落叶松人工林小径木异型材集成加工技术与工艺研究

论文摘要

我国森林资源相对匮乏,并且,随着“天然林保护工程”的实施,木材产量逐年凋减。由此导致可供利用的大径木材越来越少,而进入间伐和主伐的人工林木材所占的比例越来越大。可见,高效利用现有的森林资源显得非常重要。落叶松人工林木材材质松软、强度和硬度低、尺寸稳定性差、出材率低,而且,落叶松木材又存在着节子多、树脂多、难干易裂等缺陷,致使其加工利用受到限制。因此,通过对落叶松小径木集成加工工艺与技术的研究,大力提高森林资源利用率,提升木材和木材产品的市场竞争力,对于缓解实施天然林保护工程以来的木材供需矛盾,实现我国森林资源从高效利用向可持续利用方向的转变具有重要意义,将产生显著的经济和社会效益。本文针对黑龙江省人工落叶松小径木,利用前人研究成果,对落叶松小径木进行材性分析；采用数学方法进行异型剖分优化设计；通过实验确定异型材干燥、胶接等工艺技术。研究取得以下结果：（1）落叶松小径材基本密度、晚材率、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和抗弯弹性模量均存在株间和株内变异,其中,基本密度、晚材率和顺纹抗拉强度变异性较大,其他各项指标变异性较小。落叶松小径材基本密度介于0.40～0.45g/cm3之间、晚材率介于16.96～19.86%之间、顺纹抗拉强度介于86.15～99.21MPa之间、顺纹抗压强度介于46.92～49.04MPa之间、抗弯弹性模量介于8878～11263Mpa之间,上述各项指标均小于成熟材,表明落叶松小径木基本适合于作小型结构用材和非结构集成材的原料。落叶松人工林小径木的体积气干干缩率比天然林略大,径向干缩率较天然林小0.49%,弦向干缩率较天然林大0.55%。（2）根据原木几何形体的剖分设计,考虑加工基准面和组坯胶合的可操作性,采用正六边形的剖切设计作为最佳选择,按原木断面圆周等分60°夹角的线路纵剖原木,形成长度方向稍具一定尖削度的三角形断面异型材。经理论分析,落叶松小径木异型剖分出材率可达66.16%,高于其他形式剖分的出材率。采用项目研制的异型材剖分机进行了剖分试验,结果表明,剖分效果较好。试验出材率介于54.78%～57.14之间,其值小于理论计算值（66.16%）,但其值高于其他类型锯解方式的出材率；异型材剖分机工作性能及工作精度均达到GB/T4384-1993和黑龙江省科技计划项目任务书（GB06B305-1）的规定要求。（3）通过对落叶松小径木异型材在不同干燥温度下弦向干缩系数的试验发现,在相同的干燥温度下,落叶松小径木异型材由髓部向外干缩系数的变化呈两种不同的趋势,一种趋势是由髓部向外先减小后增加,另一种趋势是由髓部向外逐步增加,变化趋势的不同取决于干燥过程中拉应力出现的频率；同一部位木材的干缩系数呈现低温较大、随干燥温度的增加先减小后增加的趋势,各部位干缩系数与干燥温度表现为较好的二次相关性。小径木落叶松异型锯材在不同的干燥基准下,干燥曲线和干燥均匀度呈不同形态和结果。常规干燥基准的干燥曲线为连续型,干燥周期较长,干燥均匀性优于其他两种干燥基准的干燥均匀性；波动干燥基准和硬干燥基准的干燥曲线呈两阶段现象,干燥周期较短,干燥均匀性劣于常规干燥基准下的干燥均匀性；波动干燥基准在干燥周期和干燥均匀性两方面均优于硬干燥基准的干燥周期和干燥均匀性。试验表明,波动干燥基准适合落叶松小径木三角形剖分材的干燥。生产试验采用波动基准取得了较好的干燥结果,干燥速度较为理想,各项干燥指标均在有关标准规定的允许值内,此基准可以作为落叶松小径木异型剖分材在生产中的使用基准。（4）采用自制的专用刨光机进行了生产试验。从刨光效果看,大部分被刨的两个拼接面基本保证了其夹角为60°。刨光机基本满足了异型材的刨光要求,在技术、工艺上实现了异型材拼板。（5）采用项目专门设计的拼板机对异型材进行了胶拼,并对胶合后集成材的力学性能进行了测定,结果表明,集成材的剪切强度介于8.2～10.6MPa之间,室内木破率介于86～100%之间,室内浸渍剥离率介于0.00～10.00%之间,室外水煮剥离率介于0.00～4.88%之间,室外抗弯强度介于43～99MPa之间,抗弯弹性模量介于10×103～10×105MPa之间。胶拼后的各项力学性能指标表明,该拼板机完全满足落叶松小径木异型材的拼接要求,拼接材达到使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景及意义
• 1.1.1 天然林的匮乏和人工林利用的重要性
• 1.1.2 人工林小径木利用的瓶颈
• 1.1.3 落叶松小径木的利用问题
• 1.1.4 落叶松小径木加工制造集成材的意义及待解决的困难
• 1.2 国内外现状与研究进展
• 1.2.1 小径木制材技术现状
• 1.2.2 小径木干燥技术研究进展
• 1.2.3 小径木的产品开发现状
• 1.2.4 小径木集成材加工技术进展
• 1.2.5 小径木集成材工艺现状
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 落叶松小径木材性与力学性质试验研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试材的选取
• 2.1.2 年轮宽度和晚材率
• 2.1.3 基本密度（排水法）
• 2.1.4 干缩性
• 2.1.5 力学性质测定
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 基本密度与晚材率
• 2.2.2 干缩性
• 2.2.3 力学性能
• 2.3 本章小结
• 3 落叶松小径木的异型剖分方法及设备研究
• 3.1 落叶松小径木异型剖分制材理论分析
• 3.1.1 下锯法
• 3.1.2 出材率理论计算
• 3.2 异型材剖分机设计
• 3.2.1 机床总体设计
• 3.2.2 主要设计参数
• 3.2.3 参数计算
• 3.3 落叶松小径木异型剖分试验
• 3.3.1 剖分制材常见问题
• 3.3.2 实际出材率与理论出材率比较
• 3.4 异型材剖分机工作性能及工作精度
• 3.4.1 工作性能
• 3.4.2 工作精度
• 3.5 本章小结
• 4 落叶松小径木异型剖分材干燥特性
• 4.1 落叶松小径木异型剖分材干燥基准及实验室试验
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验设备
• 4.1.3 落叶松小径木异型剖分材干缩特性
• 4.1.4 三种干燥基准的对比试验
• 4.1.5 小结
• 4.2 落叶松小径木异型剖分材干燥基准确定及生产性试验
• 4.2.1 试验用材
• 4.2.2 堆垛方式
• 4.2.3 干燥基准
• 4.2.4 生产试验检测指标
• 4.2.5 结果与分析
• 4.2.6 小结
• 4.3 本章小结
• 5 落叶松小径木异型材刨光机设计与试验
• 5.1 异型材刨光机床设计
• 5.1.1 机床结构和组成设计
• 5.1.2 主要设计参数
• 5.1.3 参数设计计算
• 5.2 刨光生产试验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 6 落叶松小径木异型剖分材胶合特性
• 6.1 水性异氰酸酯胶黏剂与木材的粘接反应基础
• 6.2 落叶松异型剖分材胶接理论
• 6.3 异型剖分材用胶合拼板机
• 6.4 小径木异型剖分材的胶合试验
• 6.4.1 胶黏剂的选择
• 6.4.2 小径木异型材胶拼工艺
• 6.4.3 基材纹理配置
• 6.4.4 加压压力设定
• 6.4.5 拼板胶黏剂参数设定
• 6.4.6 异型单元胶合材力学性能分析
• 6.4.7 影响胶合性能的因素分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历