(质量管理知识)刨花板质量

（质量管理知识）刨花板质
量
如何提高刨花板质量（Ⅰ）--合理控制密度及垂直于板面密度分布
摘自：本站原创
作者：木业网
编者按：我国的刨花板生产近十年来受到中密度纤维板（MDF）的冲击，曾一度处于回缩低迷状态；但最近几年来刨花板年产量已开始回升，2003年产量已达547.1万m3，进入了一个重新发展时期。

如何提高刨花板质量是众多的刨花板生产企业首要的感兴趣的问题。

为此，本刊特将中国林科院木材工业研究所王培元研究员生前在1985～1986年撰写的《如何提高刨花板质量》系列文章略加删简，分成七篇汇入本刊，着重介绍刨花板的原材料性质、板子结构、物理力学性能与制板工艺等关系；限于篇幅，删除了有关管理与设备篇章。

对于目前所发展的各种结构刨花板，刨花板新产品、复合板、脲醛胶以外其它胶种所制造的刨花板、非木质原料刨花板等质量有关的特殊问题，不作介绍。

一、合理控制密度及垂直于板面密度分布
有关刨花板的质量问题似乎可分为两类：一类是带有原理性质的，如密度，垂直于板面的密度分布，表面质量，用胶量，施胶效率，甲醛释放，原料性质，刨花几何形状，板坯结构，热压条件，回弹，含水率及尺寸稳定性，产品不同用途对产品质量的要求等。

另一类则属于生产中的产品质量控制，如产品厚度控制，合理砂光量控制，抗弯强度、垂直于平面的抗拉强度及吸水厚度及吸水厚度膨胀控制，车间质量控制，过程控制等。

本文仅概要介绍密度和垂直于板面密度分布两个专题。

（一）合理控制密度
从我国现阶段刨花板生产情况出发，合理控制刨花板密度可是刨花板生产技术管理中的一把金钥匙。

提高刨花板的密度几乎可以改进所有的力学性能。

一般认为，当板的密度增加100kg/m3，静曲强度约可增加8N/mm2（80kgf/cm2），垂直于平面的抗拉强度约增加0.2 N/mm2（2kgf/cm2）其它力学性能如
抗弯弹性模量、握钉力、硬度、抗压损等都有很大增强。

其原因是随着压缩比的增大刨花之间的孔隙减小，而且胶接面积增加，板子的强度自然增加。

然而，随之而来也产生某些严重问题。

第一，既然增加密度对刨花板的质量有如此明显效果，人们便以此作为医治质量的灵丹妙药。

其趋势是刨花板密度越来越高，于是在产品成本和产品利用方面产生极为不利的影响。

这种密度不断提高的现象是因为木材原料的质量越来越差，使用阔叶材、木材剩余物以及锯末等低值原料的缘故。

此外，某些新贴面材料的使用也要求刨花板密度提高。

第二，刨花板的密度对质量的影响既然如此敏感，在生产中就一定要有严格的措施，使板子的密度在平面方向力图尽可能均匀，才能保证质量的稳定。

如何合理选择刨花板的密度？对此，各国学者做了大量研究工作。

一般认为在加工过程中，影响板子密度的工艺条件有：原料密度、板密度与原料密度之比（即压缩比），用胶量，刨花几何形状等数项参数。

例如，美国科技人员Price和Lehmann在七十年代末，用五种木材原料，其中三种为低密度木材，两种为高密度木材，分别用双鼓轮刨片机、旋切切片机、鼓式切片机、盘式削片机四种备料设备做出不同几何形状的刨花；用液体酚醛树脂作为胶合剂，采用不同的压缩比，制成三层结构的建筑用板。

分别测试它们的静曲强度、平面抗拉强度（内结合力）和厚度膨胀率。

从他们的试验结果可以看出以下几个趋势：
⒈力学指标（静曲强度和平面抗拉强度）都随压缩比的增加而得到不同程度的改善。

然其厚度膨胀值的趋势并非一定如此。

⒉对于低密度木材原料，刨花的几何形状和用胶量这二参数对刨花板的物理力学性质的影响大于压缩比的影响。

换言之，即刨花几何形状和用胶量对于用低密度木材所制成的刨花板的密度有比较明显的作用力。

而对于高密度木材原料，则压缩比对刨花的性能有相当大的影响，其它因素只能起次要作用。

⒊对于大部分木材原料，合适的压缩比为1.3:1左右。

不同的用胶量和不同的刨花几何形状应有一个
合适的压缩比值。

对于混合树种，有一些研究者的研究结果表明，对于板的强度和密度之间的合适平衡关系可取一个混合树种的平均密度及合适的压缩比。

为此，很多刨花板厂在利用原料时，不在乎树种的复杂，而需要控制各树种的一定配比。

在我国，很多小厂可利用对密度相近的树种分类这种简单易行的方法。

（二）合理控制垂直于板面的密度分布
垂直于板面的密度分布是目前国际上广泛应用于刨花板质量控制，设备设计的改进，质量指标的预示，以及施胶效率的估计等方面的一个重要工具。

国际上对此曾经进行了大量的研究工作，现在已相当普遍地利用其中有关的原理说明刨花板的质量问题，所以，对刨花板技术工作者，这方面的知识显得十分重要。

美国林产品研究所的一些研究人员，在五十年代后期就已注意到刨花板厚度方向的密度分布是不一致的。

多数情况为具有一个类似V字形的分布，即板的中间层密度最低，靠近板面两侧的层密度为最高，由此再分别向两个表面方向，密度又逐渐降低，一直到板的表面。

（见图1b）。

他们认为产生这种形式的密度分布原因在于：⒈当刨花板坯在热压时，热量传导并非靠刨花的热传导，而是靠水分将热量由板坯表面带到里层，再由中心向中心层的四边扩散，然后逸出板坯；⒉当带着热量的水分通过某刨花层时，该刨花层的塑性便大大增加，非常容易被压实成为高密度的局部层；⒊当板坯开始经受加热，首先受热的是板坯上下两个表面，假如在某时板坯表面温度已超过胶的固化点，而板坯又由于热压板尚在闭合过程尚未受到一定的压力，便形成了一层疏松的胶料预固化层。

随着时间的推移，虽然这层刨花也将受到较大的压力，但因胶料已经固化，而且已无水分在该层移动，所以它的密度便难以提高；⒋当压机压力达到最高的时刻，水蒸汽又正好通过板坯的某两层时，则此两层的刨花必将被压得最为密实。

在成板之后，这两层的密度就是分布曲线中的两个最高点；⒌当水蒸汽进入中间层时，虽然此时位于中层的刨花的塑性也将有所提高，但这时为了要维持板的厚度，热压板的压力要不断地下降，一直到最低点。

因此，反映在板的中层的密度也是越来越小。

这种解释法在当时的科学水平基础上已相当深入，而且可认为是比较确切。

当时，对这些现象仅停留在一般的认识上。

一直到七十年代初，才由联邦德国著名学者Plath对刨花
板的垂直于板面的密度分布作了精密的测定。

并且作了力学分析。

此后，世界各国有关学者都关心起这个领域的研究课题。

迄今，有关这方面的知识已经相当丰富，并已有相当多的实践应用经验。

Plath等人使用精密圆锯将试材按厚度方向锯开，并将这些薄片加以测量和称重，得出各层密度值。

将这些值按刨花板厚度方向画出曲线图，即得到垂直于平面的密度分布。

图1是他们当时对四种不同样品进行分层测定的结果。

这四种分布在当时可认为是典型分布。

目前见之于国际市场上的刨花板，其垂直于平面方向的密度分布绝大部分属于第2种，即具有如图1b所示的分布曲线。

在很多情况下，如图1c和d所示的某种不对称现象也常有所见。

由于后两种板都取自于商品板，无疑是经过砂光的。

实际上这四种板在未经砂光之前的毛板密度分布曲线都属于图1b所示的这一种。

曲线a（图1a）是近似于抛物线的分布曲线。

表面没有疏松层。

表面密度与中层密度的比达到1.8:1。

这样的分布曲线对静曲强度有很大的增强作用，不过很难做到。

因为这样的板子不允许或只允许仅有微小的砂光余量，否则经济上难以立足。

图1 四种板子样品的垂直于板面剖面密度分布
a 取自气流铺装工艺的刨花板样品
b 取自三层刨花板的样品
c 取自经过预压，三层刨花板的样品
d 取自美国生产的中密度纤维板的样品
垂直于板平面的密度分布何以使人感到如此重要？因为它与板子的力学性能有密切关系，了解了他们之间的关系，就能掌握和利用。

近十年来，用的一种方法是根据垂直于板面的密度分布直接计算出抗弯弹性模量以及其它强度值。

对于垂直于板面的抗拉强度及横向剪切强度仅与板内最低密度层处的密度值有关，正常板子的最低密度层处于板的中心层。

对于抗弯强度则由以下数学式取得：
E·J＝EiJi i=1…n
式中：E —板的E模量
J —板的惯性力矩
Ei —某层的E模量
Ji —某层的惯性力矩
n —层数
根据国外一些人的研究，获知刨花板的层密度与弹性模量具有密切的关系。

假如板的原料，刨花几何形状及用胶量均是一致的话，则近似地可以认为弹性模量与层密度成正比。

如果用比较精确的关系式，则：层弹性模量E ＝eµ×（层的密度）α
式中µ为常数，e为自然对数的底。

α＝1.2~2.5，与树种、刨花几何形状、刨花排列方向及胶接强度等因素有关。

有了层弹性模量和层密度之间的关系之后，便可利用E·J＝ΣEiJi这个数学式来加以计算分析，从这个数学式可知，越是处于外层的层弹性模量越高，对板的总的抗弯弹性模量的提高作用越大，因为惯性力矩与距离的平方成正比。

也即是说，板外层的密度越高，或说最高密度层越靠近板的表面，则板的抗弯弹性
模量及强度就越高。

当然，板外层所用之原料、胶量及刨花形状，对板的抗弯弹性模量及强度有着显著作用。

由此可见，板的表面疏松层对板的抗弯弹性模量及强度相当不利。

在生产中最好将热压后毛板密度分布中的最高点尽量靠近表面，表面疏松层正好在砂光操作中被除去。

国外设计刨花板及中密度纤维板热压机时，在工艺上的依据最重要的是能压出合乎要求的垂直于板平面的密度分布。

国外最近发展起来的平压连续式热压机的最主要优点即在于此。

除了设备设计之外，生产管理人员对密度分布的重要性也必须有所认识。

否则，设备再科学，也难以生产出高质量且具有竞争力的产品。

那么什么是合理的密度分布呢？
图2 由连续式热压机所生产的板子（未经砂光）的密度分布
图3 由单层热压机所生产的板子（已砂光）的密度分布
图4 工业华夫刨花板剖面密度分布
左边：调整热压曲线之前
右边：调整热压曲线之后
⒈如上所述，成品板的两个面层密度尽可能高，这将提高板的抗弯弹性横量和强度，并将大大提高表面质量。

⒉板的中心层密度不能过低。

否则将影响板的垂直于平面的抗拉强度。

为满足某种特殊用途的需要，可提高板的中心层密度以增强垂直于平面的抗拉强度，而适当牺牲一些抗弯强度，反之也一样。

⒊密度分布应该对称。

正背两面密度分布不对称的板子容易产生翘曲。

⒋密度分布应该连续升降。

倘若所生产的板子密度分布忽升忽降，则各项强度值将明显下降。

图5 压机闭合速度（实验室用压机）对垂直于板平面的密度分布的影响（板厚19mm，三层结构）x
图6 不同含水率和不同温度对密度分布的影响
最后，介绍一下测定垂直于平面的密度分布的方法。

最简单的方法是用一精密平刨机。

一层层地刨掉，每刨掉一层计算其重量损失及厚度损失，再换算成层密度。

这种方法比较简单易行。

目前世界上有多种测密度分布的专用仪器。

中国林科院木材工业研究所置有一台精密的密度分布测定仪，用γ射线自动检测层密
从表1的数据看到：
⒈板的密度在0.5-0.7g/cm3范围内，以相同密度板比较桦木板的质量比松木板的总要差。

但是只要提高桦木板的密度，各项指标都可与松木相一致。

这是因为桦木本身的密度比松木高，如压制同样密度的刨花板，松木板的压缩比比桦木板的要高，德国的桦木平均密度为0.61 g/cm3，松木平均密度为0.49
g/cm3，密度差异是较为显著的。

⒉即使是同种木材，由于生长地点、取材部位、径级等不同，密度也有差异，因而所制成的同密度的板子，彼此之间也有差异。

从现代生产管理角度来看，德国松木刨花板的密度一般在0.65 g/cm3左右，而桦木板的密度要在0.70-0.72 g/cm3以上。

假如以桦木为原料，仍制造密度为0.65 g/cm3的板子，则板的质量难以达到标准。

在使用同种木材原料时，因原料密度不同而出现板的质量上的连续波动生产中较易调整；而要避免不同原料间密度的较大差别带来的问题，质量管理人员对此应胸中有数，否则就很难取得具有稳定质量的产品。

现时多数刨花板厂使用的是混合原料，对于混合树种，又如何考虑其密度问题呢？这里有一个试验结果可作参考。

美国Vital等人用四种密度差异颇大的热带木材——A毛泡桐（paulawnia tomentosa），B 维罗拉木（Virala spp），C艳榄仁树（Terminalia Superba），D非洲红豆树（Pericopsiselala）作试验。

它们的密度分别为0.28，0.43，0.57，0.65 g/cm3。

试验分：单独原料(A、B、C、D)和混合原料（搭配法为：AB，AC，AD，BC，BD，CD，ABC，ABD，ACD，BCD，ABCD）。

每一种试验又分别以低压缩比（1.2:1）和高压缩比（1.6:1）两个条件进行铺模压板。

试验结果表明，在压缩比相同的条件下，板的静曲强度和弹性模量与木材几乎成正比，平面抗拉虽然也随木材密度增加要有所提高，但直线关系不明显，厚度吸水膨胀与木材密度看不出有什么一定的关系。

这说明了用混合树种原料生产刨花板可按平均密度选择一个合适的压缩比，板的静曲强度是各种原料配比量的平均数；平面抗拉有可能比各种原料配比量的平均数低，但能达到要求；吸水厚度膨胀则不会因原料配比而大幅度升降。

由此可见，为什么世界上很多大型刨花板厂照样使用混合原料。

他们并不怕几种原料的混合，而是怕不按固定比例混合。

为此，便不惜以重金加大各工段的投资，设置多台刨花备料机械，并将其分开储存。

我国小型刨花板厂很多，一般情况是来料较杂，而设备设置又不能过分细分，这给管理带来很大麻烦和困难。

补救的办法是能否将密度相近的材种大致分类，然后再估计其混合原料的平均密度（有关木材的密度的数据，我国已有大量积累，请参看：中国林业出版社出版的《中国主要树种的木材物理力学性质》一书）。

最好的办法是工厂管理人员使来厂
的原料树种达到稳定或趋于单纯，对厂内常用的几个树种其密度可按我国木材物理力学试验标准自己进行测定。

这对一般木材加工企业来说并不困难。

（二）原料的pH值及缓冲容量
树种影响刨花板质量的另一重要参数为木材的pH值及缓冲容量。

我国刨花板生产几乎全部使用脲醛作胶粘剂。

世界上刨花板工业中，虽已有多种胶料在使用着，但脲醛树脂仍占多数。

脲醛树脂的固化对原料的pH值和缓冲容量是相当敏感的，它需在酸性条件下才能固化。

为了补偿木材本身酸度之不足，在刨花板生产中一般要加入固化剂，使它与脲醛树脂接触后生成酸性物质。

而另一方面，如脲醛树脂在过高的酸度环境中，在刨花板板坯未热压前就会发生固化。

所以，在工艺上要针对原料本身的酸度加适量的固化剂。

这就首先给车间管理人员提出这样的课题：“原料本身的酸度如何？”“原料酸度对固化剂用量的影响又如何？”
在这方面做过研究工作的人很多，而且都是在早期，这里仍引用一下Kehr E.在1965年的试验工作结果，它比较简单易懂。

从图1、2的曲线可以看出：（1）对低pH的树种——橡木和落叶松，在刨花板压制中即使不加固化剂，脲醛树脂也能固化得比较充分，取得较好的胶接效果：而对pH高的树种榆木及白杨，则需要加相当量的固化剂才能成板，且胶接强度始终不是很好。

（2）当使用高pH值及低pH值原料混合制板时，可以按平均pH值的原料对待。

从这一点看，在生产中使用混合原料时，除了注意原料密度之外，还要根据树
刨花厚（干）（mm）pH值
缓冲容量：
到pH值＝11（ml0.1nNaoH）到pH值＝3
（ml0.1nHCl）
刨花筛份（％）中层
4mm
1.25mm
表层
1.25mm
板质量
密度（kg/m3）
静曲强度
（N/mm2）
平面抗拉
（N/mm2）
吸水厚度膨胀(%)2小时
吸水厚度膨胀（％）0.39
4.2
9.0
3.0
34.4
51.2
14.4
651
26.5
0.66
3.3
0.38
4.1
26.0
2.0
37.0
48.0
15.0
649
26.0
0.47
5.4
0.32
4.5
8.5
4.0
37.0
49.4
13.6
647
24.3
0.47
6.1
0.35
4.2
19.0
2.5
15.9
72.8
6.3
649
24.1
0.42
4.4
0.38
4.6
15.0
2.0
27.9
52.6
18.5
651
24.8
0.52
3.2
影响，但并未得出如密度和板质量之间这样确定的关系，严格地讲，至今只是处于定性分析的阶段，车间质量控制中主要依靠经验或经验方程式，在这方面仍有深入研究的必要。

最近有人发现木材内不可溶物质的酸基含量与脲醛树脂胶凝胶时间的相互关系比pH值和缓冲容量有更加密切的关系，也即具有更高的相关关系（可参见Holzfor-schung 1983, No3, 117-120; 林业科学1985，No3, 260-267）这一结果很值得注意。

（三）原料的形态、质量和品种
原料本身的形态对刨花板的质量能起决定性作用。

利用小径木为原料，总是极为有利的，它可以随心所欲地加工成各种形态适宜的刨花，刨花的长度和厚度都比较容易控制。

欲利用细木工下脚料或平刨下来的工厂刨花生产高质量的刨花板则难得多。

这主要关系到刨花形态的问题，故拟于后文专述。

此处着重介绍原料的质量和品种的问题。

现在多数人认为在一般情况下如将树皮混在原料之中，仍能制造出标准质量的刨花板。

树皮中影响较大的主要是含有硅化物的存在是磨损刀具的主要因素，所以，在质量管理中，对于合理利用也有很大意义。

在本文第Ⅰ部分中已叙述，欲提高刨花板的静曲强度，重要的是需要加强二个面层的强度。

因此，将树皮置于中层，则对板的静曲强度无多大影响，甚至有时还产生积极作用。

Starecki A.于1979年发表了一项颇有意思的试验。

他用松树皮分别配入松木中，分别以树皮含量为20，40，60，80，100％压制单层和三层刨花板。

在制三层刨花板时，按总的百分比算出的芯层的树皮量，看它的效果究竟如何。

从图3看出，随树皮含量的增长，只将树皮置于芯层树皮含量提高了之后，会不会导致平面抗拉强度的下降？试验结果（见图4）表明了三层刨花板的平面抗拉并不低于单层刨花板，反而还提高了一点。

这是因为树皮的形态有利于平面抗拉。

从吸水厚度膨胀率这方面考察，三层刨花板的要低得多。

限于篇幅，这里不再详细解释为什么将树皮全放在芯层不但静曲强度有明显改善，而且平面抗拉不下降和吸水厚度膨胀明显降低。

以上所叙的试验结果说明，凡利用高树皮含量的原料，将其放在刨花板的芯层，会有很多好处，那么又如何对待表层呢？Kehr E.(1959)对此仔细作了研究。

结果表明，如表层刨花的树皮含量达到8－10％，可将刨花板的密度提高2－5％，补偿了其静曲强度下降的部分。

此外，表面受空气湿度变化而发生湿度变化时，因树皮和木质纤维的胀缩不同而起糙，这需要适当加大表面层的用胶量及提高其密度。

对此，工厂管理人员就需要根据具体情况权衡利弊，从而找出一个有利于自身产品质量及经济利益的平衡点。

总的来说，如树皮全用于芯层，则板的树皮绝对含量大致可划一个范围：对于标准刨花板，可以达到30％左右；对结构大片刨花板则不能超过25％。

如树皮用于表层就要考虑具体情况。

对于枝桠和梢头，主要考虑的也是树皮问题。

用小的枝桠和梢头直径（2.5cm）做刨花板，在各项物理力学性能中，板的吸水线性膨胀值太高，做结构板是不可取的。

随着枝桠和梢头的直径加大到10cm，这项指标会有所改善。

从应用的角度看，用于家具的标准刨花板和吸水膨胀的要求不像结构板那么高。

只具有轻度腐朽的木材（腐朽程度小于50％）是可以利用的，在板的物理力学性能中不会有很大影响。

如腐朽程度太大（>50），即使与好木材各搭一半使用，其平面抗拉强度也将有大幅度下降。

有关平刨所产生的刨花、废单板、锯屑等利用的问题拟于后文“刨花几何尺寸”部分再作介绍。

不过所占比例较小；在国内还极少使用。

因此这里所述的内容仅限于脲醛树脂。

胶在热压中，为了加速固化，需要将胶处于酸性的条件。

而商品脲醛胶是碱性的（pH=7.5～8.0）。

利用胺盐作为生成酸的物质，如氯化铵，硫酸胺，磷酸胺等。

我国习惯用NH4Cl，其作用为：
4NH4Cl+6HCHO4HCl+(CH2)6N4+6H2O
所以，当氯化铵（NH4Cl）加入胶料中，便生成盐酸（HCl）及六亚甲基四胺［(CH2)6N4］。

六亚甲基四胺与氯化铵再继续反应生成盐酸（HCl）和氢氧化铵（NH4OH）。

这样，酸性条件便形成了，而且由羟甲基所释放出来的甲醛进一步导致pH值降低。

固化剂增进脲醛树脂的固化作用是不论在高温或常温下都会发生的。

为了抑制胶的预固化，可以加入一些缓冲剂。

一般用NH4OH作为缓冲剂。

在前文已有叙述，原料的pH值和缓冲力对于固化剂的加量有很重要的关系。

（一）合理掌握施胶量：
一般均认为，随着用胶量的提高，板的静曲强度、平面抗拉强度及吸水膨胀性能都将随之改善，这一见解可以说是对的。

不过这里有一个成本问题，不能无限止地多用胶料。

而且，有些性能，随着用胶量的增加，其改善的幅度也不会很大。

目前世界各国对刨花板的用胶量的看法已趋于一致。

很早以来就已有大量的研究结果表明，当用胶量超过一定量后，对静曲强度的改进作用不是很大了，只是对板的平面抗拉强度仍有明显的改进。

但从产品成本角度看，在某些场合下，用加大胶量的方法以改善平面抗拉强度，还不如用增加板的密度方法来得经济。

以下简略举几例子：
日本人木本（1964）以脲醛树脂用量为8、10、15％作试验，没有发现板子的各项性能随着胶用量增加而降低的情况。

然而发现很多性能在这三种胶量或其中两种用胶量中几乎相等的情况。

特别是用胶量为15％时，与10％相比只有少许改进。

美国人Post（1958）用各种不同的刨花，以脲醛施胶量为3.27、6.54及13.07g/m2作比较，发现，。