潘 斌， 程 放， 高鐵成

（中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所， 北京 100091）

人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測系統(tǒng)

潘 斌， 程 放， 高鐵成

（中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所， 北京 100091）

介紹了人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測的系統(tǒng)組成，尤其對同面叉指電極電容傳感器涉及的邊緣電場、電極電容形態(tài)參數(shù)的計算方法以及測量終端連線方法等進行了分析。利用該介電測量方法可以準確了解人造板膠粘劑在實際熱壓時的固化開始溫度和時間，對改進現(xiàn)有膠粘劑配方、優(yōu)化熱壓工藝曲線具有明確的指導作用。

人造板膠粘劑； 現(xiàn)場固化監(jiān)測； 叉指電容傳感器

制造人造板的關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)在熱壓成形階段。一直以來對人造板熱壓過程的研究與開發(fā)主要集中在板坯傳熱傳質(zhì)過程的測量、建模和仿真方面[1,2]；對于人造板膠粘劑固化反應歷程的研究大多采用離線方式[3]，這樣所得的結(jié)果不能直接用于修正傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學模型，對優(yōu)化熱壓工藝曲線、改進膠粘劑配方的作用有限。

目前在線式的熱壓過程人造板膠粘劑固化研究可采用三種技術(shù)：聲發(fā)射技術(shù)、光纖光譜技術(shù)和介電分析技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)是利用聲－超聲的方法，在熱壓過程中人為產(chǎn)生聲脈沖群，根據(jù)聲音的接收時間不同來判斷人造板膠粘劑的固化歷程[4]；這種方法的技術(shù)關鍵在于有效的信號處理算法，難點在于消除熱壓過程中板坯內(nèi)外環(huán)境產(chǎn)生的噪音信號。光纖光譜技術(shù)是在熱壓板坯內(nèi)部預埋光纖探頭，通過實時中紅外光譜分析來判斷人造板膠粘劑的固化歷程[5]；這種方法的難點在于木材、膠粘劑的化學組成復雜多樣，在不同溫度下利用紅外光譜來判斷化學反應過程需要預先設定相當多的條件，結(jié)果的特異性大。介電分析技術(shù)也是在熱壓板坯內(nèi)部預埋介電傳感器，通過分析人造板膠粘劑的介電特性來判斷人造板膠粘劑的固化歷程。

1 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成

人造板膠粘劑現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)由介電監(jiān)測單元、溫度監(jiān)測單元以及監(jiān)測計算機組成?，F(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成見圖1所示。

圖1 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成Fig.1 In-situ cure dielectric monitoring system

其中介電監(jiān)測單元包括電容傳感器、高精度LCR數(shù)字電橋測量儀、四端對開爾文測試電纜及夾具以及連接PC的串行口線纜，溫度監(jiān)測單元包括TT-K-30鎳鉻-鎳硅K型熱電偶線、熱電偶測溫儀以及連接PC的串行口線纜，監(jiān)測計算機安裝有Labview數(shù)據(jù)處理與分析軟件。

2 膠粘劑現(xiàn)場固化介電監(jiān)測技術(shù)

在人造板熱壓過程中現(xiàn)場監(jiān)測膠粘劑固化過程主要就是現(xiàn)場監(jiān)測膠粘劑的介電損耗時間序列與溫度時間序列。由電介質(zhì)的極化理論可知，電介質(zhì)材料的復數(shù)介電常數(shù)是：

式中:ε*-復數(shù)介電常數(shù)；

ε′-其實部，也是電介質(zhì)的絕對介電常數(shù)；

ε″-其虛部，是損耗因子；

tanδ-損耗角正切。

復數(shù)介電常數(shù)的測量方法有兩類，即固定頻率法和寬帶法。固定頻率法的測量不確定度較小，可用于損耗大小不同的測量；寬帶法的測量頻率寬，可用于快速測量。在固定頻率法中又有電橋法、傳輸線法和諧振法三種，選擇一種測量方法的依據(jù)是施加交變電場的頻率范圍以及電介質(zhì)測量損耗的程度[6]。參照已有的實驗結(jié)果，人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測所用的交變電場頻率在102～105Hz之間[7,8]，正好處于電橋法測量使用頻率10-3～1011Hz的范圍內(nèi)，因此固化介電監(jiān)測就選用高精度LCR數(shù)字電橋測量儀作為介電特性的測量。

52例研究對象先行CT掃描，行橈骨遠端冠狀位和矢狀位，確保兩層間距2mm，特殊患者可以間隔1mm，有些患者要增加水平位片拍攝。再對52例患者行X線檢測，于腕關節(jié)正側(cè)位拍攝X線片。

數(shù)字電橋原理見圖2所示。圖中Zx為被測阻抗，Rs為標準電阻器。切換開關K可分別測出兩者的電壓Ux與Us，這樣

圖2 數(shù)字電橋電路示意圖Fig.2 Electronic schematic for digital bridge

3 同面叉指電極電容傳感器

材料的復數(shù)介電常數(shù)通常采用平行電極電容測量方法取得，但是這種方法的測量結(jié)果對被測材料膨脹與壓縮的微小形變相當敏感[10]。尤其在人造板膠粘劑的現(xiàn)場固化監(jiān)測應用中，當把上下熱壓板作為平行極板時，由于板坯厚度在熱壓的過程中受到熱壓工藝與自身粘彈性的共同影響，呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，因此測量結(jié)果是不可靠的。而采用同面叉指電極電容測量法，由于叉指電極電容傳感器在熱壓過程中與被測材料緊密接觸，就可以克服這一困難，測量結(jié)果是可以接受的。

3.1 同面叉指電極與邊緣電場

同面叉指電極電容測量方法可以看成是由平行電極法演化而來。處于同一平面上的兩個電極相當于由平行電極法中的一對電極朝反向旋轉(zhuǎn)90°后形成，原先夾在電極之間的被測材料也隨之處于這對同面電極的上方一側(cè)。

同面叉指電極電容傳感器的一對電極分成驅(qū)動電極和感應電極，它們形成的同面電力線分布不再象平行電極那樣呈平行分布，這種邊緣電場的場強分布隨距離電極的遠近呈現(xiàn)不均勻性。但是當邊緣電場內(nèi)的被測材料介電特性發(fā)生變化時，其電場強度也會發(fā)生改變，通過電橋法測量其阻抗的變化，即可間接測量出被測材料的介電特性變化。

3.2 基體材料的選用

同面叉指電極電容傳感器只利用驅(qū)動電極與感應電極形成的同側(cè)邊緣電場，因此電極必須座落在同一個電氣絕緣的基板上?；搴穸扰c撓曲程度以及親水或疏水性的選取取決于應用場合。在現(xiàn)場監(jiān)測人造板膠粘劑固化過程的應用中，可以選用撓性覆銅箔聚酰亞胺薄膜作為基板，用這種材料制成的傳感器能保持與人造板熱壓板坯的密切接觸；同時可以選用厚度很小的覆銅層構(gòu)成傳感器電極。聚酰亞胺的電氣絕緣性能優(yōu)異，而且自身可耐350 ℃的高溫，非常適合在人造板熱壓溫度條件下正常使用。目前的撓性覆銅箔聚酰亞胺薄膜還可以提供吸水率小于0.4%的品種，可以滿足基板對疏水性的要求。

3.3 邊緣電場電容傳感器電容計算

傳感器電極電容與被測材料介電常數(shù)的關系可由單元積分法分析取得，其電容計算見圖3所示。設傳感器由一對幾何尺寸相同的矩形電極構(gòu)成，電極長度為L，寬度為W，放置的間距為S，被測材料的介電常數(shù)為ε′。在一塊電極的寬度方向，距離為X的地方，取一小塊寬度為Δx的電極作為微電極面，當假設邊緣電場呈同心圓分布時，參照平行極板電容計算方法，可得：

圖3 邊緣電場電容傳感器電容計算圖Fig.3 Diagram for calculating the capacity of fringing electric field sensor

在電極寬度范圍內(nèi)積分即可得到單片電極的總電容Cs：

其中,K是一個與傳感器電極幾何形狀與分布有關的幾何常量參數(shù)。由公式（5）可知，電容傳感器測得的電容與被測材料的介電常數(shù)成正比。

對于叉指電容傳感器來說，每個叉指與其左右兩個叉指分別構(gòu)成一個電容器。因此，每對叉指電容的電極電容Cd是單片電極電容Cs的兩倍，即

3.4 傳感器測量終端接口方式

由于電容傳感器測量的電流很小，因此對傳感器感應電極浮動電動勢的測量方式應有所考慮。簡化后的傳感器等效電路圖見圖4所示。

圖4中的VD是驅(qū)動電極電動勢，VS是感應電極電動勢，VG是保護面電動勢；C10、C20分別是驅(qū)動電極和感應電極與基板之間的電容，G10、G20分別是驅(qū)動電極和感應電極與基板之間的電導；C12與G12是被測材料在兩電極間的電容與電導，CL是測量阻抗分壓產(chǎn)生的電容。

圖4 簡化的傳感器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram for simplified sensor

此外傳感器布線會產(chǎn)生寄生電容CS，當把基板背面的保護面電動勢做成與感應電極浮動電動勢相同時，其電路原理圖見圖5所示。

圖5 VG=VS后的電路原理圖Fig.5 Electronic schematic as VG=VS

此時感應電壓與驅(qū)動電壓的復數(shù)增益G*可表示為：

公式（7）中未出現(xiàn)不易測量或易受被測材料影響的兩電極與基板間產(chǎn)生的電容與電導C10、C20、G10、G20。這樣被測材料的復數(shù)介電常數(shù)ε*就可以通過電橋法直接測量得到，排除了電極與基板接觸電容與電導的干擾。測量終端接口操作的關鍵是要將保護面電動勢與感應電極浮動電動勢等電勢。

3.5 傳感器幾何結(jié)構(gòu)設計

理論上傳感器的一對電極長度應該無限長，叉指陣列的寬度應該無限寬，電極的厚度應該為0。但在實際的傳感器設計中電極長度與電極間距之比一般要大于一個數(shù)量級，電極寬度與電極間距之比應小于等于1，電極的厚度采用35μm以下的銅箔構(gòu)成，鍍鎳層厚度在2μm左右，傳感器電極的總面積是基板面積的一半左右。

4 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的應用

在人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測的應用中，同面叉指電極電容傳感器與熱電偶都預先埋放在板坯內(nèi)部的同一位置，熱壓開始后LCR數(shù)字電橋測量儀與熱電偶測溫儀實時采集被測膠粘劑的電容、損耗角正切與溫度數(shù)據(jù)，并通過儀器所帶的信號電纜將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測計算機中，監(jiān)測計算機運行Labview數(shù)據(jù)處理與分析軟件，記錄、處理并顯示出人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測得到的介電損耗與溫度時間序列曲線圖，如刨花板熱壓過程中膠粘劑的介電監(jiān)測結(jié)果見圖6所示。從該曲線圖上可以判讀出膠粘劑固化開始的時間和溫度。通過這樣的試驗與分析，人們可以進一步改進膠粘劑配方、優(yōu)化熱壓工藝曲線，從而提高人造板的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 刨花板熱壓過程中膠粘劑介電監(jiān)測結(jié)果[11]Fig.6 Curve for Cure dielectric monitoring during particleboard hot-pressing

5 結(jié) 論

采用同面叉指電極電容傳感器代替平行極板電容傳感器現(xiàn)場監(jiān)測人造板熱壓過程中膠粘劑的固化歷程，可以消除熱壓板坯厚度不穩(wěn)定帶來的測量不確定性。將傳感器保護面電動勢與感應電極浮動電動勢構(gòu)成等電勢后，可以簡化測量的計算過程，消除電極與基板接觸電容、電導的干擾。通過對人造板膠粘劑的現(xiàn)場固化監(jiān)測，可以準確了解實際固化發(fā)生的時間和溫度，有助于改進現(xiàn)有人造板膠粘劑的配方，優(yōu)化人造板熱壓工藝曲線。

[1] 鄧昊，潘斌，程放．基于無線傳感器網(wǎng)絡的連續(xù)壓機熱壓過程監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：69-70．

[2] 楊瑾瑾，傅萬四，于文吉．人造板熱壓過程中板坯內(nèi)部溫度、氣壓、含水率研究現(xiàn)狀與分析[J].木材加工機械，2008，19（3）：34-37．

[3] 顧繼友,韋雙穎,朱麗濱.脲醛樹脂固化劑體系的研究[J].中國膠粘劑, 2004,13(2):4-8.

[4] Liheng Chen, Frank C. Beall. Monitoring Bond Strength Development in Particleboard During Pressing, Using Acousto-Ultrasonics[J].Wood and Fiber Science, 2000,32(4):466-477.

[5] J.W.ROSTHAUSER, K.W.HAIDER, R.N.HUNT. Chemistry of PMDI wood binders:Model studies: 31th International Particleboard/

composite materials symposium proceedings[C]. Pullman, Washington, USA,1997:161-175.

[6] 倪爾瑚. 電介質(zhì)測量[M].北京: 科學出版社,1981.

[7] P.J.Garcia, Siqun Wang. Localized dielectric cure monitoring through the panel thickness during oriented strandboard hot-pressing[J]. Wood and Fiber Science, 2005,37(4):691-

698.

[8] M.Sernek, F.A.Kamke. Application of dielectric analysis for monitoring the cure process of phenol formaldehyde adhesive[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2007,27:562-567.

[9] 董艷陽.自動阻抗測量儀工作原理及阻抗測量方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，5：24-26.

[10] A.V.Mamishev, K. SUNDARA-RAJAN, FUMIN YANG, YANQING DU, M. ZAHN. Interdigital Sensors and Transducers[J]. Proceedings of the IEEE, 2004,92（5）:808-845.

[11] M.P.Wolcott,T.G.Rials. In-situ cure monitoring of isocyanate adhesives using microdielectric analysis[J]. Forest Product Journal, 1995, 45(2):72-77.

In-situ Cure Monitoring System for Wood-based Panel Adhesives

PAN Bin，CHENG Fang，GAO Tie-cheng
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091，China）

The in-situ cure monitoring system for wood-based panel adhesives was described. Calculation methods of fringing electric field for the interdigital capacitor sensor and geometry parameters of electrode capacitance were discussed as well as connecting methods of measuring terminal. The beginning cure temperature and time for wood-based panel adhesives in practice can be interpreted with the dielectric measurement method, which has well guiding function for developing the adhesive formulation and optimizing the hot-press curve.

Wood-based panel adhesive; In-situ cure monitoring; Interdigital sensor

TQ 430

A

1671-0460（2011）11-1182-04

國家林業(yè)局引進國際先進林業(yè)科學技術(shù)項目，項目號：2008-4-72。

2011-09-25

潘斌（1969-），男，高級工程師，江蘇蘇州人，1992年畢業(yè)于北京工業(yè)大學，研究方向：木材加工自動化檢測與傳輸。E-mail：panbin@caf.ac.cn，電話：010-62889444。