桉木定向刨花板研究进展

程芳超，郑天一，陈首铮，卞炎炎，农育红，莫 英

(广西大学资源环境与材料学院，广西南宁 530004)

定向刨花板(oriented strand board，OSB)是以小径材、间伐材、木芯等为原料，经刨片、干燥、施胶、定向铺装、热压成型等工艺制成的一种木质结构板材［1］.OSB在应用中可取代结构胶合板，但与结构胶合板相比，通过刨片工艺获得结构单元的过程使其对原料要求较低，因此原料来源更为广泛.同时，在OSB制造过程中木材利用率较高，可达80%以上，能够高效利用木材，达到“劣材优用”的目的［2］.我国速生林分布广泛，木材产量巨大，而大多数速生林树种都可以作为定向刨花板原料.因此，以杨木、桉木等为代表的速生林木材为OSB提供了价格低廉、资源丰富的原材料，从而为我国OSB产业的发展提供了重要的基础支撑.其中，桉树是我国南方地区广泛种植的重要速生林树种.以广西为例，作为全国重点速丰林基地之一，广西桉树人工林面积达800多万hm2，约占全国的1/7，是我国人工林和速丰林面积最大的省区，木材产量占全国的三分之一以上.作为主要经济林木，桉木资源丰富、价格低廉.根据因地制宜，合理利用本地树种的原则，将桉木作为OSB原材料具有重要的现实意义［3］.本文针对OSB概况、桉木材性、桉木OSB研究现状等内容展开综述，展望桉木OSB的研究方向及发展前景.

1 OSB概述

1.1 OSB 简介

OSB是以小径材、间伐材、木芯等为原料，经刨片、干燥、施胶、定向铺装、热压成型等工艺制成的一种结构板材，具有强度高，抗弯强度大，握钉力强，用胶少，甲醛释放少，防腐、防蛀，抗形变，完全的防水性和隔热、隔声性能好等优点［1］.

优良的综合性能使得OSB在欧美国家被作为建筑板材使用，用于地板、墙板和结构支撑材料，现也被应用于木质包装领域，多用于包装托盘和集装箱底板.我国定向刨花板主要应用于家具与室内装修方面，常用作门框、架子、踢脚板、室内装饰墙板等［4］.

OSB的主要生产流程包括刨片、干燥、施胶、定向铺装、热压成型等工艺.原料经过刨片机加工后干燥，通过筛选机分类储存在料仓中.制板时，先在搅拌机中混合刨花与雾状胶液，充分搅拌直至混搅均匀.然后通过机械定向铺装或静电铺装，达到碎料定向分布的效果.铺装后进入单层压机或多层压机进行热压，使碎料中混合的胶黏剂在高温高压条件下充分固化.热压过的板材进行冷却、裁边、砂光、检验、分等、修补等后期加工后完成生产［5］.国外生产OSB所用胶黏剂包括液体酚醛树脂、粉状酚醛树脂、异氰酸酯、聚异氰酸酯、改性豆胶等，国内OSB制备用胶黏剂主要以脲醛树脂为主，部分室外用结构板材使用酚醛树脂［2］.

1.2 OSB 市场情况

早在20世纪40年代，在德国诞生了第一家OSB工厂.北美以房地产为基础的OSB产业基础雄厚，占有全球OSB产业规模及市场的较大份额，虽然自次贷危机以来，北美OSB产业经历了一定萎缩，但在较为激烈的品牌整合与并购后，目前市场已趋于稳定.随着世界经济复苏，除北美外，欧洲、亚洲、南美等地的OSB产能也在逐渐增加，全球的OSB产业呈现出向新兴经济体流动的趋势［6-7］.

我国最早在20世纪90年代就从德国引进了两条OSB生产线，但发展前期，生产规模较小.近年来，不断有新的OSB企业投产，呈现出较好的发展势头，但OSB在国内人造板中所占比例仍然很小.随着我国经济发展水平的不断提高，国内市场对刨花板的需求将越来越大，OSB在家居、装修与建筑领域的应用有着巨大潜力［8-9］.

1.3 研究现状

OSB在世界人造板领域占有重要地位，也受到了各国学者的广泛关注.笔者统计了1994—2018年以“定向刨花板”和“oriented strand board”为关键词的中文及英文文献，其中中文检索以中国知网为工具，英文文献以Web of Science为工具进行检索，结果见图1.共检索到622篇英文文献，主要研究机构为加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)、俄勒冈州立大学(OSU)、南京林业大学、加拿大Forintek研究院、美国农业部林产品实验室(FPL)等国内外高校及科研院所.近十多年来，OSB英文文献数量呈现出较明显的增长趋势，尤其是2005年以后增长明显，近几年一直稳定在较高的数量上;中文文献共检索到580篇，主要包括南京林业大学、中国林业科学院木材工业研究所、东北林业大学、北京林业大学、中南林业科技大学等高校、研究机构，以及福建省永安林业集团、北新建材集团等企业.十几年来，OSB中文文献数量没有出现明显增加，只在2014—2016年间伴随着OSB产能增加呈现出较高的增长，近两年又趋于稳定.

图1 OSB中、英文文献检索结果Fig.1 Searching results for OSB literatures in Chinese and English

影响OSB成板性能的因素较多，因此，众多学者分别针对其原料树种、结构单元、铺装结构、胶黏剂、生产工艺等对OSB性能的影响开展研究.国外主要集中在OSB制备工艺中各流程的理论与实验研究，包括刨花铺装方式对板材力学性能的影响、OSB铺装结构与剖面密度研究、OSB中刨花与胶黏剂胶接界面理论、OSB加工膨胀的模型研究、胶黏剂及其用量对OSB整体性能的影响等［2，10-12］.此外，还包括添加硼酸盐对OSB改性、改进优化热压工艺参数、定向铺装工艺的优化改良、阔叶树材制备OSB专用胶黏剂的研发、刨花生产工艺改进等内容［13-15］.

国内对OSB的研究起步较晚，1978年南京林业大学成立了定向结构板工程研究中心，开始自主研发OSB［16］.华毓坤教授在OSB物理力学性能以及胶黏剂用量用法与OSB性质方面的研究取得了重要进展，同时还确定并优化了OSB浸渍贴面的工艺流程［2］.国内的OSB研究内容除了原料、胶黏剂、工艺等与国外相同外，还体现出以我国特色竹类资源为原料制备OSB的研究特点.在竹材定向刨花板方面，西南林业大学张宏健教授等［17］基于对云南竹材材性的基础研究以及OSB生产设备及工艺研究，形成了竹大片/定向刨花板工业生产成套技术，并达到工业生产水平.国际竹藤中心的江泽慧教授等以龙竹刨花为原料，研究了铺装方式、板材厚度和表面贴面处理等工艺参数对竹材定向刨花板纵向和横向耐冲击性能的影响，并对竹材定向刨花板受冲击破坏过程和破坏模式进行了分析［18］.除此之外，国内学者还针对特殊OSB板材开展了研究，如姚利宏等［19］针对三维空芯定向刨花板、泡沫填充三维空芯定向刨花板进行了低速冲击测试，比较板材冲击力、位移和能量.研究证明，三维空心定向刨花板结构均匀、性能稳定，适用于木结构建筑.

2 桉木基础材性

桉树是桃金娘科、桉属植物的统称，主要分布于大洋洲和亚洲，其中澳大利亚以及菲律宾、新几内亚岛等热带地区分布尤为广泛，于20世纪50年代引入我国，在华南等地大规模种植.由于桉树对我国亚热带和温带地区适应性强、生长速度快、产率高，已经发展成为商品用材林的重要选择［20-21］.全世界对桉木材性的研究起步比较晚，自20世纪80年代以来，随着桉木成为制浆的优良用材，使其在世界范围内得到了快速发展，对桉树材性更深入的研究才正式起步［22］.

2.1 物理力学性质

总结近年的桉木材性研究可知，桉木物理力学性质主要包含以下方面:

1)密度.桉树成熟材的基本密度为 0.60～0.90 g/cm3，幼龄材为 0.40～0.80 g/cm3，密度适中，但是分布具有不均匀性，直接影响到木材中水分传导的速度和木材干缩的均匀性［23］.

2)生长应力.桉木的一个突出特点是具有较高的生长应力，使得用原木锯出的板材容易产生弯曲和开裂，且在干燥的初期容易发生表裂，甚至在一些极端情况下，刚刚砍伐的桉树原木即发生开裂现象.

3)含水率.桉木的含水率分布不均并且心材含水率较高，如王桉木材边材的含水率约为118%，心材的含水率约为135%;多枝桉边材的含水率约为94%，心材的含水率约为113%［24-25］.

4)干缩率.桉木有着较高的干缩率.因为桉木的木材构造中含有退化的管胞，比较容易发生干裂扭曲，在利用桉木之前必须通过人工干燥和浸水处理来避免此种情况［26］.

5)力学性能.桉木的力学性能优异，各树种普遍为中质量树种和高质量树种，所以用桉树生产的胶合板和定向刨花板具有较高的静曲强度和弹性模量［26］.

考虑到桉木典型的强度较高但易开裂变形的性质，多将桉木加工成单板、刨花等结构单元用于人造板生产，进行实木化利用的较少.

2.2 化学性质

树种的化学材性对其制备的人造板性质具有非常重要的影响，相比松木等树脂含量高的树种，桉木中影响胶合的物质较少，使得桉木对酚醛树脂、脲醛树脂等胶黏剂的亲和力较好，制备的刨花板胶接性能较好［27］.3种常用桉木的化学组分见表1.桉树不同品种、种源/家系的化学性质有着较大变异，随着树龄的增长，纤维素含量不断增加，木质素、聚戊糖、抽提物、灰分的含量逐步下降［24］.同时，研究表明，对桉木进行高温干燥处理，可以降低聚戊糖的含量，有效减少木材变形、开裂现象，并可提高对有害昆虫侵害的抵抗力［26］.桉木具有适中的密度和硬度且不含有阻碍胶合的松脂等物质，在同等条件下桉木对胶黏剂的亲和力更强，使得用桉木制备出的定向刨花板具有良好的胶接强度，以及更强的耐久性和优异的物理性能［27］.

表1 3种常用桉木化学组分［28］Tab.1 Chemical components of three common eucalyptus wood［28］

2.3 桉木材性对OSB生产过程的影响

1)生长应力大.由于桉木的生长应力大，加工过程中应力释放会影响木质材料的尺寸稳定性［24］.

2)干缩率大.桉木有着较高的干缩率，在加工和干燥过程中，容易出现变形和开裂［24］.但桉木OSB的基本单元是大片刨花，通过复合成板材后可以在一定程度上减少木材开裂带来的影响.

3)力学性能较好.桉木的力学性能良好，定向铺装后，可以有效发挥其顺纹强度，使得桉木OSB与同类产品相比在强度方面更有优势.

4)密度较大.桉木的密度较大，施胶后不易渗透，可以提高胶黏剂使用效率，但同时密度较大会对热压设备提出更高要求，有学者提出采用杨木和桉木混合制备OSB的思路来解决这一问题［27］.

从材性方面综合考虑，桉木可以作为OSB生产的优质原料.

3 桉木OSB研究现状

3.1 国外研究现状

桉树人工林约占世界人工林面积的15%，种植于世界各地，并成为热带和亚热带地区取代牧场和作物地的首选造林树种，具有显著的生态、经济和社会效益.其产品用途广泛，受到了世界各国的欢迎［29］.虽然人工林桉木已在胶合板、刨花板等人造板材领域被广泛应用，在OSB领域也有产业化的实例，但世界范围内针对桉木OSB的研究还较少.

巴西桉树面积达到470万hm2，占人工林面积的83.93%，在巴西林业经济中占据主导地位［29］.基于这样的林业产业背景，近些年来，国外桉木OSB的研究主要集中在巴西.巴西科技工作者针对桉木OSB技术可行性以及树龄、混杂刨花、刨花预处理、刨花胶接性能、铺层结构、热压压力、胶黏剂种类、施胶量、石蜡添加量、密度、平衡含水率等各个因素对桉木OSB物理力学性能的影响等内容开展了相对系统的研究.

1)技术可行性.技术可行性研究是桉木OSB产业化的重要支撑，因此多位学者针对这一问题开展了研究.Okino等［30］利用巨桉木材制备OSB，板材为三层结构(各层质量比为1∶2∶1)，脲醛树脂施胶量为5%和8%，密度为0.75 g/cm3，产品的力学性能、尺寸稳定性、24 h吸水厚度膨胀率等均高于加拿大标准CSA O437.0中O-2级的要求，但各层平行排列、采用脲醛树脂为胶黏剂制备的板材断裂模量(MOR)未达标.此外，为了提高桉木OSB性能，研究人员还将桉木刨花与其他树种刨花进行混杂制备混杂桉木OSB，也取得了较好的效果.Bufalino等［31］将巨尾桉与红椿、卵果松等混杂，采用酚醛树脂为胶黏剂制备OSB，通过对比欧洲标准EN 300发现，巨桉、卵果松OSB有望商业化为OSB/1、OSB/2型定向刨花板.除了巨桉、巨尾桉外，大花序桉、边沁桉、邓恩桉等桉树树种也被用于制备桉木OSB或者混杂桉木OSB，展现出了较好的应用前景［32-34］.

2)原料基本性质.研究人员还研究了桉木原料基本性质(如树龄、树种等)对桉木OSB性能的影响.Da Rosa等［35］以脲醛树脂为胶黏剂，施胶量8%，添加2%的硫酸铵为催化剂，控制板材密度为0.65 g/cm3，比较研究了5种桉木(边沁桉、邓恩桉、巨桉、柳叶桉、尾叶桉)OSB与松木OSB的物理力学性能.结果表明，桉木OSB相比松木OSB呈现出较低的2 h和24 h吸水率以及较高的弯曲强度与弹性模量;5种桉木OSB中巨桉和柳叶桉的内结合强度最高，而混合桉木制备的OSB与单一桉木OSB的性能相当，可以作为OSB的原材料混合使用.Da Rosa等［36］还以上述5种桉木为原料，验证了板材密度对桉木OSB物理力学性能的影响.结果表明，吸水厚度膨胀率与板材密度成反比，而力学性能与板材密度成正比，可以根据需要选择合适的板材厚度以调控桉木OSB的力学性能.Mendes等［37］利用树龄7 a和12 a的尾叶桉刨花制备OSB，实验证明树龄对吸水厚度膨胀率、内结合强度、平行压缩强度、静曲强度、弹性模量等均无明显影响.

3)原料预处理.原料预处理也是提高人造板性能的途径之一［38］.定向刨花板最初作为结构胶合板的一个替代产品出现，但其与结构胶合板相比的劣势之一就是其尺寸稳定性相对较差.为有效解决这一问题，研究人员提出了增加胶黏剂用量及OSB原料预处理两种思路.Mendes等［39］以尾叶桉单板为原料，双面涂布酚醛胶黏剂，并进行热压预处理(150℃，4 min，压力1，2 MPa)，以此方式实现胶黏剂的预浸并制备OSB.结果表明，利用经处理后的桉木单板制备的OSB板材性能提升明显，压力对单板的预浸效果影响不大，但较大的压力(2 MPa)会对OSB的2 h和24 h吸水率及不恢复变形率产生负面影响;1 MPa的预浸压力有利于板材性能提升，制备的OSB板材各项性能均能达到加拿大标准CSA O437-93的要求.Carvalho［40］等采用高温预水解的方式来改善桉木刨花的尺寸稳定性，考察预水解条件(温度:130，150，170℃，时间:7，21 min)对桉木中抽提物、木质素、综纤维素含量、色度学参数的影响.结果表明，170℃的处理条件能够带来较好的化学改性效果，降低刨花的平衡含水率，达到提高尺寸稳定性的目的.除了尺寸稳定性外，人造板原料改性的目的还包括降低VOC或者赋予人造板阻燃、防腐等功能性［41-42］，而在桉木OSB研究中还涉及较少.

4)铺层结构.铺层结构也是桉木OSB研究的重点之一，铺层结构的优化能够提高OSB物理力学性能.Gorski等［33］利用边沁桉与松木刨花混杂制备桉木混杂OSB，板材采用三层结构，质量比为20∶60∶20.铺层结构采用全层桉木、全层松木、桉-松-桉、松-桉-松、全层松桉混杂等5种方式，密度0.65 g/cm3，采用酚醛树脂6%的施胶量，1%的石蜡添加量.其中，全层桉木的OSB产品呈现出较好的吸水厚度膨胀和回弹，但力学性能不如松木OSB.Iwakiri等［43］研究了三层结构桉木OSB的铺层结构对其力学性能的影响，采用30∶40∶30和20∶60∶20两种质量配比.结果表明，采用20∶60∶20质量比的OSB样品在纵向和横向弯曲强度之间呈现出较好的平衡.Nuryawan等［44］利用自制的简易铺装设备，研究了铺装工艺对桉木等3种树种OSB板材的力学性能的影响.结果表明，自制铺装设备能够较好地将大片刨花进行有效铺装，得到较好的板材力学性能.

5)胶种与施胶量.研究人员还对影响桉木OSB性能的胶种与施胶量进行了研究.当采用酚醛树脂作为胶黏剂，固含量为47.63%，pH为12.15，黏度为350 mPa·s时，分别采用4%，6%，8%的施胶量制备桉木OSB.结果表明，较高的施胶量(8%)会得到性能较优的OSB产品，其弯曲强度、内结合强度、吸水厚度膨胀率等均能满足加拿大标准CSA O437-93的要求［45］.而除了常用的脲醛树脂、酚醛树脂之外，苯酚-三聚氰胺-尿素-甲醛和三聚氰胺-尿素-甲醛也被用于桉木OSB制备，并展现出了优异的力学性能，满足加拿大标准 CSA O437.0 的要求［46］.

3.2 国内研究现状

我国林业资源相对匮乏，人均森林蓄积量不到世界平均水平的六分之一，为了获取更多的木材，发展并利用速生树种具有重要意义［13］.桉木作为华南地区的主要经济林木，已有很大的种植规模，作为生产资料十分易得，而且速生桉木的生长周期短，可以满足企业对木材源源不断的需求，因此利用桉木生产OSB是一个较好的选择［47］.自1980年，国内开始对OSB开展研究，并在生产工艺和性能研究方面已经取得了大量成果，但是利用树种多为杨木或松木，在应用桉木研究和生产定向刨花板方面还很欠缺［47］.20世纪80年代，广东省就建成了一批桉木木片生产基地，在我国的其他桉树种植产区，也都纷纷投产.桉木木片的加工有着较好的基础，生产技术已经完备［48］，这些条件为我国发展桉木OSB提供了重要基础.

于宝利［5］总结了树种对OSB刨花形态、刨花干燥、刨花施胶、热压以及板材质量的影响，对桉木生产OSB的可行性做出了预测分析.现有研究与实践已证明桉木应用在胶合板、刨花板和混杂单板层积材生产中都表现出了良好的质量［49］.在桉木OSB结构中，大片刨花通过胶接形成的定向结构接近于胶合板，同时其生产工艺流程与刨花板相近.基于此，预计桉木OSB的质量可以达到标准要求，有着较好的发展前景［5］.

杨康［50］首先以蔗糖改性三聚氰胺-甲醛树脂制备得到SMF树脂，然后以SMF树脂和单板废弃物为原料制备桉木OSB，研究了喷胶和刨花浸渍制备OSB的工艺，探讨了热压时间、热压温度、热压压力、施胶量、胶黏剂固体含量、浸渍时间、芯层比例等因素对OSB力学性能(内结合强度、静曲强度、弹性模量)和耐水性能(24 h吸水厚度膨胀率、煮沸试验后的内结合强度)的影响，所得OSB样品的各项性能参数能够达到LY/T1580—2010《定向刨花板》标准规定的OSB/3的要求.此外，甘卫星等［51］还研究了蔗糖替代率、施胶量、热压温度和热压时间4个因素对OSB静曲强度和弹性模量的影响.结果表明，通过优化，当蔗糖替代率为110%，施胶量为12%，热压温度为155℃，热压时间为60 s/mm时制备的OSB各项性能超过LY/T1580—2010《定向刨花板》规定的OSB/4的要求.

曾繁华［3］利用木质素替代苯酚改性酚醛树脂制得LPF树脂，并将其作为胶黏剂制备桉木OSB，通过实验探索了各因素对桉木OSB理化性能的影响.结果表明，桉木刨花厚度、表芯层比例对OSB力学性能有重要影响，而刨花含水率、表面粗糙度对刨花润湿性有影响，也会间接影响OSB板材的物理力学性能;此外，根据桉木质软、尺寸稳定性差的特点，采用浸渍桉木刨花的方式改善这一状况，探究了浸渍处理对桉木OSB物理力学性能的影响，这一研究为桉木OSB的发展提供了理论支持;利用蔗糖-三聚氰胺-甲醛共缩聚树脂(SMF)和桉木刨花作为原料，通过正交试验进行优选，在最优条件下桉木定向刨花板达到了OSB/4标准，说明生产SMF树脂桉木OSB可行;利用SMF制备桉树OSB，研究热压温度、热压时间、施胶量对桉木OSB的内结合强度、静曲强度、弹性模量、24 h吸水膨胀率的影响.结果表明:影响桉树OSB物理力学性能的主次顺序为热压温度＞热压时间＞施胶量，最优条件为热压温度155℃，热压时间14 min，施胶量14%，按照该方案制备的桉木OSB各项性能超过LY/T1580—2010标准中OSB/4的要求［52］.

尹江苹［53］对2016—2018年间有关高强度、功能性、原材料、无醛添加、饰面、机械设备以及应用等方面的OSB专利进行了归纳总结.其中，桉木OSB专利主要集中在用桉木单板废弃物制备OSB以及桉木OSB的功能化这两个方面.

综合分析国内外研究现状可以发现，目前桉木OSB的研究已经取得了初步成果，研究人员对桉木OSB制造过程的原材料及基础工艺参数进行了较为深入的研究;但同时也应注意到，相比其他OSB产品，桉木OSB的研究还较为基础，还有待于在理论性和实用性这两个方面继续加强研究.

4 总结与展望

作为我国重要的速生林树种之一，将桉木应用于OSB领域具有巨大的发展前景.一方面可以丰富OSB产品的原材料，增加其市场占有率;另一方面可以丰富桉木板材产品种类，提升产品附加值.总体而言，虽然OSB已成为一种较为成熟的木质材料产品，但国内外对桉木OSB的研究还较少，主要集中在原料、工艺、铺层结构和胶黏剂等几个方面，研究地域主要集中在我国及南美地区.桉木明显的资源优势和价格优势使其成为OSB重要的原料之一，下一步研究应主要服务于桉木OSB的产业化.基于这一背景，笔者认为未来应从以下方面开展桉木OSB研究:

1)桉木OSB结构设计与优化模拟.以不同产地的桉木材性为基础，开展桉木OSB结构设计与模拟研究，解析OSB铺层结构及工艺参数与物理力学性能之间的构效关系，优化桉木OSB的综合性能.

2)桉木OSB定制化胶黏剂研发.针对桉木对不同胶黏剂表面润湿性不同的特点，开发定制化OSB胶黏剂，特别是具有防霉、阻燃等特殊性能的复合胶黏剂.

3)桉木OSB生产设备选型及设计.根据桉木OSB板材的不同用途，可以选择桉木原木、桉木单板、桉木枝丫材、桉木单板加工剩余物等作为OSB的原材料，并根据不同原材料对生产设备进行选型与设计.