楊樹刨花尺寸對定向刨花板性能的影響研究

李 園 何雨晨 鄭圣龍 解林坤 周曉劍 杜官本 萬 輝

（西南林業(yè)大學材料與化學工程學院，云南 昆明 650233）

定向刨花板（OSB）是以小徑材、間伐材、木芯等為原料，經(jīng)削片、干燥、施膠、定向、熱壓、砂光等工序制成的一種結構板[1-4]，具有靜曲強度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應用于房屋建筑、裝飾、包裝、家具制造、模板、運輸設備等領域[5-10]。

為尋找板材原材料質量和板材性能之間的關系，學者們開展了大量研究。李榕等[11]采用3種形態(tài)的竹刨花壓制OSB，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)的刨花會對刨花板的性能產生顯著影響。大刨花有利于提升板材強度，而小刨花更有利于膠合，提升板材的穩(wěn)定性。Mirski等[12]通過篩網(wǎng)區(qū)分刨花尺寸，發(fā)現(xiàn)相比于小刨花，大刨花制備的板材其彎曲和拉伸強度平均增加了20%，并擁有更高的內結合強度。研究者也進一步通過不同尺寸的大刨花來制備板材，以尋找最優(yōu)的刨花形態(tài)參數(shù)[13-14]。Stürzenbecher等[15]發(fā)現(xiàn)，使用大細長刨花壓制的刨花板，其拉伸、彎曲和剪切強度更高。其他研究者也發(fā)現(xiàn)，使用細長刨花壓制的板材具有更高的彈性模量（MOE）和靜曲強度（MOR）[16-17]。為進一步提高OSB的強度，研究者嘗試增加板材的密度[18]或優(yōu)化刨花的排列[19]方式。

木材原材料對板材性能具有較大影響的原因在于，原材料自身在密度和強度上存在差異，且其不同的微觀結構會對膠黏劑的覆蓋產生影響，進而影響板材的膠合性能[20-21]。此外，刨花之間的應力轉移也是重要的影響因素之一[22-23]。因此，若能明確不同尺寸的刨花與其制備成的板材性能之間的關系，將有助于實現(xiàn)木材資源的高效利用[24]。

目前，關于楊木刨花尺寸分布對OSB性能影響的研究還不多。鑒于此，本研究將不同寬度的楊木刨花按照混合設計（Stat-ease）進行組合，考察不同寬度的刨花組合對OSB生產過程和性能的影響，以期找到適合于OSB生產的刨花尺寸分布，并闡明其與OSB性能之間的關系，從而為實現(xiàn)OSB產業(yè)的低碳和綠色生產提供新思路[25-28]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

加拿大魁北克砍伐的白楊（Populus tremuloidesMichx）原木，酚醛樹脂(加拿大， Tembec, Inc)，石蠟(加拿大，Esso, Inc)。

將白楊原木鋸切成127 mm厚的圓盤，再將圓盤隨機分為5 組，分別鋸切成6.4、12.7、19.0、25.4 mm和31.8 mm厚的板材。通過刨片機將相同厚度的板材在室溫下切削成刨花，其長度為127 mm。然后，將刨花在105 °C條件下干燥30 min，使其含水率達到4%左右。

1.2 試驗設備

CAE 6/36實驗室型圓盤刨片機(加拿大，Kadant Carmanah, Inc)；F6002Q型鏈帶式刨花干燥爐(美國德州，Upgrade Technologies, Inc)；CP150型號熱壓機(德國，Tiefenbach, Inc)；實驗室自制拌膠機及自制的組坯模具。

1.3 OSB制備

取長度為127 mm的工業(yè)楊木刨花作為對照組，其表層刨花和芯層刨花的寬度分布及占比如表1所示。

表1 工業(yè)刨花尺寸和占比Tab.1 Industry strand size and ratio

通過Design Expert?（Stat-ease, Minneapolis）進行混合設計，如表2所示。在拌膠機中將干燥后的刨花與酚醛樹脂膠黏劑（PF）和石蠟混合，然后將施膠和施蠟的刨花在自制模具上鋪裝組坯，并定向為OSB板坯，最后將板坯放入熱壓機中熱壓，待熱壓完成后靜置一定時間即完成OSB的制備，其制備參數(shù)如表3所示。

表2 不同寬度、不同比例刨花組坯板材的混合設計Tab.2 The mixture design for panel made of strands with different widths at different ratios

表3 定向刨花板制備參數(shù)Tab.3 General panel production parameters

壓制完成后，在20 °C，相對濕度65%的條件下靜置3周。然后根據(jù)GB/T 17657—2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》對板材進行內結合強度（IB）、彈性模量（MOE）、靜曲強度（MOR）的測試。在沿表層刨花平行（//）和垂直（┴）方向測試的OSB的MOE、MOR分別被標記為MOE//、MOR//和MOE┴、MOR┴。

試驗優(yōu)化模型所得數(shù)據(jù)通過相同的混合設計軟件（Stat-ease，Minneapolis）完成，統(tǒng)計分析通過SPSS13.0完成，使用Duncan多重范圍檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

刨花板的測試性能如表4 所示。由表2 可知，第10組和15 組的刨花組合相同，均使用100%的12.8 mm寬刨花，其區(qū)別在于制備時間。對比可知，這兩組的測試結果相似，表明本試驗過程可重復，數(shù)據(jù)可靠。

表4 不同OSB性能Tab.4 Properties of different OSB panels

如表4 所示，板材密度的最大變異系數(shù)為1.6%，表明所有板材的密度接近。為方便分析，在對OSB性能討論時不考慮其具體密度。

2.1 內結合強度分析

統(tǒng)計分析表明，基于0.05的顯著性水平，用不同的刨花組合制備OSB的IB不同（表4），這表明不同的刨花寬度及刨花占比對OSB的IB有影響。圖1為不同組OSB的IB變化，其計算方法如下：

圖1 由不同刨花制成的OSB的IB變化Fig.1 IB variations of the OSB panels made of different strands

式中：IBi是第i組OSB板的內結合強度，MPa；IBL是最低一組OSB的內結合強度（第1組），MPa。

由圖1可知，由不同寬度刨花組合制成的OSB其IB差異很大。最強組OSB（第19組）的IB比最低組高52%。通過改變刨花的寬度和占比，可以使OSB的IB提高50%左右。

混合設計分析表明，在5種不同的刨花中，25.4 mm寬的刨花對OSB的IB起到最大正向影響，其次是19.1、6.4、12.7 mm和31.8 mm寬的刨花。其中，6.4 mm和31.8 mm寬的刨花之間的相互影響相對較大，而且是正向的；而25.4 mm和31.8 mm寬的刨花之間的影響是負向的。基于數(shù)理統(tǒng)計顯著的刨花寬度分布優(yōu)化模型，為了最大限度地提高OSB的IB，在制備OSB時，應該使用63%的6.4 mm寬刨花和36%的31.8 mm寬刨花，或者使用71%的6.4 mm寬刨花和29%的25.4 mm寬刨花。

一般而言，寬度范圍較大的刨花組合往往具有較高的IB（第19、3、6組和18組），但情況并非總是如此。例如，由100%的25.4 mm寬的刨花制成的第2組具有相對較高的IB。而兩組擁有最低的IB值（第1組和11組）的OSB，則使用了寬度范圍相對一致的刨花。另外，由工廠生產的刨花制備的OSB具有中等的內結合強度，表明刨花配方相對較好。

2.2 沿表層刨花平行方向的彈性模量和靜曲強度分析

2.2.1 MOE//分析

統(tǒng)計分析表明，用不同寬度刨花組合制備的OSB，其MOE//不同（表4），但無顯著關系，這說明刨花的寬度分布不會顯著影響OSB板材的MOE//。在5種不同刨花寬度中，19.0 mm寬的刨花對MOE//有最大的正向影響，其次是12.7、6.4、31.8 mm和25.4 mm寬的刨花。6.4 mm和31.8 mm寬的刨花的相互作用對MOE//有最大的負向影響?；跀?shù)理統(tǒng)計顯著的刨花寬度分布的優(yōu)化模型顯示，為使OSB的MOE//最大化，應該使用26%的19.0 mm寬刨花，35%的25.4 mm寬刨花和39%的31.8 mm寬刨花。

圖2顯示了試驗板材的MOE//變化。由圖可知，與最低的MOE//組（第3組）相比，其他刨花組合的大多數(shù)MOE//值均高出40%以上。

圖2 由不同刨花組成的OSB的MOE//變化Fig.2 MOE// variations of the OSB panels made of different strands

第3組，即50%的6.4 mm寬刨花和50%的31.8 mm寬刨花混合制成的OSB板MOE//最低。這意味著，用兩種差別很大的刨花來獲得較高的MOE//不可取。然而，由50%的6.4 mm寬刨花和50%的25.4 mm寬刨花制成的第19組顯示出最高的MOE//值。因此，刨花寬度對于MOE//的影響尚不明確。用工業(yè)刨花制備的板材其MOE//低于大多數(shù)實驗室制備的板材，這表明工廠可通過提高刨花質量進一步改善MOE//。

2.2.2 MOR//分析

統(tǒng)計分析表明，用不同寬度刨花制備的OSB MOR//不同（表4），但無顯著關系，這說明刨花的寬度分布不會顯著影響OSB的MOR//。在5種不同的刨花中，6.4 mm寬的刨花對MOR//有最大的正向影響，其次是19.0、12.7、25.4 mm和31.8 mm寬的刨花，而25.4 mm和31.8 mm寬的刨花相互作用對MOR//有最大的正向影響?；跀?shù)理統(tǒng)計顯著的刨花寬度分布的優(yōu)化模型顯示，為使板材的MOR//最大化，應使用48%的12.7 mm寬刨花和52%的19.0 mm寬刨花。

圖3所示為OSB的MOR//變化。與最低的MOR//組（第4組）相比，其他組的MOR//值通常比最低組高20%。

圖3 不同刨花制成的OSB的MOR//變化Fig.3 MOR// variations of the OSB panels made of different strands

比較圖2和圖3可知，最低和最高的MOR//的變化趨向并不總是與最低和最高的MOE//的變化趨勢對應。第4組和第12組的MOR//值最低，而第3組和第12組的MOE//值最低，第1組和第11組的MOR//和MOE//值均為最高。MOR//和MOE//均未顯示出與刨花寬度分布的明顯關系，其原因值得進一步研究。

對比可知，由工業(yè)刨花制備OSB其MOE//和MOR//值一般低于實驗室制備的OSB，這表明工廠的OSB制備仍存在提升空間。

2.3 沿表層刨花垂直方向的彈性模量和靜曲強度分析

2.3.1 MOE┴分析

統(tǒng)計分析表明，基于0.05的顯著性水平，用不同寬度刨花制備OSB的MOE┴不同（表4）。數(shù)據(jù)顯示，刨花寬度分布會影響OSB的MOE┴。用工業(yè)刨花制備OSB的MOE┴最低?；旌显O計分析顯示，在5種不同的刨花中，25.4 mm寬的刨花對MOE┴有最大的正向影響，其次是31.8、19.0、12.7 mm和6.4 mm寬的刨花，較寬的刨花對OSB的MOE┴貢獻更大。

圖4為試驗制備OSB的MOE┴變化，在整個試驗生產過程中，第4組制備OSB的MOE┴最低，第20組MOE┴最高，其他OSB的MOE┴值比第4組高8%～31%不等。基于數(shù)理統(tǒng)計顯著的刨花寬度分布優(yōu)化模型顯示，為了最大限度地提高MOE┴，應使用44%的19.0 mm寬刨花和56%的25.4 mm寬刨花，或者使用55%的25.4 mm寬刨花和45%的31.8 mm寬刨花。

圖4 不同刨花制成的OSB的MOE┴變化Fig.4 MOE┴ variations of the OSB panels made of different strands

2.3.2 MOR┴分析

統(tǒng)計分析表明，基于0.05的顯著性水平，用不同寬度刨花制備OSB的MOR┴不同（表4），刨花的寬度分布也會影響OSB的MOR┴。而用工業(yè)刨花制備OSB的MOR┴最低?；旌显O計分析表明，在5種不同的刨花中，6.4 mm寬的刨花對MOR┴有最大的正向影響，其次是31.8、25.4、12.7 mm和19.0 mm寬的刨花。其中，19.0 mm和25.4 mm寬的刨花的相互作用對MOR┴有正向的影響。

圖5為用實驗室制備的刨花制作OSB的MOR┴變化。其他刨花組的MOR┴值比第4組的值高6%～51%不等。基于數(shù)理統(tǒng)計顯著的刨花寬度分布的優(yōu)化模型顯示，為了使OSB的MOR┴最大化，應該使用47%的19.0 mm寬刨花和53%的25.4 mm寬刨花。

圖5 不同刨花制成的OSB的MOR┴變化Fig.5 MOR┴ variations of the OSB panels made of different strands

對比圖4和圖5可以看出，第20組顯示出最高的MOE┴和MOR┴，而第4組的MOE┴和MOR┴最低，這表明OSB制備不應使用高百分比的31.8 mm寬刨花和19.0 mm寬刨花。相反，應使用類正態(tài)分布的刨花，如第20組，以獲得更高的靜曲強度和彈性模量。

工業(yè)刨花制備OSB的MOR┴和MOE┴最低，這表明在OSB制備過程中，因刨花切削不正確使木材的很大一部分固有強度消失。這再次說明OSB工業(yè)界可嘗試改變切削方式來提高OSB的強度。

3 結論

本研究以不同寬度、不同比例的楊木刨花為原材料制備OSB，探究了刨花尺寸與OSB性能之間的關系，并與工業(yè)刨花制備的OSB進行對比，主要得到以下結論：

1）不同寬度、不同比例的刨花對OSB的性能質量有顯著影響。

2）在相同的OSB制備條件下，由工業(yè)刨花制備的OSB通常比試驗制備的OSB擁有較低的靜曲強度、彈性模量，這表明工業(yè)刨花切削過程使木材喪失了一部分固有強度，因此可通過改善刨花的切削方式提升OSB的性能。

3）沒有一種 “理想的”刨花寬度組合可以最大限度地提高OSB的所有性能。混合設計分析表明，當使用6.4 mm寬的刨花在18%～37%的范圍內，25.4 mm寬的刨花在53%～68%的范圍內，以及31.8 mm寬的刨花在9%～17%的范圍內時，板材的整體性能最優(yōu)。

4）刨花配方對OSB性能的具體影響機理需要進一步探究。