机械应力式人造板质量在线无损检测技术的应用基础

报告人：保昆雁西南林学院木质科学与装饰工程学院时间：2004年1月10日地点：东北林业大学会议：中国林学会木材科学分会全国代表大会暨第九次学术研讨会机械应力式人造板质量在线无损检测技术的应用基础张宏健陈琦文天国保昆雁员永生廖兆明摘要：对刨花板静弯曲弹性模量（MOE）、静弯曲强度（MOR）、平均绝干密度（ADD）和内胶合强度(IB)的检测分析结果认为：被测试件的宽度对MOE无显著影响，刨花板MOE与MOR和ADD存在着确切的正相关关系，与IB无确切关系。人造板静弯曲特性和测试方法是机械应力式人造板质量在线无损检测系统的应用基础，人造板MOE与MOR的关系是系统对板材MOR实现实时预报的依据，人造板MOE与ADD的关系是系统对人造板生产线生产成本和工艺条件实现实时监控的实时背景。关键词：无损检测，人造板，静弯曲弹性模量ApplicationBackgroundfortheTechnologyofOn-LineNon-DestructiveTestingofStressforWood-BasedPanelCompositesAbstract：Resultsfromthetestandanalysisofmodulusofelasticity(MOE),modulusofrupture(MOR),averagedensitydried(ADD)andinternalbondingstrength(IB)oftheparticleboardshowedthatthesamplesizeeffectedlittleonMOEandtherearepositiverelationshipbetweenMOEandMORandADD,anditisunclearbetweenMOEandIB.ThestaticbendingbehavioroftheboardsandthetestingmethodofMOEmaybetheapplicationbackgroundfortheon-linenon-destructivetestingofMOEofwood-basedpanelcomposites.TherelationshipbetweenMOEandMORmaysupportthepredictingofMORofthepanel.TherelationshipbetweenMOEandADDmaybetheon-linecontextforthenon-destructivetestingsystemtorealizecontrollingofthecostandprocessingconditionsofthecomposites.Keywords:Non-destructiveTesting,Wood-basedpanelcomposites,Modulusofelasticity静弯曲弹性模量（MOE）是结构用板材（如大片刨花板、定向刨花板、结构胶合板、单板层积材等）最为重要的力学指标，而静弯曲强度（MOR）则是几乎所有人造板（如胶合板、刨花板、中密度纤维板等）的最为重要的力学指标。对MOE和MOR的传统检测方法是：从批量成品板中随机抽取试板，按国家标准裁为标准（小）试件，用力学试验机测得MOE（无须破坏试件即可测得）和MOR（必须破坏试件方可测得）。这种传统的测试方法对生产带来了三大问题：一是滞后问题，作为事后检测，对生产线工艺和产品质量的控制缺乏时效性；二是小试件反映不了大幅面成品板的总体质量包括厚度偏差情况；三是因个别检测而把握不了生产线上每一块成品板的质量（对工程结构板尤为重要）。由于MOE可在短时间内以机械加电控方式测得，因此有希望取机电方式对流经生产线的每一块成品板的MOE实现实时检测，从而实现对结构材生产线全部成品板关键性能（MOE）的直接把握。如果获得了非破坏性测试指标MOE与破坏性测试指标MOR之间的确切关系，就可以用类似于力学试验机的机械手段，在测得MOE的同时，通过计算机，即可实现对人造板（包括结构材和非结构材）MOR的在线预报。如果某种人造板的原料树种、胶种和用胶量、平均密度（AV）、含水率以及工艺条件不变或在一定范围内变化，那么，每一块成品板的MOE就一定不变或在一定（精度）范围内变化；一旦在线检测发现某块（或某批）成品板的MOE出现了超出了精度范围内的差异（可实时显示），就可以判定生产线上的某一当时环节一定发生了问题，因此，在线无损检测系统可以对工艺因子的正常性作出在线预警。由于MOE与ADD存在着确切的线性关系，而ADD又与物料投放量（即生产成本）息息相关，因此，通过控制MOE可以达到控制生产成本的目的。综上可知，要以机电手段实现对人造板质量的在线无损检测和在线预报[1,2]，首先应该弄清楚的就是MOE与MOR、ADD的关系。1试验方法1.1试验材料本试验仅以昆明新飞林人造板公司（下简称：新飞林）现行芬兰产刨花板生产线生产的15mm厚脲醛树脂刨花板为研究对象，其原料为西南桦、云南松、铁杉的混合刨花，施胶量为10.7%。1.2测试指标和测试方法本研究仅检测试件的静曲弹性模量（MOE）、静曲强度（MOR）、平均绝干密度（ADD），同时加测内胶合强度（IB）。试件规格按国家标准GB/T17657-1999执行；其中，为获得试件幅面对MOE的影响，首先取得104mm宽的MOE试件，测完MOE后，将其锯成50mm宽的国标试件。继而，为了剔除板材部位对测试结果可比性的影响，ADD试件和IB试件直接取自于测试MOE和MOR的国标试件。测试方法按国家标准GB/T17657-1999执行；其中特别规定：测试MOE和MOR时的加载速度为常量30mm/min（国标规定的在（60±30）s内使试件破坏的方法是不可取的），载荷、挠度截取点统一为线性段的1/3处。1.3试验设备以DWS-50型电子式万能力学试验机为基础，配置相应的试材厚度、重量等传感器和计算机，构成机械应力无损检测和监控系统实验室模型，对试件作模拟在线检测。2结果与讨论2.1刨花板的静弯曲特性新飞林刨花板的静弯曲特性如图1所示，其中，(1～2)含有表层材料压缩变形；(2～3)为弯曲变形段，应力、应变呈正比关系；至点3发生弯曲破坏。与金属材料不一样的是，刨花板弯曲变形段的应力、应变关系并非直线关系[3]，这是因木质材料的弹塑性所决定的；刨花板的疲劳段极短（几乎没有），这是因为有了胶粘剂的介入。据图1，点2至点3的时间可以作为MOE在线检测系统的检测时间，系统检测MOE的截取点只要在点2后的最前端取定，即可消除点2前压缩变形对弯曲弹性模量的影响；但须注意在统一位置上取点，以保证每一测试值的可比性。2.2试件尺寸对MOE的影响图2表明，104mm宽试件的MOE与国标试件的MOE高度相关，亦即试件宽度对MOE实测值并无显著影响[4]，因此，只要测得大幅面成品板的MOE，就可以根据大小试件MOE的关系，获得国标MOE。由此可见，通过对生产线上大幅面成品板MOE的实时检测，就可以实现对同一板材国标MOE的实时报告。2.3刨花板MOE与MOR之间的关系据图3可知，刨花板的MOE与MOR之间存在着高度的正相关关系(符合一般人造板静曲弹性模量与静曲强度之间的一般关系)[5]，这是因特点工艺条件下板材形成的特定的剖面密度分布曲线所决定的[6]。因此，通过对生产线上大幅面成品板MOE的实时检测，就可以实现在一定精度范围内[7]对同一板材国标MOR的实时预报。2.4刨花板MOE与平均密度之间的关系图4为刨花板MOE与平均绝干密度（ADD）的关系，这一关系符合木质材料平均密度与强度之间的一般关系。对照图3，将国标刨花板A类优等品的MOR设为16Mpa时，新飞林15mm厚刨花板所对应的MOE应为2470Mpa，尽管新飞林UF刨花板本身对MOE并无要求，但可（根据预设精度）江MOE的预设上限为2520Mpa、下限为2420Mpa，此时，据图4，其对应的ADD应为0.736g/cm3左右。如果本在线检测系统测到的MOE大于2520Mpa或小于为2420Mpa时，则意味着ADD可能偏大或偏小（往往出于铺装问题）；如果本系统内ADD称量系统的实测显示值并未显大时，则意味着其它工艺条件可能出了问题，如原料树种突变、热压前板坯含水率过高、施胶量过大等。由此可见，利用MOE与ADD的关系，可使机械应力人造板质量在线无损检测系统具有质量、成本和工艺条件实时监控功能。2.5刨花板MOE与IB之间的关系据图5，新飞林刨花板的MOE与IB之间呈现为不确切关系。由于影响IB的因子与同一生产线影响MOE的因子不尽相同，与MOE相比，IB受胶粘剂质量和用量的影响要更大一些，因此MOE与IB往往表现为不确切关系。然而，如胶粘剂质量和用量不变，受板材在特定工艺条件下形成的特定的剖面密度分布曲线的制约[6]，MOE与IB之间也应该形成一个确切关系。只是一般工厂很难实现胶粘剂品质和用量的常量化，因此，本在线检测系统不容易实现对IB准确的在线预报。3结论和意义1）刨花板的静弯曲特性为机械应力式在线检测MOE提供了前提条件。2）试件宽度对MOE无显著影响；通过对生产线上大幅面成品板MOE的实时检测，可以获得同一板材国标MOE的实时报告。3）刨花板MOE与MOR之间存在着确切的正相关关系；这种关系是机械应力在线无损检测系统可以实时预报板材国标MOR的依据。4）刨花板MOE与平均绝干密度之间为确切的正相关关系，这一关系是机械应力式在线无损检测系统同时兼有质量、成本和工艺条件实时监控功能的条件之一。5）胶粘剂品质和用量不为常量时，刨花板MOE与IB之间呈现为不确切关系。6）由于板材厚度是检测MOE的必要参数，因此，机械应力式人造板质量在线无损检测系统可以兼有板材厚度及其偏差的实时检测功能。7）根据上述结论，运用机械、电子、计算机、传感等当代技术，即可形成机械应力式人造板质量在线无损检测和工艺监控系统。将本系统安装在人造板生产线成品工段末尾，无须破坏板材，即可实现对每块流经生产线成品工段的大幅面成品板的厚度及其偏差、平均密度和静弯曲弹性模量的逐块（或按需间隔）进行实时检测，由计算机作出实时处理、储存和显示；同时，根据被测指标与国家标准规定的标准值之间特定的数理关系，由计算机报告成品板的静弯曲弹性模量，预报静弯曲强度的标准值；超标时，系统将以声音或图象方式作出实时警示；配以在线称量系统，通过对板材平均密度的对比分析，可以对实时生产成本和工艺条件提出质疑，达到对生产线产品质量实现在线检测和对生产成本、工艺条件实现实时监控的目的。本系统已经由西南林学院与昆明西木木材工业研究开发公司合作开发成功，申报了专利并已经在昆明新飞林人造板公司投入试用。参考文献[1]孟令联,赵钟声,刘一星.木材无损检测技术及其应用与展望.林业机械与木工设备,2001,29(9):4-6[2]JohnN.Lee,R.C.Tang,JoeKaiserlik.Nondestructiveevaluationofmodulusofelasticityofyellow-poplarLVL:effectofveneer-jointdesignandrelativehumidity.WoodandFiberScience,2001.9,33(4):510-521[3]J.S.Mundy,P.W.Bonfield.Predictingtheshort-termpropertiesofchipboardusingcompositetheory.WoodScienceandTechnology,1998,32(3):237-245[4]M.fonselius.Effectofsizeinthebendingstrengthoflaminatedveneerlumber.WoodScienceandTechnology,1997,31(4):399-413[5]赵立,张宏健.PF-MDF主要工艺参数的研究.北京林业大学学报,1991,13(1):58-65[6]ZhangH