单板层积材生产工艺及性能研究进展*

常思宇 邢 东 王喜明 徐伟涛 姚利宏

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018； 2.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

随着人们生活水平的提高，对住宅的要求也愈发严苛。贴近自然、节能环保的木结构建筑再一次引起人们的重视。由于现阶段优质木材资源逐渐匮乏，生长迅速、价格低廉的人工林木材是一种较好的替代材料。但人工林木材材质松软、强度小、易腐朽；加上外部环境高温、高湿的影响，容易加速人工林木材老化、分裂和变形，降低其利用价值和使用寿命。单板层积材的出现很好地解决了这些问题，已发展成为经济实用的木结构工程材料。单板层积材（Laminated Veneer Lumber，LVL）是以小径级原木为原材料，经图1 所示一系列工序加工而成[1]。LVL按用途不同可以分为以下两类：1）非结构型LVL；2）结构型LVL。前者强度大、尺寸稳定性好，常用于制作非承重部件，如家具等；后者结构稳定性好、耐腐蚀，常用于制作托梁、桁架等。

图1 单板层积材生产工艺Fig.1 Production process of laminated veneer lumber

LVL不仅具有天然实木的优良特性，甚至在力学性能等方面还优于天然实木，这些特性是LVL成为天然实木首选替代品的关键[2]。与天然实木相比较，LVL具有以下优点：1）结构均匀、尺寸稳定性好。LVL与其他木质材料最大的区别是具有层积结构，可以大大降低应用过程中出现的变形问题[3]；2）强度高，LVL将原木的一些缺陷随机地分布在各个单板之间，提高了力学性能，也增加了LVL的可靠性[3]；3）耐候性良好，LVL的单板是利用耐水性能良好的胶黏剂粘合在一起，与其他木质材料相比较，耐候性较好[4]；4）抗振减震性能良好，LVL可以很好地抵抗变化应力产生的疲劳破坏；5）易加工，便于处理，LVL可以依照生产要求的不同，进行各种不同的加工，如刨切、锯切、开榫等；6）经济实惠，利用一些边角木料或者不同树种、质量不等的原木来制作单板，出材率为60%左右[3]。

1 单板层积材应用现状

LVL作为一种新型的人造板材，在国内外得到了广泛的关注。20 世纪70 年代初，LVL进入北美、北欧市场，在短时间内便得到快速发展。随后，加拿大、芬兰也开发了LVL产品。全球首条LVL生产线由芬兰的Raute公司和Finforest公司基于胶合板生产线改造而成[5]。目前，美国拥有6 家LVL生产公司，是全球最大的LVL生产国和消费国，而且拥有全球最大的LVL生产厂商——Trusjois公司。LVL生产设备的主要供应商是位于芬兰的Raute公司[6]。最大的LVL生产厂位于日本，日本是全球第二大LVL生产国，其生产能力约为加拿大的2 倍[7]。此外，印尼、新西兰、法国、英国等国家都拥有不同的LVL生产线，其中芬兰和法国拥有工业化的LVL生产线。在北美，结构型LVL发展最快，且木结构类型的住宅约为90%。性能优良的LVL在美国常被用作普通建筑住宅中的大规格构件[8]。

20 世纪80 年代，我国相关研究人员开始对LVL展开了研究[9]，但迄今为止，大规格结构型LVL尚未成功进行工业化生产。我国LVL生产线主要分布在经济比较发达的东部沿海地区，如：江苏、浙江、山东等地；有10 家生产量相对较大的公司分布于胶合板产业发达的地方，其生产和应用仍局限于附加值较低的家具和室内装饰等非结构型应用领域。LVL在我国被应用于各个领域，但是目前LVL主要还是依赖于进口，应用于混凝土模板、汽车底梁和车箱板等[6]。

目前，我国研究人员主要对LVL进行了以下几个方面的研究[9]：1）由不同树种制备LVL的适应性：2）生产工艺对LVL性能的影响；3）LVL的物理、力学性能和耐久性；4）LVL足尺构件性能测试和理论模型的预测；5）生命周期评价；6）LVL功能化和密实化处理 。

2 单板层积材生产工艺

LVL的生产工艺是在胶合板生产工艺基础上改造而来，两者极为相似，但在产品前期的组坯、热压以及产品后期处理等工序存在较大差异。

选用的树种决定了LVL性能。大部分用于制作胶合板的树种均适用于制作非结构型LVL。杨木是我国生产LVL的主要原料，近几年，桉木也常被用于制作LVL。Ozarska[10]通过试验表明可以用桉木代替硬木生产LVL。结构型LVL，常选用中低密度的针叶木材[11]，如辐射松、花旗松、赤松、冷杉等树种。若选用密度相对较大的树种来制作LVL，则需要解决产品胶合强度和单板的旋切质量等关键难题。树种会影响旋切单板的厚度，在同等条件下，针叶木材单板质量明显优于阔叶木材单板。相关标准中明确指出：用于生产结构型LVL的单板厚度一般均在6.4 mm以内，通常情况下为2.5～3.2 mm。为了达到单板层积材标准，应将单板的含水率控制在6 %以下，一般利用喷气式干燥机或者热压式干燥机来除去多余的水分[12]。

单板接长是生产LVL必不可少的一个环节[5]，一般情况下，结构型LVL采取斜接的方式，斜面的长度约为单板厚度的7～10 倍；而非结构型LVL，为确保应力均匀，通常采取对接的方式，而且要求单板端头的缝隙不得大于5 mm。单板涂胶[13]是采用淋涂或者滚涂方式将胶黏剂涂布在单板的表面，通常施胶量为220～250 g/m2，有时为了缩短热压时间和提高预压性能，可以在涂胶时加入一定量的催化剂。涂胶之后对单板进行组坯，一般选用强度较小的单板作为芯层材料，强度较大的单板作为表层材料。LVL的弹性模量、静曲强度和吸水厚度膨胀率（MOE、MOR、TSR）等性能，会随着单板性能的增加而逐渐提高。经过预压和热压，得到最终产品。研究人员曾尝试采用热—冷两步法、分步热压等方法来缩短热压时间，提高产品性能。有研究以杉木为原料制备LVL[14]，最佳工艺条件为热压温度（T）165 ℃，热压时间（t）1.20 min/mm。

3 单板层积材性能

国内外科研人员对LVL的力学、物理性能进行了大量研究。田昭鹏[15]等的研究表明，竹木复合LVL的MOR、MOE、HSS、TSR等性能优于杨木LVL。于利[16]等研究发现，LVL的MOE、MOR与压缩率和热压温度呈正相关，与干燥温度和热压时间呈负相关。张心安[17]等通过研究得出，单板厚度与LVL的MOR和MOE呈负相关。强明礼[18]等的研究表明：单板厚度和LVL的均布载荷呈负相关，且单板越厚，其背面裂隙度越大。若生产相同厚度的LVL，单板越厚，施胶量就越少，但是LVL的强度却较低；反之，单板越薄，原木自身的缺陷越分散，但对应的成本却越高。北美曾用12.7 mm厚的单板制作LVL[19]。我国用4～10 mm单板制成的LVL，不仅性能优良，而且尺寸稳定性较好。Xu[20]等研究发现，LVL的蠕变特性曲线与木材的蠕变特性曲线基本一致。Huang[21]等的研究表明：杨木LVL与杨木单板的纵向MOE非常接近，甚至高于杨木单板的纵向MOE。利用杨木LVL这一特性可以加工重型包装箱。Xue[22]等研究发现，有限元模型预测LVL的MOE和MOR值与测试结果非常接近，最大相对误差仅为5%。Bal[23]研究了杨木LVL的抗弯强度，结果证明水平方向的抗弯强度高于其他方向。李文玲[24]等通过测试分析得出，横纹单板越多，杨木LVL的力学性能越好。

为了提高LVL的性能，需要对LVL进行改性处理。Wei[25]等研究人员通过在LVL内部植入碳纤维的方法来提高LVL的MOE和MOR。钟伟[26]等用改性杨木制备LVL，研究发现采用分步热压法可以增强杨木LVL的MOR和MOE，而且还可改善HSS。刘一楠[27]等在LVL中加入玻璃纤维布和碳纤维布制备增强LVL，并研究了两种材料的铺装方式对LVL力学性能的影响，结果表明：增强材料置于表层时，LVL的MOR和MOE效果最好。而朱一辛[28]等研究发现用湿热处理单板制备的LVL，随着单板的密度、MOR和HSS的增加，TSR和断面密度变异的可能性降低。Wang[29]等通过对单板浸渍的研究发现，使用特制低分子量树脂容易浸渍到木材细胞壁中，用这种浸渍技术处理的单板制备的LVL性能较好。Chui[30]等对比研究了用水溶性PF浸泡单板与仅浸泡外层的单板制备的LVL，结果发现：两者的性能都得到了明显的改善。

4 结语

LVL力学性能优良，在我国被广泛应用于建筑、包装、运输以及家具等行业。但仍面临以下问题：1）原料来源有限，目前仅限于杨木、桦木、桉木、竹木等。2）生产工艺有待改进，当前进口LVL用量比例较大。3）生产成本较高，需改进生产工艺，降低成本。

根据我国LVL的相关标准和研究现状，结合木材资源等情况，今后应着重在以下几方面进行深入研究：

1）不同树种的木材性能各异，在综合考虑生产工艺、成本、增强效果及使用场合基础上，研究不同树种的合理组合，实现LVL较高性价比。

2）不断优化LVL生产工艺，研发更加自动化、智能化和节能的LVL生产线。

3）加强对功能性LVL（如：高耐候、高防腐、阻燃性能良好等）的研发，将不需刷漆的LVL用于户外景观材料，作为未来研究发展的主要方向。

4）LVL作为一种新型材料，应朝着节能环保、轻质高强等方向发展。