单板材、单板集成材及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种有关木材加工领域的单板材加工技术，特别是有关单板材、单板材集成材及其制造方法的发明。背景技术
到面前为至，人们已经知道将原木旋切成具有一定长、宽、高尺寸的单板材，然后、根据实际使用场合的不同，将若干个被旋切后的单板材胶接成单板集成材(Lamitated Veneer Board)，从而应用到各种建筑物、或者安置在公园等室外娱乐设施之中使用。然而，为了能够抵御风吹雨淋、虫蛀、以及腐朽菌等引起的腐朽，在建筑物或者室外的环境下长期使用这些木制品，所采用的树种大多是一些被公认为可广泛地应用在木工、建筑等领域的耐腐朽的硬质木材作为原材料。而对于那些质地比较松散，即材质密度低而且利用价值比较低的木材，例如杨属木材类，却没有人提及如何进行适当的加工处理，使其材质得以改善从而得到能够抵御自然环境变化的有用的原材料。
特别是近年以来、随着植树造林的广泛开展、中国的不少地区形成了初具规模的绿化带、特别是杨属木材类，由于其生长速度快，在很多地区逐步地形成了杨树栽培区。但是、由于杨属木材生长时生理或遗传因子的作用，使木材细胞发生变态和不规则性，特别是假心材的产生直到面前为止，还没有真正找到其中的原因。倘若将杨树木材长时间地放置，不加以采伐利用，由于杨树本身的假心材地特征，使得树木从芯处起出现空洞、慢慢地变成枯萎。面对此情形、人们迫切地希望寻找到一种能够充分利用诸如杨树等材质密度低的树木资源、将其加工成耐腐朽，耐气候而且具有一定强度的有用资源的途经。
为了适应室外的风吹、雨淋等自然环境的变化、提供一种耐腐朽的单板材，但现有制品采用的树种多为针叶树，例如辐射松等质地比较硬的树种。由于是使用质地比较硬且原木自身的利用价值较高的树种作为原材料，因此存在着单板集成材(LVB)成本高的缺点，并没有解决如何有效利用象上述杨树等材质密度较低且原木自身利用价值很低的木材资源的利用问题。
本发明的目的在于解决目前社会上迫切地期望充分有效利用材质密度低的树木资源的需求，提供一种成本低、耐腐朽的单板材和单板集成材(LVB)及其制造方法。发明内容
本发明提供的单板材，包括以杨属木材类作为所述单板材的单板原材，和被浸渍在所述单板原材的木材内部的树脂类浸渍液。
根据以上的单板材，由于单板原材是采用杨属木材类，即那些密度低、材质比较松散的原材料，通过将浸渍液浸渍到这些密度低、材质比较松散的木材内，从而可以增强单板原材的防腐性能，使得商业价值低的木材资源的应用领域得到了进一步的拓宽。本发明解决了如何有效地利用材质密度低的树木资源的社会上的需求，使得经过浸渍处理后的单板材和单板集成材能够被广泛地应用在木材建筑业的各个领域。
而且、本发明还提供一种至少包括一块以上如上述发明所公开的单板材的单板集成材(LVB)，其中，每块单板材之间借助胶粘剂所形成的胶粘剂层互相层叠。
由于可以借助胶粘剂将经过浸渍处理后的杨属木材类单板材，按照应用目的不同胶接在一起，用于各种用途，因此使密度低、材质比较松散的木材资源的应用领域更加广泛。
更进一步，本发明还提供一种单板材及单板集成材的制造方法，根据单板原材的材质，对于不同分子量范围的用于浸渍所述单板原材的树脂浸渍液，调配其含脂浓度；将被旋切成具有长、宽、高规定尺寸的单板原材至少一块以上放入所述浸渍液中并以规定的浸渍条件进行浸渍；并将浸渍有所述浸渍液的单板材进行干燥制成单板材。另外，在上述干燥处理后也可按常规技术进行养生处理。
在上述所制的每块单板材的表面上涂抹胶粘剂，胶接所述若干个单板材即可制成单板集成材。
根据本发明提供的制造方法所得到的单板集成材，由于是按照规定的浸渍条件进行浸渍处理，而且把经过浸渍处理过的单板材再进一步进行干燥和养生处理，因此单板集成材的单板与单板之间的胶接力能够得到很好的改善。附图说明
图1是本发明所涉及的单板材的浸渍工艺流程示意图。
图2是本发明所涉及的单板集成材(LVB)的部分剖面的斜视图。
图3是本发明所涉及的单板集成材的制造工艺流程示意图。
图4是本发明所涉及的单板集成材的拉伸实验片的胶接强度示意图；图4(a)是A类型拉伸实验片的示意图，图4(b)是B类型拉伸实验片的示意图。具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明。
本发明所采用的杨属木材类单板原材，主要是以中国产的毛白杨、山杨、大叶杨、滇杨、大青杨、加杨等为原料。这些杨属木材在构造上的特点是导管和纤维的细胞壁薄，胞腔大，因此木材的密度低。根据中国杨树集约栽培(中国科学技术出版社1994)的记载，本发明所使用的杨属木材可以用衡量木材密度指标其中之一的气干密度来确定。本发明所使用的杨属木材的气干密度为气干材重量(g)/气干材体积(cm3)，在含水率为12％时，杨属木材的气干密度低于0.544g/cm3。本发明正是利用杨属木材的密度低、多孔性的特点，对杨属木材的单板材进行浸渍处理，从而使杨属木材的防腐性能以及其他的物理性能得到改善。为了说明方便起见，以下的实施例都是以白杨为例进行说明。
图1是本发明所涉及的单板材的浸渍工艺流程示意图。
首先，采用那些根据实际的使用用途的不同，已经被旋切成具有一定尺寸的单板原材(步骤11)。另外将在步骤21得到的作为浸渍液使用的具有各种分子量数的酚醛树脂，根据实验的目的，分别调配成各种不同的浓度。也就是说，在本发明中，作为浸渍液使用的酚醛树脂，按照分子量数的不同，将浸渍液划分成几组实验用浸渍液。再对每组实验用浸渍液，用水进行溶解，使浸渍液中所含的树脂的比例(浓度)分别为8％、16％以及32％。但是在此处，溶解液并不局限于水，也可以用水以外的例如油性溶解液进行溶解。
在步骤12，将旋切好的白杨单板原材分别放入若干个浸渍容器内，然后分别注入在步骤22已经调配好一定比例树脂的各种分子量数的浸渍用酚醛树脂液。在开始注入浸渍液后，首先保持30分钟的减压环境，然后再维持30分钟的常压环境，浸渍时间(减压环境加上常压环境)大概维持1小时左右即可。经过大约1小时左右的浸渍过程，单板原材内的木细胞内填充了大量的浸渍液(即浸渍用酚醛树脂)，单板原材的重量有明显的增加。在上述浸渍条件下，以上述8％、16％以及32％浓度的树脂溶液浸渍后，分别可以得到树脂固含量约为5％、10％和20％的浸渍单板。
接着，将浸渍过后的单板原材从浸渍液中捞出，装入干燥炉中进干燥处理(步骤13)。干燥处理可在40-120℃环境下，进行1-48小时，但较为理想的是向炉中提供60-90℃的热风，干燥处理维持5-10小时，其中干燥处理维持6个小时左右为最佳。然后，将经过干燥处理后的单板原材在高温、常压下放置在室内一定的时间，进行所谓的养生处理(步骤14)。最后，得到本发明的单板材产品(步骤15)。
下面，就步骤12，将旋切好的白杨单板原材分别放入分子量数各不相同的浸渍液容器内进行浸渍实验，作详细地说明。本实验的目的是为了说明经浸渍后的白杨单板原材与没有进行浸渍处理的单板原材相比较，如以下将要介绍的表1所示，在防腐性能上有了很大的改善。特别是当酚醛树脂溶液的分子量为100～1000，浸渍单板的树脂固含量大于等于10％时，防腐性能得到更加明显的改善。在这里所说的防腐性能是指利用抗菌操作，通过实验片的质量减少率来作为判断基准的。关于实验用菌种的内容，将在实验材料一节中详细地介绍。1.实验的材料
本实验采用中国产的白杨单板原材作为实验片，每块单板原材的厚度为2.8mm。
实验用的浸渍液采用的是酚醛树脂溶液，树脂分子量被划分成四个区段，分别为100～500、501～1000、1001～1500以及1501～2000。
实验用菌采用日本农林水产省森林综合研究所(FFPRI)规定的作为木材防腐剂的防腐性能实验的标准菌，即FomitopsisPalustris(Berk.et Curt.)Gilbn.&Ryv.FFPRI0507和TrametesVersicolor(L.Fr.)Pilat FFPRI1030这二种菌。2.实验方法
首先将供实验用的白杨单板实验片(长×宽×高＝30×30×2.8mm)放在温度为60±2℃的循环干燥机内干燥48小时。然后，在每块实验片还没有吸收任何湿度的情况下，精密地测量每块实验片的质量(精确到0.01g)。
将实验用的浸渍液按照上述四个分子量区段，分别用水调剂成含树脂浓度分别为8％、16％、32％的浸渍液。
然后将实验片若干块分别放入调剂好的具有四个分子量区段三种树脂固含量的12种浸渍液中进行浸渍。浸渍的条件是采用在前面已介绍过的步骤12的条件，即在开始注入浸渍液后，首先保持30分钟的减压环境，然后再维持30分钟的常压环境，浸渍时间(减压环境加上常压环境)大概维持1小时左右，此后放入88±2℃干燥器内干燥4小时。到此，得到了在各种浸渍条件下的树脂固含量分别约为5％、10％和20％的处理实验片。1)耐气候处理：
将上述处理实验片和无处理实验片，9个为一组，分别放在50
0ml的烧瓶内，加入10倍于实验片容积的蒸溜水。在水面加上
一定重量的盖板，使实验片不会浮出水面。在烧瓶内放入磁性回
转子，温度设定在25±3℃以每分钟400～450转的速度
旋转搅拌8小时后，擦去实验片表面的水分，将实验片放入60
±2℃的干燥器中静置16小时。以上处理进行10个循环。2)将耐气候处理后的实验片再放入60±2℃的干燥器内干燥48
小时，再放入密封容器内静置30分钟称其重量(M3)，并精确
到0.01g。3)抗菌实验：
把上述处理实验片和无处理实验片分别放入FP培养瓶和TV培
养瓶。每个培养瓶内放3个实验片，实验片的纤维方向垂直放置。
温度保持在26±2℃，相对湿度保持在70％以上，并持续1
2个星期。4)抗菌实验结束后，把实验片表面的菌丝、附着物完全除去。风干
24小时后，再放入60±2℃的干燥器内干燥48小时，放入
密封容器内静置30分钟称其重量(M4)，并精确到0.01g。5)计算质量减少率：
M3→耐气候处理后的干重
M4→抗菌实验后的干重3.实验结果
通过以上的实验，得到以下表1所示的中国产白杨单板的防腐性能实验结果。
表1 中国产白杨单板的防腐实验(质量减少率％)树脂分子量 固含量20％ 固含量10％ 固含量5％ 无处理 FP TV FP TV FP TV FP TV 100～500 1.7 1.1 1.8 1.7 3.8 3.4 51.2 36.6 501～1000 1.6 0.9 2.1 2.0 5.4 4.2 1001～1500 8.8 6.0 9.6 11.0 19.0 11.4 1501～2000 18.7 8.9 22.4 15.6 24.4 18.8注●FP是指Fomitopsis palustris菌，TV是指Trametes versicolor菌。●表1中的固含量是指浸渍单板材中树脂的固含量。●防腐性能以实验片的质量减少率(％)为评价基准，一般情况下，如果经过FP及TV处理后，实验片的质量减少率均在6.0％以下时，则判断为具有防腐性能。在较为严格的情况下，以质量减少率均在3.0％以下为评价基准。●由于考虑到成本及粘结性能，浸渍单板材的树脂固含量以35％以下较为理想。4.结论
通过以上的实验，可以看出当实验用白杨单板经过浸渍处理后，与没有经过浸渍处理的单板相比较，其防腐效果能够得到普遍的提高，也就是说经过浸渍处理后的单板材由于其防腐性能得到了普遍的提高，因此即使室外等风吹、雨淋等自然环境下，也能够得到广泛的应用。特别是，当树脂分子量在100～1000之间，单板材中树脂的固含量的比例在10％以上时，实验用白杨单板的防腐性能能够得到明显的改善。
申请人为了说明本发明的单板集成材经过浸渍处理后，同样能够取得防腐效果，对单板集成材也作了相同的实验。有关单板集成材的制造工艺，将在以后详细地介绍。
首先将预先已测量好重量的197块白杨单板(厚度为2.8mm)以40块为一组，分别放入浸渍液的分子量数为100～500、501～1000、1001～1500以及1501～2000四个区段的浸渍液中进行浸渍。浸渍的条件与前面所介绍的步骤12的浸渍条件一样，即首先保持30分钟的减压环境，然后再维持30分钟的常压环境，浸渍时间(减压环境加上常压环境)大概维持1小时左右。这样经干燥胶结后就得到了在各种浸渍条件下有关集成材的处理实验片。关于对集成材的处理实验片以及无处理实验片所进行的耐气候处理和抗菌实验的实验方法，由于与上述单板时的实验方法完全相同，在此省略其说明。通过实验，得到如表2所示的实验结果。
表2 中国产白杨单板集成材的防腐实验(质量减少率％)树脂分子量 固含量20％ 固含量10％ 固含量5％ 没有处理 FP TV FP TV FP TV FP TV 100～500 1.6 1.2 2.0 1.7 4.6 3.7 28.4 18.8 501～1000 1.9 0.9 2.9 2.1 6.5 4.9 1001～1500 9.6 6.5 17.5 11.3 22.4 14.6 1501～2000 18.5 10.5 23.4 16.3 29.7 21.1
从以上的表2可以看出，用经过浸渍后的单板材层叠而成的集成材与没有经过浸渍处理的集成材相比较，与表1的单板材同样，其防腐效果也同样得到了普遍地提高。特别是，当树脂分子量在100～1000之间，使用单板的树脂固含量的比例在10％以上时，集成材的防腐性能能够得到明显地改善。
由于经过浸渍处理后的单板材与用经过浸渍后的单板材层叠而成的集成材，在防腐性能上得到了明显地改善，因此本发明解决了如何充分有效地利用材质密度低且原木本身的利用价值低的树木资源的需求。使得经过浸渍处理后的单板材和单板集成材(LVB)能够被广泛地应用在木材建筑业的各个领域。
图2是本发明所涉及的单板集成材的部分剖面的斜视图。如图2所示，单板集成材1是采用一对表面单板2和被挟持在表面单板2之间的内层单板3的结构。其中的表面单板2和内层单板3都是采用经过上述浸渍过的单板材，其中每块单板之间用胶粘剂构成的胶接层4而互相层叠。
图3是本发明所涉及的单板集成材的制造工艺流程示意图。
当在图1的步骤15得到本发明的浸渍后的单板材后，将单板材根据实际应用的需要进行摆放的准备(步骤31)。另外将在步骤41得到的胶粘剂以及加添剂按一定的配合比进行混合，用于单板材之间的胶接。
在本发明中，作为胶粘剂采用的是酚醛树脂胶，但是，作为胶粘剂，并不一定局限在酚醛树脂类，也可以使用例如尿醛树脂胶、异氰酸胶、三聚氰胺胶、乳白胶等以及这些胶的混合物。
在步骤32，将准备好的白杨单板材分别涂上在步骤24调配好的胶粘剂，使每块单板材互相层叠在一起，构成单板集成材。涂胶后的单板集成材在作为成品使用之前，根据使用胶粘剂的不同，还可以进一步进行冷压处理(步骤33)和热压处理(步骤34)。然后将单板集成材按照其使用目的的不同，制成各种尺寸的集成材(步骤35)。
申请人为了观察经过以上工序所得到的单板集成材在物理性能上是否得到了改善，特地作了如下所示的实验。本实验所采用的单板集成材1，如图2所示，其结构是每一块单板的厚度为2.8mm，由9块单板互相胶结构成。但是，在这里每一块单板的厚度以及构成单板集成材1的单板块数并不局限于此，例如单板也可以采用其他的厚度，单板的块数也可以采用9以外的其他数字。以上的结构仅仅是为了实验方便起见，采用的数字组合。1.实验材料
1.1实验用单板集成材
本实验采用中国产的白杨单板为实验材料，每块单板的厚度为2.8mm。实验用的浸渍液采用的是酚醛树脂溶液，具有低分子量类型(200～300)、标准分子量类型(300～500)、高分子量类型(700～800)三种类型。在以下的说明中，为了说明方便起见，分别用省略符号L-PF、M-PF、H-PF表示。浸渍液中树脂的固含量被调配成8％、16％以及32％三个级别。
将实验单板分别放入调配好的具有三个级别三种固含量的12种浸渍液中进行浸渍处理。浸渍的操作与本发明的单板材的浸渍操作次序一样(如图1的步骤12)。然后，将得到的经过浸渍后的单板材按照图3的次序进行胶接从而得到本实验要用的在各种浸渍条件下的实验用单板集成材。
1.2胶粘剂
作为胶粘剂，本实验采用的是酚醛树脂胶。2.实验方法2.1单板集成材的弯曲性能实验
实验体尺寸 厚×宽×高 24×50×550mm
实验体数 各分子量和固含量条件下各50个
实验条件 跨距为500mm
下压速度为7mm/min
对于经过L-PF、M-PF、H-PF浸渍液浸渍后的单板以及没有经过浸渍处理的单板，胶结后，分别制成50个如上所示尺寸的实验体，以供实验。2.2单板集成材的胶接性能实验
2.2.1拉伸强度
实验体尺寸 厚×宽×高 24×50×550mm
实验体数 各分子量和固含量条件下各10个
实验条件 沸水中煮沸4小时后、在100℃的情况下干
燥20个小时为一个循环
对于经过L-PF、M-PF、H-PF浸渍液浸渍后的单板以及没有经过浸渍处理的单板，胶结后，分别制作10块如图4(a)所示的A类型拉伸实验片、和图4(b)所示的B类型拉伸实验片。
将这些拉伸实验片，以煮沸4小时后、在100℃的情况下干燥20个小时为一个循环，进行劣化促进处理。在将这些拉伸实验片分别进行2个循环、5个循环、10个循环以及20个循环之后，然后分别放置在室内养生1个星期左右，再用于进行拉伸实验。拉伸的速度为2mm/min。
2.2.2单板集成材的水平剪断强度
对于经过L-PF、M-PF、H-PF浸渍液浸渍后的单板，胶结后，分别制作50个实验体(厚24mm×宽40mm×长160mm)。将这些实验体用于水平剪断强度实验，实验的条件是跨距为100mm，剪切速度为2mm/min。2.3单板集成材的膨胀性能实验
对于经过L-PF、M-PF、H-PF浸渍液浸渍后的单板，胶结后，分别制作6个实验片(宽143mm×长143mm)。
将这些实验片分别测量好宽度和长度之后，浸入到水中，在75mmHg减压的环境下浸入水中60分钟，然后加压到7～9Kgf/cm2强迫浸水2天。完成浸水后，分别测量实验片在相同位置的长度和宽度，计算出实验片的膨胀率。2.4单板集成材的耐摩性能实验
对于经过L-PF、M-PF、H-PF浸渍液浸渍后的单板，胶结后，分别制作3个实验片(厚13mm×宽100mm×长100mm)。将这些实验片用于500转的耐摩性能实验。2.实验结果
通过以上的实验，得到了如下表3所示的单板集成材的物理性能一览表。
如以下表3所示，经过浸渍处理的单板集成材与无处理的单板集成材和无处理的制材相比，物理性能得到了多方面的改善。特别是在尺寸安定性方面得到了大幅度的改善。与无处理的集成材的长度方向膨胀率为0.32％和无处理的制材(整块)长度方向膨胀率为0.52％相比，浸渍处理后的集成材的长度方向膨胀率在0.12～0.15％之间。与无处理的集成材宽度方向膨胀率为0.48％相比，浸渍处理后的集成材的宽度方向膨胀率的改善虽然并不十分明显，但与无处理制材的宽度方向膨胀率4.46％相比，却有大幅度的改善。由于在长、宽方向的膨胀率都有大幅度的改善，即尺寸安定性得到了提高，克服了木材原木自身的尺寸不安定的缺点，扩大了木材的应用范围。
表3 单板集成材的物理性能一览浸渍液的分子量 L-PF(200～300)M-PF(300～500)H-PF(200～300) 无处理 (集成材) 无处理 (制材)样式 树种中国白杨中国白杨中国白杨中国白杨中国白杨制品的厚度24mm 24mm 24mm 24mm 24mm单板的结构2.8mm×9 2.8mm×9 2.8mm×9 2.8mm×9 26mm层叠种类LVB LVB LVB LVB比重0.61 0.58 0.59 0.51 0.47浸渍液重量增加率(％)118.2 126.7 126.2 --- ---单板含树脂量 (％)大概推测23.6 25.3 25.2 ---- ----物理性能歪扭强度(Kgf/cm2)665 596 589 615 611比强度(Kgf/cm2)1090 1028 998 1206 1300歪扭参数(Kgf/cm2)84,637 69,046 81,366 68,417 68,122比参数(Kgf/cm2)138,749 119,045 137,908 134,151 144,940水平剪断强度(Kgf/cm2)77 67 69 64 66长度方向膨胀 率(％)0.12 0.15 0.13 0.32 0.52宽度方向膨胀率(％)0.44 031 0.37 0.48 4.46磨耗量(mm/500转)0.382 0.3110.422 0.277 0.312正常状态胶接力(Kgf/cm2)32 21 27 32 ----- 10循环后的胶接力(Kgf/cm2)29 19 21 27 -- ----胶接力残存率 (％)91 90 78 84 ----
在这里，申请人要说明的是，尽管在以上的防腐实验和层叠成品物理性能的实验中，实验用的原材料采用的是中国产的白杨，然而，以上的实验只不过是为了说明比如象白杨这样的密度比较低的杨属木材类经过浸渍处理后，可以得到很好的防腐效果，并且层叠成品的物理性能也得到了改善的一个具体的例子。作为实施例，还可以有以下几种变形实验。
(1)在实验中，为了数据比较方便起见，申请人仅以中国产的白杨为例进行了实验，但是不难理解，诸如中国产的毛白杨、山杨、大叶杨、滇杨、大青杨、加杨等杨属木材类，由于在材质上具有相同的特征，即导管和纤维的细胞壁薄，胞腔大，木材的密度低(选自中国杨树集约栽培一书，中国科学技术出版社，1994)，因此也能够得到同样的防腐效果和物理性能的改善。同样的原理，实验的材料并不局限于中国产的杨属木材类，其他国家产的木材，只要其木材的性质具有和中国产的白杨具有相同的特征，即导管和纤维的细胞壁薄，胞腔大，木材的密度低的话，也都同样可以得到很好的防腐效果和物理性能的改善。而且，一般来说，密度低的木材的商业利用价值相对来说是比较低的，通过本发明，可以使那些本来没有多少利用价值的木材得到更加广泛的应用，因而对于大自然当中的有限的木材资源的利用作出了很大的贡献。
(2)为了实验说明方便起见，本发明所使用的浸渍液是由酚醛树脂经过调配而制成。但是本发明的浸渍液也可以不局限于此，例如也可以采用三聚氰胺、乙二醛、聚氧乙烯等其他种类的浸渍液。
(3)在对单板材进行胶结制造单板集成材时，采用的胶粘剂是酚醛树脂类胶粘剂，但是本发明也可以不局限于此，例如也可以采用尿醛树脂胶、异氰酸胶、三聚氰胺胶、乳白胶等胶粘剂以及这些胶粘剂的混合物。
由于本发明是采用密度低，材质比较松散的单板原材作为原材料，当将用于浸渍所述单板原材的树脂类浸渍液的分子量数以及浸渍液中树脂的固含量设定在指定范围内时，特别是分子量数被设定在500～1000之间，浸渍单板的树脂固含量被设定在10％～20％之间时，经过浸渍后的单板原材的质量减少率可达到低于3.0％。也就是说，本发明可以使那些密度低、材质松散的树木资源经过浸渍处理之后，变成能够在各种环境下被广泛使用的耐腐蚀的建筑工业的原材料。而且，由于当浸渍液的分子量在500～1000之间时，也同样可以达到与低分子量100～500之间时一样的防腐效果，因此可以避开由于低分子酚醛树脂极易挥发，使得作业环境恶劣、污染环境的缺点。
另外，由于本发明的单板集成材是采用浸渍处理后的单板材，借助胶粘剂所形成的胶粘层互相层叠，单板集成材的物理性能指标，特别是膨胀率，在长和宽方向上分别达到0.15和0.45以下。因此证明本发明的单板集成材的尺寸安定性能也得到了明显地改善。