

在加载初期，杨木PSL试件处于弹性阶段，其荷载-位移曲线表现为线性，呈线性递增，20mm宽度的单板条杨木PSL平行加载斜率大于垂直加载(图2)。

图220mm宽度单板条杨木PSL的抗弯曲线
吸水厚度膨胀率（TS），热压时间对PSL试板的TS有显著影响。

随热压时间的延长，胶黏剂得到充分固化，从而提高了板材的胶合强度和耐水性，PSL试板的TS快速下降。

内结合强度（IB）涂胶量对PSL试板的IB有显著影响。

随着涂胶量增加，PSL试板的IB呈现先升后降的趋势。

因为单板涂胶量较低时，单板表面较粗糙、背面裂隙较大，没有足够的胶量形成连续的胶层，从而影响其胶合。

随着板材密度的增加PSL试板的IB亦提高，原因是随着密度的提高，单位压力越大，板材内部结构密实，故IB提高；但随着热压温度持续升高和热压时间继续延长，PSL试板的IB变化不再明显[6]。

PSL制成的枕木握钉力相当于实木。

木材的抗劈力对木材握钉的牢固程度有着密切关系。

一般而言，木材的抗劈力弦面大于径面。

因此，杨木PSL在平行加载方向和垂直加载方向的握钉力显现差异，即垂直加载方向握钉力大于平行加载方向。

螺钉拧入试件中时，单板条纤维一部分则受到螺纹的挤压作用，另一部分会受到螺纹的剪切作用。

螺钉垂直加载方向拧入时，剪切层由杨木单板条和胶层间隔组成，螺钉与单板条接触面积越大，螺纹对纤维的剪切和挤压作用对螺钉的抗拔力的影响越大。

而螺钉在平行加载方向拧入时，由于单板条是平行铺装的，螺钉与试件接触面积一部分有可能是胶层区域，挤压作用减小，抗拔力也随之减小。

冲击韧性，PSL在冲击载荷下的破坏模式与静载荷相似，静载荷是缓慢加载，而在冲击载荷下失效发生得更快;试件主要由弯曲模式和剪切组合破坏而失效。

冲击载荷下垂直加载
冲击韧性大于平行加载。

影响冲击韧性的因子有由木材横纹的内聚力决定的破坏时纤维抵抗力的大小，韧性好的木材难以劈开，所以也受抗劈力、横纹抗拉强度及顺纹抗剪强度的影响。

杨木木材的横纹抗拉强度径向大于弦向，但因为杨木径弦向横纹抗拉强度相差不大，因其是散孔材木射线较少。

木材弦面抗劈时木射线呈轴向受拉状态导致杨木弦面的抗劈力大于径面。

垂直加载时，试件表面纤维吸收能量，试件受到顺纹方向的剪切力，破坏的面在木材的径面上，破坏发生在木射线细胞处，主要原因是射线细胞胞壁比较薄弱。

裂纹沿射线延展，断裂面粗糙，可能会产生大变形使缺口钝化，延缓了裂纹扩展，有助于材料吸收更多的能量。

因为单板条平行铺装、平行加载时，剪切层或为胶层，胶层比木胶合板更脆弱，当试件受到快速冲击时，只有表面的木材纤维吸收冲击能量。

冲击载荷下PSL的破坏模式与静载荷相似，但对杨木PSL力学性能各向异性的影响不同，垂直方向韧性更好[4]。

4.3蠕变
在一定的载荷下木质材料发生的变形会随着时间推移不断增大，且比钢材、混凝土等具有更为明显的蠕变特性。

在应力水平不同的条件下，随着应力水平的增加，同一种铺装方向的杨木单板条层积材的瞬时弹性变形也相应增加。

在应力水平相同的条件下，平行铺装的单板条层积材的蠕变变形比随机铺装的变形速率要快。

在试验过程中，杨木单板条层积材对试验环境的温度和相对湿度的波动比较敏感，因此存在机械吸附的作用。

在昼夜温度和相对湿度有差异的条件下，试件的吸湿和解吸交替进行，导致其蠕变变形会在小幅度范围内变动。

杨木单板条层积材在蠕变试验进行到一定时间后，延迟弹性变形已趋于一个恒定值。

大约在600ｈ后，可以近似认为只存在粘性变形[6]。

5 对单板条层积材（PSL）研究现状与发展
单板条层积材（PSL）在我国的发展尚处于实验开发阶段而国外关于单板条层积材结构材已经有较多的研究，技术较成熟。

国内在加工生产方面也比较少，单板条层积材用作装饰基材上会更容易达到力学性能方面要求，但很容易发生翘曲等现象。

企业应与相关科研机构合作，通过优化工艺解决问题，另外建立产品的特征值、设计值，编写产品设计手册等，提高产品的可靠性和竞争力[3]。

在实际生产过程中，挑选筛检再加工会浪费大量人力，提高成本，会削弱企业生产单板条层积材的热情，阻碍其大规模市场化生产。

且大多数企业仍处于粗放经营、落后管理的阶段，工艺和设备水平落后，设备自动化程度和生产效率较低，而且缺少技术开发和创新能力，产品质量参差不齐，特别是难以保证甲醛释放量和强度指标。

企业应分析自身优势和劣势，针对性地进行产品结构调整和技术升级，提高技术创新能力。

国外关于PSL等结构用材的性能检测、生产制造及安装使用都有一套成熟的标准体系，而国内木材行业在此方面研究较少。

目前，对单板条层积材的测试方法和评价标准参照的是其它人造板的标准，针对性不强。

应加快我国针对单板条层积材性能测试及评价标准的制定。

研究使用性更广的测试方法与评价标准，以供不同尺寸或不同树种的单板条压成的单板条层
积材的测试研究，和评价不同用途的单板条层积材。

我国PSL规模化生产受到设备的限制，由于结构用单板条层积材（PSL）的规格较大，采用常规的热压方法，板材在热压时难以固化芯层胶黏剂，国外主要采用微波连续热压的方式生产PSL板材。

要生产大规格的PSL板材，必须增加单板条锯切机、微波加热热压机等一系列设备，前期投入资金较大。

因此，应加强引进国外先进技术，加快推进设备的升级改造，加强硬件实力，实现设备生产线本土化[5]
参考文献：
[1]申世杰,王丽宇.我国开发落叶松工程木制材料的前景分析[J].国际木业,2002(12):12-16.
[2]申世杰. 我国工程木制材料开发与应用的前景分析[C]. 中国林学会.2005年中国科协学术年会26分会场论文集（1）.中国林学会:中国林学会,2005:12-15.
[3]于文吉,张亚慧.结构用单板类人造板的应用及发展[J].木材工业,2016,30(02):48-50.
[4]王慧,张娅梅,朱越骅,潘彪,於朝广.单板条层积材(PSL)力学性能的各向异性[J].林业工程学报,2018,3(04):51-55.
[5]韦亚南,杨娜,李艳云,周宇,王金林.单板条层积材(PSL)的研究进展[J].木材加工机械,2015,26(04):53-56.
[6]陈晓艳,孙丹丹,王志鹏,张海洋,卢晓宁.杨木单板条层积材的蠕变性能分析[J].西北林学院学报,2014,29(04):203-207.。