重载纤维模塑材料热压成型的传热规律研究

王全亮，肖生苓

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

重载纤维模塑材料热压成型的传热规律研究

王全亮，肖生苓

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

以重载纤维模塑材料为研究对象，采用多通道温度传感器和称重法测定材料不同位置的温度与含水率变化，研究了重载纤维模塑材料热压成型传热过程的影响因素，揭示了材料内部温度随含水率变化的规律。研究结果表明：热压过程中，重载纤维模塑材料芯层温度变化包含快速升温、过渡、温度维持和后升温4个阶段；浆种木素含量越低，升温段的升温速率越快；提高热压温度和热压压力均会导致芯层汽化温度升高，降低热压温度、热压压力或定量均能缩小表层与芯层温度差；热压过程中，重载纤维模塑板坯由表层至里层，温度逐渐降低，含水率逐渐升高；芯层温度与热压温度和热压压力均具有显著线性正相关性，模型拟合优度均较高（R2≥0.918），可以用热压温度和热压压力预测芯层温度，其变化范围在103.6～126.4 ℃之间。芯层温度与芯层含水率具有较好的线性正相关关系，可以通过芯层温度预测出重载纤维模塑材料的芯层含水率。

重载纤维模塑；热压；传热；温度分布；含水率

纤维模塑材料是近几年发展迅速的新型材料，广泛应用于包装、物流等领域。传统纤维模塑材料承载能力一般较低，通常用于体积小、质量轻的产品包装。而重载纤维模塑材料是指本身具有较高紧度和强度的材料，可以满足较大尺寸与复杂结构的强度要求，模塑成型后的物流包装器具能够应用于大型、重载机械设备的搬运以及集合包装等方面，具有广阔的发展前景[1-2]。

热压一般是重载纤维模塑材料生产的关键工艺，它直接决定了最终产品的各项性能[3]。重载纤维模塑材料热压过程中，水热环境的变化会引起纤维中碳水化合物不同程度的降解、木素的软化、木质素-碳水化合物复合体的形成等，进而直接影响重载纤维模塑材料的强度[4-7]。研究重载纤维模塑材料热压过程中的传热规律以及温度与含水率的分布与变化，判断其不同部位所发生的反应及其程度，有助于重载纤维模塑材料热压成型机理的揭示。吴娟等[8]人利用温度传感器测量刨花板热压时芯层温度变化的研究表明，热压温度、初始含水率、目标厚度和密度均对刨花板的热压传热过程有影响。陈勇平等[9]人对高频热压胶合板坯内的温度场分布和变化规律的研究表明，高频热压胶合中板坯内温度以乘幂函数随时间变化。景林等[10]人对磨石机械浆的植物纤维模塑餐具的热压成型原理进行了研究，数值模拟了圆筒形植物纤维模塑餐具热压温度与时间的关系。张扬等[11]对热压成型纤维板断面密度分布的研究表明，热压过程中纤维板温度梯度的产生是断面密度分布的重要因素，增大高压压力利于提高表层密度，增大低压压力利于心层密度及心层厚度的增大。郝晓峰等[12]对梓木蒸汽爆破过程传热数值模拟研究表明，基于傅里叶导热定律建立的一维蒸汽爆破过程中传热模型，能够准确的反应板材的升温过程以及木材内水蒸气饱和蒸汽压分布。

在国外，主要是基于数值模拟对纤维材料成型过程的传热规律进行研究。Kavazovic等[13]对中密度纤维板热压过程传热传质数学模型的灵敏度研究表明，纤维板的导热系数，外边界对流传质系数，气体渗透率对板内温度、气压和含水率的影响最为显著。同时，初始含水率对热压过程中纤维板内部气体压力有很大的影响。Kang等[14]对低密度木材和高密度纤维板传热与热效率的研究表明，高密度纤维板热传递过程中的热损失高于低密度木材。Gupta等[15]对中密度纤维板热压过程中传热和传质建模的研究表明，热传递是通过温度梯度引起的热传导和热对流，以及脲醛树脂固化而释放的热能进行，而水相运输则是通过总压力和浓度梯度引起的体流扩散进行。

过去对刨花板、胶合板等的热压传热过程研究较多，而对重载纤维模塑材料热压传热过程的研究却鲜有报道，而且以往的研究多集中在以数值模拟为基础的传热分析，误差较大，很难准确描述热压的传热过程。本试验采用较高精度的多通道热电偶对重载纤维模塑板坯的传热过程进行监测，实时探测不同位置的温度变化，采用称重法测定材料不同位置的含水率变化，目的是分析重载纤维模塑材料热压成型传热过程的影响因素，研究重载纤维模塑材料热压成型的传热过程,确定内部温度随含水率变化的规律，为重载纤维模塑材料制备工艺优化和成型机理研究提供数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

废纸板，购自哈尔滨某废纸回收站。将废纸板裁切成约20 mm×20 mm的片状，水中浸渍4 h以上，打浆机中疏解与打浆，制得40 °SR的废纸板浆（Waste paperboard pulp，WPP）。

杨木片，购自吉林省白河林业局，尺寸为（20～50）mm×（20～30）mm。在质量分数（Wcr）8%NaOH水溶液、液比1∶4和温度90 ℃的条件下蒸煮杨木片120 min，经盘磨机磨浆与打浆机疏解打浆，制得40 °SR杨木高得率浆（High yield pulp，HYP）。在30%（Wcr）NaOH水溶液、5%（Wcr）蒽醌、液比1∶4和温度160 ℃的提件下蒸煮杨木片120 min，经打浆机疏解打浆，制得40 ° SR的杨木化学浆（Chemical pulp，CP）。

1.2 仪器设备

ZG-20T型压片机，东莞市正工机电设备科技有限公司；FLANK8855型多通道热电偶测温仪，深圳市富兰克仪器仪表有限公司；ZPS-300型盘磨机，吉林市路铭造纸机械有限公司；101-3A型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；ZT4-00型实验打浆机、Z717-00型纸浆打浆度仪和ZT7-01型纸样成形器，兴平市中通试验装备有限公司；BX53型生物显微镜，上海赖氏电子科技有限公司。

1.3 实验方法

依照国家木材原料化学分析的标准方法进行取样和测定3种样品的化学成分，采用Klason法测定木质素含量；采用亚氯酸钠法测定综纤维素含量；采用二溴化法测定聚戊糖含量[16]。在生物显微镜下，根据Herzberg染色剂的颜色及纤维形态特征，鉴别纤维种类并计算纤维配比[17]。每组纤维载玻片平行制备5块，每块观察纤维总数在200根以上，各指标取平行试样的平均值。

为了实验具有可操作性，将每块试件的浆料平均分成7等份，进行分层铺装。每层板坯（直径0.2 m）由抄纸机抄制，自动压片机上冷压（压力2 MPa，时间15 min），电热鼓风干燥箱干燥（105 ℃）控制初始含水率。层与层之间用纱布隔开（纱布起分层作用，同时不影响热压过程中水分传递）。实验发现，热压过程中，重载纤维模塑材料几何对称位置的温度与水分变化差异较小，可认为温度与水分对称分布，故仅取每块试件由上至下的前4层，分别用S（表层）、B、C和M（芯层）表示。为监测不同位置的温度变化，将温度传感器探头（量程-50～200 ℃，精度0.1 ℃）布置于每层板坯内部的中心位置，记录热压过程中每层板坯的温度变化，直至各层温度达到最终稳定的热压温度。为监测不同位置的含水率变化，热压过程中每隔一定时间称量并记录各层的质量变化，直至完成热压干燥。试验中，为保证水蒸气从试样表面顺利溢出，分别在试样上下表面放置不同目数的滤网各7层，保证水分能够从广域的试样两侧表面溢出。

2 结果与分析

2.1 纤维原料主要种类及化学成分的测定结果

不同原料来源的WPP纤维种类与配比不同，经显微镜观察并统计，WPP主要来源于木纤维，其中，针叶木纤维数量约占19.05%。WPP中主要包含化学浆纤维（59.4%）和高得率浆纤维（40.6%）。因此，可以将WPP看作是化学浆纤维和高得率浆纤维按40.6∶59.4比例混合的纤维原料。

从表1可看出，HYP的木质素含量均明显高于WPP和CP。分析原因是HYP主要通过机械磨解作用分离纤维，除了轻度的化学预处理使部分半纤维素溶出外，其他化学成分基本保留。而CP是在深度化学药剂作用下分离纤维，导致绝大部分木素溶出。因此，HYP中保持着较高的木质素含量，而CP木素含量最低。

表1 纤维主要化学成分测定结果Table 1 The main chemical composition of fiber determination results

2.2 不同浆种的重载纤维模塑材料温度变化规律

不同浆种的重载纤维模塑材料，导热系数不同，温度变化不同。以HYP、CP、WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2、初始含水率60%、温度150 ℃、压力8 MPa）为例，探究不同浆料模塑成型的温度变化规律，如图1所示。在相同热压工艺条件下热压成型时，温度变化表现为4个阶段，即快速升温段、过渡段、温度维持段和后升温段，对应图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ段。在快速升温段和过渡段，压机热压板供给试件的热量主要用于其湿坯温度的升高。在温度维持段，热压板供给试件的热量主要用于水分的汽化，芯层温度变化较小。在后升温段，热压板供给试件的热量主要转化为板坯内能，用于其温度的升高。

图1 不同浆种的重载纤维模塑材料温度变化Fig.1 Change of temperature of heavy-duty fi ber molding material of different pulp

对于WPP模塑材料，Ⅲ段表层与芯层温度差（∆T）为20.2 ℃，其持续时间（t1）为65 min。HYP模塑材料∆T为7.3 ℃、t1为74 min。CP模塑材料∆T为14 ℃、t1为58 min。升温段升温速率由快到慢依次为CP、WPP和HYP模塑材料，∆T由小到大依次是HYP、WPP和CP模塑材料，其持续时间对应延长。发现，浆种木素含量越低，升温段升温速率越快，Ⅲ段维持时间越短，这可能是由于木素本身是疏水性物质，随着木质素含量增加，纤维模塑材料导热系数降低[18-19]。

CP模塑材料水分集中汽化段出现了短期温度下降现象，这可能是由于大量水分集中汽化以及CP因硬度小形成较大密度，使板坯内产生较大蒸汽压力，导致温度瞬间升高，随着汽化进行，蒸汽压力得以扩散，温度又渐渐回落，这与雷雅芳等人的研究结果一致[20]。

2.3 不同湿坯参数的重载纤维模塑材料温度变化规律

热压成型时，定量和初始含水率是影响干燥过程湿坯的两个重要参数。而在不同的热压工艺条件下，相同定量和初始含水率的重载纤维模塑材料温度变化不同。以初始含水率为60%的WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2）为例，探究重载纤维模塑材料在不同热压温度（压力8 MPa）和热压压力（温度150 ℃）条件下的温度变化规律，如图2（a）、2（b）所示；以WPP模塑材料在相同热压条件下（温度150 ℃、压力8 MPa）成型为例，探究不同定量（初始含水率60%）和不同初始含水率（定量14.4 kg·m-2）的重载纤维模塑材料的温度变化规律，如图2（c）、2（d）所示。

由图2(a)、2(b)可知，热压温度越高，各升温段升温速率越快，S层与M层在ⅲ段维持时间越短，但温度梯度增大。水分集中汽化段，温度梯度越大，热压板向板坯单位时间内传导的热量越多，水分汽化速率越快，故持续时间变短。提高热压压力，各升温段升温速率加快，S层与M层在Ⅲ段温度差明显降低，且持续时间变短，干燥时间缩短。

由图2(c)可知，不同定量的重载纤维模塑材料Ⅲ段的芯层温度变化范围在111～120 ℃之间，∆T在14.6～20.2 ℃之间有小幅度增加，其持续时间与定量之间满足y=5.604x-16.73,决定系数为0.995。可见，定量增大，Ⅲ段的时间明显延长。定量增加，水分总量增大，水分集中汽化段时间变长。

由图2(d)可知，不同初始含水率的重载纤维模塑材料Ⅲ段的芯层温度变化范围在106～120 ℃之间。初始含水率在20%～40%之间增加时，∆T在22～36 ℃之间逐渐降低，持续时间显著增加，此时，重载纤维模塑材料主要靠汽化作用脱除水分，水分含量越高，汽化时间越久。当初始含水率大于40%时，∆T维持在20 ℃左右基本不变，其持续时间缓慢增加，此时，重载纤维模塑材料的水分首先在热压压力作用下快速脱除一部分，然后进入水分集中汽化段，故ⅲ段持续时间变化不明显。

图2 不同湿坯参数和热压工艺的重载纤维模塑材料温度变化Fig.2 Variation of temperature of heavy fi ber forming materials with different wet billet parameters and hot pressing process

2.4 重载纤维模塑材料温度与含水率的变化关系

热压过程中，随着重载纤维模塑材料温度变化，其含水率也不断在变化。以WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2、初始含水率60%、温度150 ℃、压力8 MPa）为例，对各层温度及含水率进行测定，温度与含水率分布及变化曲线如图3所示。

由图3(a)、3(b)可知，整个热压过程中，温度由表层至里层逐渐降低。集中汽化段的温度梯度由表层至里层逐渐变小，表明热量传递速率也逐渐降低。水分集中汽化阶段的温度梯度峰值由表层至里层依次出现，说明重载纤维模塑材料内部的热量传递滞后于表层。

由图3(c)、3(d)可知，整个热压过程中，含水率由表层至里层逐渐升高。在集中汽化段水分梯度的首个峰值出现之前，水分梯度由表及里逐渐降低，随着水分扩散进行，水分梯度开始变化为外层水分梯度降低，里层依次出现梯度峰值。

图3 温度与水分分布及其梯度变化Fig.3 Temperature and moisture distribution and its gradient changes

2.5 重载纤维模塑材料温度变化与热量传递的关系

为探究重载纤维模塑材料热压时的热量传递与温度变化的关系，有必要建立二者之间的数学模型。试样直径（0.2 m）远大于最大试样厚度（约0.01 m），同时，试样两侧各布置7层滤网起气体溢出通道作用，保证水分能够主要从广域的试样两侧表面溢出，故Ⅲ段可近似认为是一维稳态导热。此时，热通量dQ/dx与温度梯度dt/dx之间满足傅立叶导热方程[21-25]，即

式（1）中：q为热通量（W·m-2）；Q为单位时间传导的热量，即传热速率（W）；S为垂直于样品热流方向的横截面积（m2）；λ为导热系数[W·(m·K)-1]；dt/dx为温度梯度（K·m-1）。

该方程建立了物体内部温度场与热流场的联系。可以看出，在Ⅲ段，重载纤维模塑材料单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。温度探头等距离布置，相邻探头的温度差可表征温度梯度；同时，在Ⅲ段，重载纤维模塑材料已基本定型，横截面积一定。故相邻温度探头的温度差越大，加热板单位时间向重载纤维模塑材料传导的热量越多。

2.6 重载纤维模塑材料芯层温度与热压温度及压力的定量关系

重载纤维模塑材料热压过程中，温度梯度主要发生在Ⅲ段，探究此时材料内部的温度变化，对成型、物理力学性能等分析具有重要意义。由2.3分析可知，Ⅲ段温度主要与热压温度和压力有关，而受湿坯参数影响较小。表2为表层及芯层温度与热压温度、热压压力及含水率变化的原始数据，其中，各热压试件取Ⅲ段的平均温度作为表层与芯层温度。

表2 温度变化与含水率变化的原始数据Table 2 Raw data for temperature changes and moisture content changes

由表2可知，随热压温度与压力变化，芯层温度变化较小，在103.58～126.38 ℃之间。而表层温度随热压温度变化较大，随热压压力变化较小。

表层与芯层温度随热压温度和压力的变化均呈线性变化，为定量表示其变化关系，分别以表层与芯层温度为因变量，热压温度和压力为自变量，依据表2数据，进行一元线性回归分析。借助Excel 统计软件包，利用普通最小二乘法，得到回归模型，如表3所示。各回归方程决定系数R2均在0.918以上，可以认为模型有很好的拟合优度。

表3 表层和芯层温度与热压温度及压力的线性关系式Table 3 Surface and core temperature and hot pressing temperature and pressure linear relationship

2.7 重载纤维模塑材料芯层温度与含水率的定量关系

重载纤维模塑材料热压成型过程中，芯层含水率变化比较接近真实情况，但试验过程较复杂，为更加方便检测芯层的含水率值，本研究以芯层温度为切入点，研究芯层温度与含水率之间的定量关系。取2.4中试样在水分集中汽化段的芯层温度为因变量，含水率为自变量（见表2），对二者进行一元线性回归分析，得到回归模型。

式（2）中：y为芯层温度（℃），x为含水率（%）。

模型相关系数为0.971，决定系数为0.942，可以认为模型有很好的拟合优度。由图4可知，芯层温度与含水率具有较好的线性正相关关系。因此，当已知芯层温度的情况下，利用该模型来预测芯层含水率是比较可靠的。

图4 芯层含水率与温度的散点Fig. 4 Scattering plot of core moisture content and temperature

3 结论与讨论

通过本研究发现，热压过程中，温度在重载纸浆模塑板坯中对称分布，其芯层温度变化表现为4个阶段：快速升温段、过渡段、温度维持段和后升温段。快速升温段和过渡段，热压板供给重载纸浆模塑材料的热量主要用于其湿坯温度的升高。温度维持段，热量主要用于水分的汽化。后升温段，热量主要转化为板坯内能。这与目前报道的刨花板、胶合板等的温度变化略有不同，因为刨花板等传统木质材料是基于胶黏剂成型，初始含水率较低，并没有明显的温度维持段。

浆种木素含量越低，升温段升温速率越快，温度维持段时间越短。提高热压温度和热压压力均会导致芯层汽化温度升高，降低热压温度、热压压力或定量均能缩小表层与芯层温度差。热压过程，集中汽化段的温度梯度由表层至里层逐渐变小，水分梯度峰值由表层至里层先后出现。热压成型过程中，重载纤维模塑材料温度维持段芯层温度在103.58～126.38 ℃之间。芯层温度与热压温度、热压压力和芯层含水率均具有较好的线性正相关性。其中，芯层温度与芯层含水率满足y=-0.327 1x+128.931 8（R2≥ 0.942），可以通过芯层温度预测出材料的芯层含水率，为重载纤维模塑材料工艺优化和成型机理研究提供参考。

称重法的水分测量虽然能够获得材料成型过程中的水分分布与变化，但由于材料是分层设计和隔时称重，使得成型过程中的水分传递环境发生一定程度的变化，进而使水分变化与温度变化出现一定的时差。所以，下一步的研究要改进水分测量手段，降低分层设计的界面和隔时称重对水分传递的影响，以获得水分和温度同步变化的数据，为进一步的数值模拟和预测提供详实可靠的数据与理论支撑。

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Study on heat transfer law of overloaded molded fi ber materials under hot pressing

WANG Quanliang, XIAO Shengling
(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

The influencing factors of heat transfer process of hot-press forming of overloaded molded fiber materials were studied,and the regularity of internal temperature change with water content was studied.The temperature and moisture content of different materials were measured by multi-channel temperature sensor and weighing method respectively.The results show that the temperature change of core layer of overloaded molded fi ber materials can be divided into four stages containing rapid heating section, transition section, temperature maintenance section and post - warming section during hot pressing. The lower the content of lignin, the faster the rate of temperature rise.Increasing the hot pressing temperature and hot pressing pressure will lead to the increase of the vaporization temperature of the core layer, reducing the hot pressing temperature, pressing pressure or quantifying the difference between the surface layer and the core layer.During the hot pressing process,The temperature gradually decreased and the water content gradually increased from the surface layer to the inner layer of the overloaded molded fi ber materials slab. The temperature of the core layer has a signi fi cant positive correlation with the hot pressing temperature and the hot pressing pressure, and the model goodness is high (R2≥0.918). The temperature of the core can be predicted by the hot pressing temperature and hot pressing pressure and its variation range is between 103.6℃ and 126.4℃. The core layer temperature has a good linear correlation with the water content of the core layer, and the core layer moisture content of the overloaded molded fi ber materials can be predicted by the core temperature.

overloaded molded fi ber; hot pressing; heat transfer; temperature distribution; moisture content

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.022

http: //qks.csuft.edu.cn

S781；TB484.1

A

1673-923X(2017)12-0139-07

2017-04-28

中央高校基本科研业务费专项资金项目（2572016AB69）；国家重点研发计划项目（2017YFD0601004）

王全亮，博士研究生

肖生苓，教授，博士生导师；E-mail：shenglingxiao@126.com

王全亮，肖生苓.重载纤维模塑材料热压成型的传热规律研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(12): 139-145.

[本文编校：文凤鸣]