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含水率对不同密度竹基纤维复合材料热压传热的影响

转载自木材科学与技术

田心池 1 马红霞 2薛勃 1赖宇星 2杨春梅 1于文吉 1,3 

（1. 东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040；2. 广东省林业科学研究院森林工业研究所,广东广州 510520；3. 中国林业科学研究院木材工业研究所,北京 100091 ）

DOI：10.12326/j.2096-9694.2022037

摘 要 竹基纤维复合材料在热压过程中由于含水率的影响，其传热性能与力学性能均会产生较大差异。在热压过程中出现芯层温度急剧升高、蒸汽压力过大的“锅炉效应”，导致板材热压周期发生变化。本文探讨含水率对不同密度板坯热压传热和“锅炉效应”的影响，并建立不同密度时含水率对升温时间的数学模型。结果表明，由于“锅炉效应”的影响，在升温阶段，同一密度下，升温时间随含水率的提升而逐渐缩短；在保压阶段，最高温度和升温温度随着含水率的提高而升高；在降温阶段，密度为0.90 g/cm3时，板材的降温时间随含水率的升高先增后减，密度为1.05 g/cm3和1.20 g/cm3时，降温时间随含水率的增加而降低。因此，在实际生产中，压制密度大于1.05 g/cm3的板材时，建议含水率控制在15%左右。该研究为竹基纤维复合材料热压工艺提供了借鉴和参考。
关键词 竹基纤维复合材料；热压传热；含水率；锅炉效应
在竹基纤维复合材料生产工艺中，热压是关键工序之一，研究热压过程中板坯内部的传热规律与温度场变化对构建热压预测模型、优化热压工艺、减少热压耗能具有重要意义。国内外学者对人造板热压的热传递过程和传热性能做过较多研究[1-5]，但主要集中在纤维板和刨花板领域，对竹基纤维复合材料的研究较少。含水率是影响人造板热压传热的重要因子[6-9]，板坯内部的水分含量与水分汽化等相关因素对内部升温和热量传递都具有重要影响[10]。鉴于此，本文探究含水率对不同密度竹基纤维复合材料热压过程的影响，以期深入理解板坯的热压成型过程，构建板坯内部传热模型，为热压工艺的优化和控制提供依据[11]。

1 材料与方法

1.1　试验材料

1）纤维化毛竹（Phyllostachys pubescens）单板，由竹材经过疏解、碾压制备而成，外购，尺寸为200 cm（长）×10 cm（宽）×0.8 cm（厚），气干密度约0.46 g/cm3，平均含水率9.8%。
2）酚醛树脂（PF）胶黏剂，购自太尔胶黏剂（广东）有限公司，固体含量为52.5%，黏度0.188 Pa·s，pH值为10.22。

1.2　仪器设备

热压机、温度监测装置（测温范围-100~1 000 ℃，测温精度为0.2 ℃）、电热鼓风干燥箱等。

1.3　试验方法

在竹基纤维复合材料的热压过程中，含水率是影响板材内部温度场变化的重要因素；另外，在同等厚度条件下，密度同样也是板材内部温度场变化的重要影响因素，因此，本研究探讨不同含水率对3种密度板坯热压传热的影响。
1.3.1　试验设计
1）含水率：采用单因素试验，选择5%、10%、15%三个水平，根据相关理论研究[12-13]，采用喷水法和干燥箱对含水率进行调节。
2）密度：参照以往的研究结果[14-15]，本研究在三种含水率水平下，采用单因素试验，选择0.90、1.05、1.20 g/cm3三种密度水平。
1.3.2　竹基纤维复合材料制备工艺
1）浸胶、干燥：将胶黏剂稀释到固体含量为21%，浸胶时间10~12 min，控制施胶量为15%；浸胶后进行二次自然干燥，干燥后含水率约为10%。
2）铺装、组坯：干燥后的纤维化竹单板在模具中按顺纹组坯铺装，铺装幅面为60 cm×45 cm（长×宽），将热电偶的测温点放置在每层铺装纤维化竹单板靠近中心的位置（图1a）。同时在板材与热压板接触面上分别布置热电偶，检测热压板的温度（图1b）。

图1   热电偶布局方式

Fig.1   Thermocouple layout

3）热压成型：采用“冷进-冷出”热压工艺，将板坯送入设定温度130 ℃的热压机中，加压至完全闭合，厚度规厚度为1.8 cm，每隔2 s对各层热电偶温度进行一次记录。热压压力20 MPa，芯层升温至130 ℃时保压10 min，然后通冷水至芯层温度为60 ℃时卸板。每种条件至少两次重复。

2 结果与讨论

参考前人的研究结果[16-17]，将竹基纤维复合材料芯层热压曲线分为四个阶段：短暂恒温段、快速升温段、保压升温段、通水冷却段，将短暂恒温段和快速升温段统称为升温段。探究在不同含水率时，三种阶段的持续时间和温度变化速率，进而得到优化升温效率的含水率。

2.1　板坯含水率对芯层温度的影响

2.1.1　含水率对升温段的影响
三种密度时，板材不同含水率的芯层升温曲线，如图2所示。

图2   三种密度板材不同含水率时的芯层升温曲线及对比结果Fig.2   Comparison of temperature changes of three density plates with different moisture contents
观察图2发现，不同含水率时，板坯的短暂恒温段时间基本相等，未受含水率影响。所有板坯几乎同时进入快速升温段。
进入快速升温段时，含水率对板坯芯层升温的影响加剧。因温度升高产生的水蒸气向温度较低的板坯中心区域流动，形成蒸汽循环，促进芯层温度升高，且含水率越高，促进作用越明显；另外，板材密度增大，密实化过程堵塞了表面蒸汽的流出通道，因此导致含水率对芯层的升温促进增强。
不同含水率时芯层平均升温速率与升温时间，如表1所示。

表1   不同含水率时芯层升温速率与升温时间Tab.1   Heating speed and time of core layer under different moisture contents

 

由表1可知，升温速率随含水率的增大而加快；当密度大于1.05 g/cm3时，含水率对升温速率的影响明显，这是由于当密度增大时，竹材之间的孔隙率降低，接触热阻减少，水分在竹材内部的扩散速率变大，加快了传热速率。
根据前人试验结果，初含水率与杨木胶合板板坯导热系数之间呈现线性关系[5]，本试验在不同含水率(x)下对板坯芯层升温时间(y)进行拟合，并利用Lagrange插值法对数据进行插值，得到三种密度板坯含水率对升温时间的线性回归关系。因为三个变量不利于拟合与建立数学模型，因此利用数值分析中的langrange插值对7.5%和12.5%进行插值，以此便于拟合，具体如图3所示。

图3   三种密度下含水率对升温时间的回归关系Fig.3   Regression relationship between moisture content and heating time under three densities
从图3可以看出，含水率与升温时间呈现较强的线性关系，并且单调递减的直线斜率随密度的增加而增加，回归方程决定系数均达到0.9以上。因此认为，在同一密度下，随着含水率的增加，升温时间逐渐缩短，且随着密度增加，水分传导的作用更加明显。
2.1.2　密度、含水率与升温时间的数学模型
芯层的升温时间是决定热压效率的重要标准，因此选取三种密度不同含水率的34个样本，针对含水率和密度对芯层升温时间建立数学模型。并对模型的精确性进行检验。
首先利用MATLAB中的Curve Fitting Tool命令对函数进行拟合回归，并使模型具有一定的鲁棒性，当函数的回归方程决定系数R2≥0.9时认为模型具有较好的预测效果。令密度为x，含水率为y，经过多次拟合，得到升温时间z关于x，y的函数为：
再利用MATLAB统计工具箱中的命令Regress求解，结果如表2所示。

表2   模型求解结果Tab.2   Results by MATLAB model

 

[b, bint, rint, stats]=regress(z, X, alpha)
在表2中，R2=0.9074指的是因变量z的90.74%可由模型确定，回归方程决定系数较高。F值远远超过F检验的临界值，p小于α，因此以上模型是合理的。表2中的回归系数给出了以上模型的估计值。由于模型的样本数量不多，故而采用插值法对该模型的拟合函数进行绘图，可得到升温时间与密度和含水率的关系，如图4所示。

图4   密度和含水率与升温时间的关系Fig.4   Relationship between density, moisture content, and heating time
由图4可以得到，密度相同时，升温时间随含水率的增加而减小，且呈线性单调关系。应用此模型可以对不同含水率、密度下的竹基纤维复合材料热压升温时间实现一定程度的预测。即可基于板材的基本含水率和密度对板材的升温时间进行预测，进而建立智能化热压装备的控制系统，实现较为精准的控制。

2.2　含水率对保压段温度变化的影响

由于实际生产中竹基纤维复合材料密度较高，且较高密度板材更具代表性。因此重点研究高密度板材的热压规律，得到密度为1.20 g/cm3时三种含水率下的分层热压曲线，如图5所示。

图5   密度为1.20 g/cm3时三种含水率的热压温度变化曲线Fig.5   Temperature change during hot-pressing process at three moisture contents with a density of 1.20 g/cm3
观察图5发现，在保压阶段出现芯层温度高于表面温度的情况，原因是当含水率较大时热压传热使芯层的自由水受热汽化为水蒸气，并随蒸汽温度的升高，由饱和状态转化为过热状态[17]；另外，高密度状态下边界孔隙被压缩，边界气流通道减小，水蒸气封闭在一个个微腔中，随着体积的减小，同时热量的传入，导致温度升高，在板坯内部无法排出的蒸汽循环形成了多个微小的“蒸汽锅炉”，其内部水分汽化产生的热量不断升高，促进芯层温度快速升高。若此时含水率较高，板坯内部的蒸汽呈现过饱和状态，则一个个微腔中的过热蒸汽相互连接，在板坯内部形成蒸汽团，根据假想膜理论，蒸汽团边界温度较低，形成边界膜，整体呈现膜态沸腾的状态[18]。
蒸汽压力的不断增大可能在卸板时导致“爆板”现象的发生，将这种现象命名为热压时的“锅炉效应”。根据以上现象和试验研究，将“锅炉效应”初步定义为：人造板热压过程中因芯层含水率过高导致的温升加剧与蒸汽压急剧增大的现象。
为验证含水率对“锅炉效应”的影响，选择“锅炉效应”的持续时间、升温温度和最高温度作为因变量，当芯层温度高于T1时，产生“锅炉效应”。T1为板材上表面温度Ttop与下表面温度Tlower最小值，即T1=min{Ttop，Tlower}。当芯层温度低于T1时，“锅炉效应”结束。中间持续的时间tc即为锅炉效应的持续时间，芯层相对于T1升高的温度∆T即为“锅炉效应”的升温温度。含水率对tc、Tmax、∆T的影响如图6所示。含水率对tc、Tmax、∆T三变量的方差分析列于表3。

图6   含水率对“锅炉效应”的影响Fig.6   Effect of different moisture contents on "boiler effect"

表3   含水率对“锅炉效应”影响的方差分析Tab.3   Analysis of variance of moisture content on "boiler effect"

 

热压过程中“锅炉效应”的持续时间tc随含水率的变化先增后减，最高温度Tmax随含水率的增加小幅增长，升温温度随含水率的变化无明显的变化。单因素方差分析表明，含水率对“锅炉效应”持续时间tc和升温温度∆T的影响不显著，对最高温度Tmax影响显著。
主要有两个原因：1）由于板材的密度较大，内部孔隙率较低，边界气流通道被压缩，导致蒸汽的流出速度降低。同时由于含水率增大，板材内部气液两相循环时间延长，蒸汽量增大，进而导致“锅炉效应”持续时间增加。2）含水率增大，内部产生的蒸汽气团增大，同时由于热对流在竹材内部形成了边界薄膜，多个蒸汽气团协同作用使得内部的温度持续升高[17]。

2.3　含水率对降温时间的影响

根据工艺要求，当芯层温度降到60 ℃时卸板。其中降温时间tl为通冷水开始直至芯层温度降到60 ℃。三种密度板材降温时间的对比，如图7所示；含水率、密度两变量对降温时间影响的方差分析见表4。

图7   不同密度板坯含水率对降温时间的影响Fig.7   Effect of moisture content on cooling time under different densities

表4   含水率、密度对降温时间的影响方差分析Tab.4   Analysis of variance of moisture content and density on cooling time

密度为0.90 g/cm3时，降温时间随含水量的增大呈先增后减的趋势，而密度为1.05 g/cm3和1.20 g/cm3时，降温时间随含水率的增加而减少。根据两变量对降温时间的方差分析，密度和含水率对降温时间均有影响，且密度的影响更加显著。
这是因为：1）较高密度板材热压过程中，水的导热系数大于竹材[10]，当通水冷却时，水提供了更为快捷的冷却效率，同时“锅炉效应”产生的沸腾薄膜随着水分热量的导入逐渐消失，当薄膜溶解破裂后，水分会快速扩散到芯层，加速冷却过程。2）在低密度板材热压中，由于板材孔隙较多较大，热压时会有部分热量沿孔隙流出，一定程度上加速了板材的冷却过程，因此在相同含水率下低密度板材降温时间更短。

3 结论

1）在试验范围内，在热压过程中，板材内部产生“锅炉效应”，在“锅炉效应”的影响下，同一密度时含水率增加，板材具有更高的升温效率，且密度越大，含水率对芯层升温效率的影响越明显。
2）利用试验数据和插值原理得到密度和含水率关于芯层升温时间的数学模型，该模型可以基于密度和含水率，预测芯层升温时间，进而对板材热压阶段的智能控制系统形成指导。
3）在板材热压过程中，“锅炉效应”并不影响板材的降温效率，相反水分的存在，有助于降低板材温度。
4）在实际生产中，“锅炉效应”虽然会使板材内部的温度升高，但也造成了芯层最高温度过高和“爆板”的隐患。因此，建议压制密度大于1.05 g/cm3的板材时，含水率宜控制在15%左右，热压传热会随着含水率的增大而提高。

引用本文： 田心池,马红霞,薛勃等.含水率对不同密度竹基纤维复合材料热压传热的影响[J].木材科学与技术,2022,36(05):50-55. (TIAN Xin-chi,MA Hong-xia,XUE Bo,et al.Effect of Moisture Content on Heat Transfer during Hot-Pressing Process of Bamboo Scrimber with Different Densities[J].Chinese Journal of Wood Science and Technology,2022,36(05):50-55.)

作者简介：田心池，男，东北林业大学机电工程学院，硕士研究生。

通讯作者：于文吉，男，中国林业科学研究院木材工业研究所，研究员。

基金名称：广东省重点领域研发计划项目“高性能竹基纤维复合材料新工艺和新产品创制”(2020B020216002)；黑龙江省自然基金重点项目“木基石墨烯重构柔性电热装饰材的电-热力学特性研究”(ZD2021E001)。

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创建时间：2022-12-01
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