结构复合木材的研究现状与展望

孙玉慧 龚靖雅 霍子微 徐建峰*

（1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；2.寿光市鲁丽木业股份有限公司，山东 寿光 262700）

结构复合木材（Structural Composite Lumber，SCL）是采用单板、单板条或刨花等沿构件长度方向排列组坯叠层胶合而成的复合材料。以单板条或刨花为构成单元的SCL主要包括单板条层积材（Parallel Strand Lumber，PSL）、定向木片层积材（Laminated Strand Lumber，LSL）、定向刨花层积材（Oriented Strand Lumber，OSL）等。这些材料以小径材为主要原材料，利用率高，且材质均匀、变异系数低，有效避免了由木材天然缺陷如节子、斜纹理、腐朽等引起的强度弱等问题，近年来被广泛应用于建筑、电力输送、家具和装饰装修等行业，在国内外得到大力推广，发展前景广阔[1-2]。

1 SCL种类及应用

1.1 单板条层积材（PSL）

20世纪60年代，PSL的命名由加拿大麦克米兰·布隆迪尔公司提出，并于1988年在加拿大建立了生产工厂。目前，国外PSL已规模化生产使用，而国内尚处于试验开发阶段[3]。PSL，商品名称Parallam®，其构成单元是以旋切或刨切单板为主所切割出的单板条。参考行业标准LY/T 2916—2017《单板条层积材》，长度通常为厚度的300倍，一般长度为0.6～2.44 m，宽度为15～30 mm，厚度小于6 mm，基本以1～3.2 mm为主。原料包括花旗松、冷杉、南方松、西部铁杉、北美乔柏以及热带阔叶材等[4-5]。结构用PSL尺寸通常与胶合木或锯材相同，具有纹理美观、力学性能高、机械加工性能好等优点[6]，主要用作承重建筑构件，如图1、2的梁和柱。结构用PSL还可作为电力输送的线杆、支撑杆、撑线壁等。作为装饰用材，主要用作室内门框窗框和楼梯扶手等部件[5]。

图1 PSL梁Fig.1 PSL beam

图2 PSL柱Fig.2 PSL column

1.2 定向木片层积材（LSL）

20世纪90年代，定向刨花板（Oriented strand board，OSB）在美国和加拿大人造板市场上获得广泛认可，LSL和OSL这两种基于刨花为构成单元的产品被开发利用，主要作为单板层积材（LVL）和OSB的替代品。1991年，生产LSL的工厂在美国明尼苏达州建成，在美国和加拿大取得一定的进展，初步开始了工业化生产，而我国此类产品还处在研发阶段。LSL，商品名称TimberStrand®，其刨花制备工艺与OSB的刨花类似，刨花长度通常为厚度的150倍，长度一般为200～300 mm，大于OSL和OSB所用刨花长度[4]，宽度为20～30 mm，厚度为0.8～1.2 mm。LSL原料为直径小、中低密度的成熟材或幼龄材，如云杉（Picea asperataMast.）、欧洲白杉（Abies alba）、白杨（Populus tomentosaCarr）等，枝丫材，森林残余物，以及生产锯材或单板产生的废料等[7]。通常LSL比OSB需要更大程度的刨花定向排列和更大的热压压力，并且LSL成板厚度一般大于OSB。LSL和OSL的强度和刚度以及尺寸稳定性一般略低于LVL和PSL。如图3～5所示，LSL可被用作结构构件，如墙骨、梁、柱、楼板搁栅、门头等；也可作为窗台板、楼梯扶手，门、窗或其他木质建筑材料的芯层材料等装修用材和家具用材[8]。

图3 LSL墙骨Fig.3 LSL studs

图4 LSL楼板搁栅Fig.4 LSL floor joists

图5 LSL芯层材料Fig.5 LSL core material

1.3 定向刨花层积材（OSL）

OSL，外观类似于LSL，但其使用的刨花比LSL的更短。用于制造OSL的刨花长度至少为厚度的75 倍，长度一般为78～150 mm，宽度为12.7～25.4 mm，厚度为0.55～0.8 mm[8-9]。OSL的原料来源与LSL类似。与LSL相比，OSL 是一种相对较新的SCL产品，其市场仍在开发中。

2 SCL相关标准及性能的影响因素研究

2.1 SCL相关标准

与锯材不同，SCL没有建立标准等级或设计应力，每件产品可以有各自的设计指标。制备工艺参数和产品质量是由制造商确定和控制，但必须经第三方认证机构进行质量审查。标准ASTM D 5456:2019Standard Specification for Evaluation of Structural Composite Lumber Products提供了SCL产品性能的设计方法，并与其他美国测试材料协会标准，如ASTM D 198:2015Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes、ASTM D 143:2014Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber和ASTM D 1037:2012Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base Fiber and Particle Panel Materials等，针对不同使用环境确保结构用SCL性能符合标准的质量要求。我国GB 50206—2012《木结构工程施工质量验收规范》中的规定，所有进口SCL产品必须提供质量证明和产品标示，还应经过中国相关部门的批准，产品必须符合设计要求。

2.2 SCL 主要工艺参数与物理力学性能

SCL制备工艺参数和性能总结见表1。生产SCL的胶黏剂，主要包括聚合物二苯基甲烷二异氰酸酯（pMDI)、酚醛树脂（PF）、脲醛树脂（UF）等，胶黏剂的选择与使用环境和性能要求有关[10]。原料、密度、胶黏剂类型、施胶量、构成单元尺寸等工艺参数不同的条件下，其抗弯性能、剪切强度等物理力学性能在一定范围内变化。

表1 SCL制备工艺参数和性能Tab.1 Production technology and characteristics of SCL

2.3 原料对性能的影响

不同原料质量和性能不同，对SCL性能影响显著。利用质量好、密度合适、缺陷少原料制备的PSL强度较优[14]。Liu等[11]以南方松（Pinus palustrisMill.）为原料制备的PSL，发现其顺纹抗压强度和MOE大于利用黄杨[Buxus sinica(Rehd.et Wils.) Cheng]制备的PSL，两者剪切强度无显著差异。陈桂华[17]研究发现，由于泡桐木材强度较低，利用泡桐[Paulownia fortunei(Seem.) Hemsl.]制备的PSL强度低，不适合作为大型结构材使用。PSL高强度和良好的物理性能可通过将木材的自身良好特性转移到板材中来实现。因此，原料质量优劣对PSL物理力学性能影响较大[18-19]。Bayatkashkoli等[20]研究发现，利用杨木刨花制备的LSL性能优于利用泡桐刨花制备LSL，低密度泡桐刨花制备的LSL胶合强度较低。Beck等[15]分别以桦木和杨木为原材料制备OSL，研究发现，与桦木相比，利用杨木制备的OSL具有更好的弯曲性能，且OSL在平行于刨花铺装方向和垂直于刨花铺装方向上性能差异较大[21]。

2.4 构成单元尺寸对性能的影响

构成单元的尺寸大小会影响施胶，机械加工与定向铺装等，是影响SCL性能的重要因素之一[5,22]。Wei[23]指出单板条长度与厚度的比率是影响PSL制备的关键技术因素。王慧等[24]研究发现，PSL力学性能存在各向异性，并且随着单板条宽度的增大，PSL主要强度指标各向异性更为显著。彭明凯等[25]分析了刨花尺寸对LSL性能的影响，发现随着刨花长度增加，LSL平行刨花铺装方向的MOR和MOE增加，内结合强度略有下降，刨花长度的增加有利于刨花长度上的相互重叠和应力传递。LSL物理力学性能随着刨花厚度的增加而下降，主要由于刨花厚度的增加导致了板坯的孔隙率增大[26]。Ferraz等[27]研究表明：刨花长度对OSL的尺寸稳定性影响较大。Meyers[7]使用不同宽度（12.5、19 mm和25 mm）的杨木刨花制备OSL，发现刨花宽度对板材内结合强度影响显著，对其它性能影响不显著。

2.5 热压工艺对性能的影响

SCL属于重组型复合材料，需要通过调整热压工艺参数实现材料重组。调整温度和时间使胶黏剂发生化学反应，最终固化；调整压力使胶黏剂产生流动，板坯压实，使木质单元材料之间紧密接触。那斌等[28]采用喷胶方式施加酚醛树脂胶，选择热压温度为150 ℃，热压时间为2.3 min/mm板厚度时，PSL板性能较优。Kurt等[29]针对非结构场所使用的PSL，选用胶黏剂为UF，压力为12.5 kg/cm2，此时制备的PSL性能较优。热压工艺参数的设定取决于木材种类、木材的水分含量、胶黏剂性质、工厂条件、强度要求等。

2.6 胶种与施胶量对性能的影响

胶黏剂通过粘附作用使用木质单元粘合成一体，是使SCL的性能指标和经济效果达到最佳的关键因素。Mirski等[26]研究发现：利用pMDI胶黏剂制备OSL比利用三聚氰胺改性脲醛树脂胶黏剂OSL的MOR和MOE高20%以上。Malanit等[2]研究发现，利用pMDI以橡胶木枝材为原料制备OSL的MOR高于PF制备OSL。Taghiyari等[9]使用UF，在施胶量分别为8%和10%的条件下制备了OSL，其密度分别为0.7 g/cm3和0.8 g/cm3，而其MOR和MOE值差别不大。Yingprasert[30]综合考虑强度和成本等因素，使用比例为75/25的PF与MDI混合胶黏剂制备了OSL，发现其性能优良。

3 SCL性能改进技术研究

对SCL改性更易于实现SCL产品的高附加值应用，同时可满足不同使用功能的要求[31]。为扩展SCL在户外场所和白蚁严重地区室内等高湿或易湿环境要求较高的领域应用，王志强[32]等对PSL进行ACQ（氨溶季铵铜）防腐剂浸渍改性处理，制备出具有良好力学和防腐性能的PSL。Choowang[33]研究发现，采用温度为130～190 ℃处理OSL 30～110 min，可以有效改善OSL的物理力学性能和抗白蚁性。Aro等[34]对LSL进行了热处理，发现热改性后LSL具有不同外观质量，并且最低抗拉强度是未热处理材抗拉强度的70%，可作为对板材抗拉性能有严格要求的构件使用，如木桁架等。为扩展SCL用于阻燃功能要求较高的领域，Denizli等[35]通过满细胞法，将磷铵硼络合物阻燃剂浸渍到LSL中，改善了LSL的燃烧性能。为提高LSL的力学性能，Bayatkashkoli和Faegh[20]在UF胶黏剂中加入纳米黏土，增加了UF黏度，从而使LSL强度提高。Moradpour等[13]利用玻璃纤维聚合物作为增强材料制备LSL，结果发现：其能显著增强板材的力学性能，但板材的TS略有增加。

4 SCL性能理论预测

性能及失效行为预测是安全经济地应用材料的前提[36]。目前，层合理论模型用于SCL弹性模量预测研究较为广泛。该模型首先要假定SCL由刨花或单板条作为增强体，树脂作为基体的薄层组成，薄层具有不同弹性模量和铺装方向[37]。Benabou等[38]利用Mori-Tanaka微机械模型计算每一薄层的性能，然后利用层合理论预测板材弹性模量。其他研究者根据试验测试和弹性力学能量原理计算出每一薄层的弹性模量后，利用层合理论计算了LSL的弹性模量[37,39]。Moses等[40]使用层合理论和Tsai-Wu失效理论预测了LSL的弹性模量和失效行为。除了层合理论模型外，Malekmohammadi等[36]根据木材微观结构特点，在微观、细观和宏观多尺度框架上对板材力学性能进行了建模分析。该框架基于从微观力学的基本原理推导出刨花为构成单元的板材宏观性能。Malek等[41]利用形态学方法模拟各向异性PSL的黏弹性特征。Amini等[42]将PSL中空隙等效为椭球进行抗压强度有限元模型。

有关SCL的研究主要围绕工艺参数对SCL物理力学性能的影响、SCL改性技术研究、性能及失效行为预测等方面展开，这对于SCL的实际生产与应用具有重要指导意义。然而，SCL主要作为结构构件使用，其在长期载荷和循环动态荷载下的物理力学性能、动态行为、可靠性、阻燃性能、疲劳性能、连接件在环境作用下的抗腐蚀等方面还有待深入研究。

5 结语

以单板条或刨花为构成单元的SCL提供了一种利用小径级和低质量木材制备结构材的方法。随着市场对结构材需求增加以及优质木质资源的不断减少，未来SCL的开发和应用将不断增加。但目前SCL存在如下问题，如OSL和LSL外观斑驳，没有木材纹理图案，限制了其在对外观有严格要求的领域中应用。今后，需加强LSL和OSL改性技术研究，解决尺寸稳定性能差和外观问题。

PSL、OSL和LSL主要替代锯材和胶合木，应用于木结构建筑当中，密度一般控制在0.8 g/cm3之内，存在吸水厚度膨胀率比锯材大，尺寸稳定性相对较差，比相同尺寸的锯材重等问题。可借鉴高性能重组竹/木，制备出高性能的SCL，以拓展SCL的应用领域，如作为重型建筑结构构件、室外高耐候材料等。

相对于国外对SCL的研究，我国对SCL研究还不够深入和完善。为实现国产SCL在市场上应用，应加强国内SCL规范化生产所需的一系列设备研发，如单板条锯切机、定向铺装槽、微波加热热压机等。此外，对于原料可采取集中收购、集中加工、集中干燥、工艺流程细化等措施，促使专业化程度提高，进而降低生产成本。