人造集成薄木制备技术的研究进展分析

张国梁，沈明哲，邢义虎，张 栋，李新业

(1.河北农业大学机电工程学院，河北保定，071000；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.河北农业大学智慧木匠创新工作室，河北 保定 071000；4.河北省智慧农业装备技术创新中心，河北 保定 071000)

人造集成薄木是利用木材本身组织，经过单元的细小加工从而改变木材的纹理、结构和色调，可通过重新设计、编排出新型图案或新的花色，也可仿制珍贵树种的纹理。目前人造集成薄木的制备主要是通过单板、板材、小径木剖方等单元经组坯后平压而集成毛方，然后经刨切或旋切加工而成。此种方法已经取得了长足进展，但还存在毛方生产效率较低、人工对纹理调控能力有限、装饰仿真性较差等不足。研发重组木和重组装饰材的快速成型技术有利于人造集成薄木生产的连续化和自动化，将是重组装饰材和人造集成薄木方法的新突破，有助于人为调控薄木花纹能力的进一步提升，使薄木质量得到有效保证，薄木花纹的装饰功能得到进一步加强，对速生林高效利用和提高附加值具有非常重要的理论意义和现实价值。

2019年，中国人造板总生产能力约2.827 1亿m3，同比增长13.9%。与此同时，人造板产业供给侧结构性改革全面展开，落后产能淘汰进一步加速。2019年，全国注销或吊销胶合板类产品生产企业900余家；关闭、拆除或停产刨花板生产线约30条，淘汰落后生产能力约117万m3/年；关闭、拆除或停产纤维板生产线约26条，淘汰落后生产能力约105万m3/年[1]。推进清洁生产和绿色发展理念，切实推进产业升级成为必然趋势。因此，从木材和人造板工业发展需要出发，探究利用低品质木材单板制备重组木/重组装置材的成型机理和技术，对推动相关产业的生产技术革新和升级具有重要意义，对木材行业践行国家碳达峰和碳中和战略目标具有重要的推动作用。本文主要从人造集成薄木的基材——重组装饰材的研发、成型过程的力学表征、成型过程的传热传质及人造集成薄木的纹理调控等方面进行综述，以期为推动人造集成薄木制备的技术提升和快速发展提供参考。

1 重组装饰材的研发

利用珍贵树种制造的薄木，花纹美观、雅致，色泽悦目，香气怡人，是高级建筑装饰、家具制造等领域良好而极珍贵的装饰材料。但我国珍贵树种蓄积量很少，需大量从国外进口。随着珍贵树种的减少，靠天然刨切薄木越来越难以满足日益增长的加工需要。上世纪70年代，意大利、美国、日本等国开始致力于用普通树种木材制造薄木技术的开发，上世纪80年代初我国开始致力于人造薄木试制，目前已取得了很大的进步。

人造集成薄木生产的基础是重组装饰材。重组装饰材又称科技木，是以普通、廉价的人工林或普通树种木材或竹材，经旋切或刨切而成的单板等为主要原材料，采用单板调色、层积、模压胶合成型等技术制造而成的一种具有天然珍贵树种木材的质感、花纹、颜色等特征或其他艺术图案的木质装饰材料[2-4]。重组装饰材的制造方法根据所使用胶黏剂的不同而不同，用常温固化胶黏剂生产重组装饰材方法称为冷压法；用热压固化胶黏剂方法生产重组装饰材称为热压法[5]。

重组装饰材组坯后的冷压和热压成型法基本上采用的是常规的平压技术[6-8]。随科技的进步，高频热压技术在重组装饰材和集成材的研发中也日益发挥重要作用。2010年，北京林机所在国内率先将高频技术引入竹材重组领域，开发出“CGPB-65SP多功能竹材弧形重组高频拼板机”[9]；詹先旭等[10]以非洲白木(Ayous)旋切单板为原材料，探究了单板含水率、施胶量、热压压力、热压时间等主要因子对重组装饰材理化性能的影响，确定了适宜重组装饰材制造的高频热压工艺参数；阮氏香江等[11]采用酚醛树脂胶黏剂，以竹条含水率、涂胶量为试验因子进行竹集成材的高频热压胶合试验，得出了较优的高频热压胶合工艺条件。对于桉树等速生材，可直接利用旋切单板生产木质复合装饰材料，李宁等[12]采用桉木单板条双向定向方法生产重组木，板材中单板条的长度方向与板材长度方向大致相同，单板条的宽度方向与板材的板面倾斜相交。不同于单板层积胶合制造装饰材的方法，中国林科院木工所于文吉和余养伦团队提出了单板纤维化再重组技术用于生产重组木[13-14]。河北农业大学木质工程材料课题组自主研发了第一代钢木结构的单板卷曲辊压成型机，已取得国家发明专利1项，实用新型专利2项[15-17]，并进行了单板卷曲重组“原木”的初步试验；但工艺和材料因素对“原木”物理力学强度的影响还有待定量分析，成型机制尚需进一步明确。

单元和生产工艺是影响重组材力学性能的重要因素。吴振华等[18]以非洲白木单板为单元制备重组装饰材，在单板染色工序中添加了阻燃剂，发现随着阻燃剂载药量的增加，重组装饰材的胶合强度逐渐降低；Rosa[19]等发现采用三聚氰胺脲醛树脂和间苯二酚甲醛制作的竹集成材性能较好。在竹材和杨木、桉树等速生材的重组过程中，原材料的改性处理[20]、湿度和加载方向[21]等对重组材的性能都将产生重要影响；此外通过添加增强材料可以改善或提高重组材的物理力学性能。林雨斌[22]等采用玻璃纤维作为增强材料对杨木单板重组材进行了增强，发现随着玻璃纤维铺装层数的增加，重组材的力学性能增加但非线性关系。多种增强材料的使用往往可以相互补充，以玻璃纤维线为底线、辅助聚乙烯纤维线为面线植入杨木单板可以强化LVL力学性能[23]；钟伟[24]等采用玻璃纤维布与碳纤维布复合材料及分步热压法增强杨木单板层积材；Wei[25]等采用纤维复合材料(FRP)作为重组竹横梁的增强材料并提出了配筋竹结构的概念[26]。改善单板重组材性能的可用方法还包括热处理，在不同热处理温度下，重组材的应力-应变关系呈现非线性特征[27]，而热处理温度和方式对集成材的物理力学性能影响显著[28]，林秋琴[29]等采用预压缩处理施胶技术提高了杨木重组木尺寸稳定性。

在上述研究中，重组材均需要预先组坯，然后利用间歇式热压机或冷压机进行平压，经过后处理获得一定规格的木(板)方或竹(板)方。类似于通过逆单板旋切过程的辊压热成型方式制备具有一定尖削度和优良物理力学性能的重组“原木”技术未见报道，而如何保证重组“原木”的物理力学性能更是一个全新的课题。

2 人工集成薄木的纹理调控

重组装饰材经刨切或旋切加工可制成人造薄木。其纹理设计主要有两个方向：一方面力求完美的再现自然界中珍稀而又极具装饰价值树种的纹理效果；另一方面是以装饰性和流行性创造与潮流同步的新奇纹理。

纹理设计和调控的首要任务是对天然珍贵树种花纹进行分析识别，包括颜色识别和纹理形状识别两个部分。通过两个方面的识别，获得相应的数据，然后进行生产，例如通过部分去木质素凸显木材本身的颜色和纹理可生产多层结构透明的复合板材[30]。有关学者根据图像处理理论，运用彩色图像灰度化、中值滤波、图像二值化处理、神经网络、I-BGLAM等一系列图像处理手段抽取板材纹理，为家具和装饰板材加工中仿真板材纹理等工艺提供了天然的木材纹理图案[31-33]。还有学者进行了木材纹理的定量化算法探究，如改进Canny算子[34]、自相关函数、灰度共生矩阵、行程长度统计、快速傅里叶变换功率谱函数、小波、分形、自回归模型、Radon 函数变换等的可行性及优缺点[35-36]。

通过单板染色，进行不同的组合设计，可呈现出各种天然纹理达不到的装饰效果，如具有装饰图案的花式拼花门板、花纹腰线、幻彩木花线、彩色拼花地板、甚至木质彩色装饰画等[37]。木材的酸碱性、漂染药剂的种类、工艺、配方、助剂等因素对木材和单板的漂染具有重要影响[38-40]。Tang[41]等在竹材染色中，用壳聚糖作为固色剂，提高了上染率，改善了水洗牢度和日晒牢度；王晓倩[42]等以壳聚糖(CTS)和活性艳蓝KN-R染料为原材料，通过两步反应法制备新型N，O-羧甲基壳聚糖染料，明显改善了薄木的染色效果，提高了染色薄木的耐日晒和耐水洗牢度。木材的深度染色，要求染透、染均匀并且无色差[43]；还要使木材染色的色调接近所需要的自然木材颜色，并具备较好的保色性[44]，使薄木在高温热压及长时间阳光照射下不褪色。

重组装饰材的纹理模拟主要以模拟径向花纹和弦向花纹为主，而为了模拟弦向花纹，设计制造不同形状的模具至关重要。赵英杰[45]等研究了将计算机技术应用于重组装饰材模具的设计和制造中的方法，并结合实例阐述了其具体应用过程，包括纹理识别、模具设计、模压制方和模拟刨切等。而数字化设计技术应用于重组装饰材模具设计已经成为研究热点[46-48]，设计过程包括几个关键环节，如纹理源图的矢量化，所需单板厚度、模具形状等参数计算和模具曲面的三维造型等[49]。

目前人造集成薄木纹理主要是通过单板染色生产径切直纹或利用不同形状的曲面模具压制出曲形坯方刨切小花纹，存在花纹品种相对较少，装饰仿真性不高，薄木较易离缝开胶，成本高等不足。可探索利用速生材种之间的色差或通过单板染色后逆原木旋切过程的卷曲辊压而重组成具有尖削度的“原木”，从而保证“原木”年轮的高仿真，重组“原木”通过连续旋切或不同的刨切方式可生产具有弦向花纹的人造薄木，从而提高人工对薄木纹理的调控能力，增加装饰薄木品种，实现生产连续化和自动化，保证装饰薄木质量。

3 成型过程的力学表征

重组装饰材等复合材料的成型制备，尤其是高压成型伴随着材料内部复杂的力学变化，为了表征致密成型过程中的力学变化规律，常采用的几种力学模型包括：压力与压缩密度模型、黏弹塑性模型、热黏塑性模型和粘弹塑性统一本构模型等[50]。复合成型过程涉及到大变形、大位移和几何非线性等问题，由于具有灵活处理复杂的几何形状以及边界条件的特点，有限元、离散元等方法在此问题的力学建模中发挥了重要作用[51-52]。

基于薄竹材缠绕技术与加工工艺的应用优势，依靠缠绕卷曲方式开发的环保型竹质复合缠绕压力管等产品相继问世[53]。由于环刚度是衡量管环在外载荷作用下抗径向变形能力的一个重要性能参数，竹缠绕复合管母管、承插口连接及束节连接后的竹缠绕复合管的环刚度值都得到了测量[54]。在木材仿生缠绕技术开发过程中，南京林业大学孙丰文课题组[55]根据结构层复合板带的缠绕方式和缠绕角制备了层合板以研究管道结构层的力学性能，建立了木基缠绕管道的结构层、内衬层和外防护层的刚度预测公式并根据刚度叠加原理建立了管道整体结构的刚度预测模型。海军工程大学周晓松[56]等从被缠绕体考虑，建立了纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体结构的轴压力学模型，并在考虑静力学平衡条件及表层和芯材间位移协调条件的基础上，建立了表层侧向约束应力和结构轴向压缩变形间的关系。缠绕过程涉及到的外力可能包括压缩、扭转和轴向载荷，Geng[57]等基于正交本构关系和轴对称厚壁圆柱理论建立了多角度纤维缠绕模型，并通过有限元技术进行了验证。

依靠辊压缠绕方式制备重组“原木”的过程不同于已有竹/木复合缠绕常用的螺旋缠绕方式，各层单板的弯曲应力和应变的变化规律十分复杂，因此表征其力学模型并实现辊压力的精确控制至关重要。

4 成型过程的传热传质

在重组木(竹)和集成材的制备过程中，高压力是必备条件；如果是热压工艺，还将伴随着温度的变化。在高温高压作用下，重组材和集成材内部温度和水分的分布和变化对成型质量具有显著影响。

在木材干燥领域，针对不同树种不同干燥方法下的传热传质规律和模型构建的研究已经取得了很大的成就[58-59]。郝晓峰[60]以杉木人工林木材作为试验材料，考虑了木材早晚材密度不均匀性对木材干燥的影响，建立了木材干燥过程中传热传质一维的“多场-相变-扩散”数学模型，但传热传质模型的部分物性参数依然是基于理论推导出来的，并没有通过实际的试验测量；鲍咏泽[61]等探讨了过热蒸汽干燥对柳杉锯材干燥质量、微观结构和物理力学性能的影响，但并未深入研究木材边界层内部速度梯度，温度梯度和浓度梯度对传热传质的影响；刘纪建[62]等建立了樟子松干燥过程传热传质的多尺度模型，但只研究了一维模型，且没有考虑试材的形状和干燥干裂情况。

在人造板热压生产过程中，刨花板表层、芯层的温度和水分变化曲线具有明显的差异[63]，热压板与板坯表面接触的热传导以及压板自身形成的热场之间的耦合作用对刨花板具有辐射传热的影响[64]；热压温度、目标密度、施胶量、板坯密度对胶合板和纤维板的热压传热特性的影响程度也不尽相同[65]。

在单板辊压热成型重组“原木”过程中，单板含水率和温度变化规律是否呈现与人造板热压生产类似的分层变化，影响温度和水分传递的因素及其贡献度如何，是否可以借鉴木材干燥过程中的传热传质模型分析辊压重组“原木”的温度场和含水率场分布特性都充满不确定性并有待深入研究。

5 结束语

综上所述，目前已有的重组材制造技术多采用平压法生产，生产效率低、人工对纹理调控能力有限，装饰仿真性较差，而辊压重组“原木”技术未见报道，其成型过程中的力学变化、传热传质等机制尚不明确。如能通过研究逆原木旋切过程，揭示单板重组“原木”辊压热成型机制，必将为人造集成薄木的基材制备技术提供新的高效技术手段，并推动人造集成薄木制备的技术提升和快速发展。