杨树刨花尺寸对定向刨花板性能的影响研究

李 园 何雨晨 郑圣龙 解林坤 周晓剑 杜官本 万 辉

（西南林业大学材料与化学工程学院，云南 昆明 650233）

定向刨花板（OSB）是以小径材、间伐材、木芯等为原料，经削片、干燥、施胶、定向、热压、砂光等工序制成的一种结构板[1-4]，具有静曲强度高、尺寸稳定性好等优点，被广泛应用于房屋建筑、装饰、包装、家具制造、模板、运输设备等领域[5-10]。

为寻找板材原材料质量和板材性能之间的关系，学者们开展了大量研究。李榕等[11]采用3种形态的竹刨花压制OSB，发现不同形态的刨花会对刨花板的性能产生显著影响。大刨花有利于提升板材强度，而小刨花更有利于胶合，提升板材的稳定性。Mirski等[12]通过筛网区分刨花尺寸，发现相比于小刨花，大刨花制备的板材其弯曲和拉伸强度平均增加了20%，并拥有更高的内结合强度。研究者也进一步通过不同尺寸的大刨花来制备板材，以寻找最优的刨花形态参数[13-14]。Stürzenbecher等[15]发现，使用大细长刨花压制的刨花板，其拉伸、弯曲和剪切强度更高。其他研究者也发现，使用细长刨花压制的板材具有更高的弹性模量（MOE）和静曲强度（MOR）[16-17]。为进一步提高OSB的强度，研究者尝试增加板材的密度[18]或优化刨花的排列[19]方式。

木材原材料对板材性能具有较大影响的原因在于，原材料自身在密度和强度上存在差异，且其不同的微观结构会对胶黏剂的覆盖产生影响，进而影响板材的胶合性能[20-21]。此外，刨花之间的应力转移也是重要的影响因素之一[22-23]。因此，若能明确不同尺寸的刨花与其制备成的板材性能之间的关系，将有助于实现木材资源的高效利用[24]。

目前，关于杨木刨花尺寸分布对OSB性能影响的研究还不多。鉴于此，本研究将不同宽度的杨木刨花按照混合设计（Stat-ease）进行组合，考察不同宽度的刨花组合对OSB生产过程和性能的影响，以期找到适合于OSB生产的刨花尺寸分布，并阐明其与OSB性能之间的关系，从而为实现OSB产业的低碳和绿色生产提供新思路[25-28]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

加拿大魁北克砍伐的白杨（Populus tremuloidesMichx）原木，酚醛树脂(加拿大， Tembec, Inc)，石蜡(加拿大，Esso, Inc)。

将白杨原木锯切成127 mm厚的圆盘，再将圆盘随机分为5 组，分别锯切成6.4、12.7、19.0、25.4 mm和31.8 mm厚的板材。通过刨片机将相同厚度的板材在室温下切削成刨花，其长度为127 mm。然后，将刨花在105 °C条件下干燥30 min，使其含水率达到4%左右。

1.2 试验设备

CAE 6/36实验室型圆盘刨片机(加拿大，Kadant Carmanah, Inc)；F6002Q型链带式刨花干燥炉(美国德州，Upgrade Technologies, Inc)；CP150型号热压机(德国，Tiefenbach, Inc)；实验室自制拌胶机及自制的组坯模具。

1.3 OSB制备

取长度为127 mm的工业杨木刨花作为对照组，其表层刨花和芯层刨花的宽度分布及占比如表1所示。

表1 工业刨花尺寸和占比Tab.1 Industry strand size and ratio

通过Design Expert®（Stat-ease, Minneapolis）进行混合设计，如表2所示。在拌胶机中将干燥后的刨花与酚醛树脂胶黏剂（PF）和石蜡混合，然后将施胶和施蜡的刨花在自制模具上铺装组坯，并定向为OSB板坯，最后将板坯放入热压机中热压，待热压完成后静置一定时间即完成OSB的制备，其制备参数如表3所示。

表2 不同宽度、不同比例刨花组坯板材的混合设计Tab.2 The mixture design for panel made of strands with different widths at different ratios

表3 定向刨花板制备参数Tab.3 General panel production parameters

压制完成后，在20 °C，相对湿度65%的条件下静置3周。然后根据GB/T 17657—2022《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对板材进行内结合强度（IB）、弹性模量（MOE）、静曲强度（MOR）的测试。在沿表层刨花平行（//）和垂直（┴）方向测试的OSB的MOE、MOR分别被标记为MOE//、MOR//和MOE┴、MOR┴。

试验优化模型所得数据通过相同的混合设计软件（Stat-ease，Minneapolis）完成，统计分析通过SPSS13.0完成，使用Duncan多重范围检验，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

刨花板的测试性能如表4 所示。由表2 可知，第10组和15 组的刨花组合相同，均使用100%的12.8 mm宽刨花，其区别在于制备时间。对比可知，这两组的测试结果相似，表明本试验过程可重复，数据可靠。

表4 不同OSB性能Tab.4 Properties of different OSB panels

如表4 所示，板材密度的最大变异系数为1.6%，表明所有板材的密度接近。为方便分析，在对OSB性能讨论时不考虑其具体密度。

2.1 内结合强度分析

统计分析表明，基于0.05的显著性水平，用不同的刨花组合制备OSB的IB不同（表4），这表明不同的刨花宽度及刨花占比对OSB的IB有影响。图1为不同组OSB的IB变化，其计算方法如下：

图1 由不同刨花制成的OSB的IB变化Fig.1 IB variations of the OSB panels made of different strands

式中：IBi是第i组OSB板的内结合强度，MPa；IBL是最低一组OSB的内结合强度（第1组），MPa。

由图1可知，由不同宽度刨花组合制成的OSB其IB差异很大。最强组OSB（第19组）的IB比最低组高52%。通过改变刨花的宽度和占比，可以使OSB的IB提高50%左右。

混合设计分析表明，在5种不同的刨花中，25.4 mm宽的刨花对OSB的IB起到最大正向影响，其次是19.1、6.4、12.7 mm和31.8 mm宽的刨花。其中，6.4 mm和31.8 mm宽的刨花之间的相互影响相对较大，而且是正向的；而25.4 mm和31.8 mm宽的刨花之间的影响是负向的。基于数理统计显著的刨花宽度分布优化模型，为了最大限度地提高OSB的IB，在制备OSB时，应该使用63%的6.4 mm宽刨花和36%的31.8 mm宽刨花，或者使用71%的6.4 mm宽刨花和29%的25.4 mm宽刨花。

一般而言，宽度范围较大的刨花组合往往具有较高的IB（第19、3、6组和18组），但情况并非总是如此。例如，由100%的25.4 mm宽的刨花制成的第2组具有相对较高的IB。而两组拥有最低的IB值（第1组和11组）的OSB，则使用了宽度范围相对一致的刨花。另外，由工厂生产的刨花制备的OSB具有中等的内结合强度，表明刨花配方相对较好。

2.2 沿表层刨花平行方向的弹性模量和静曲强度分析

2.2.1 MOE//分析

统计分析表明，用不同宽度刨花组合制备的OSB，其MOE//不同（表4），但无显著关系，这说明刨花的宽度分布不会显著影响OSB板材的MOE//。在5种不同刨花宽度中，19.0 mm宽的刨花对MOE//有最大的正向影响，其次是12.7、6.4、31.8 mm和25.4 mm宽的刨花。6.4 mm和31.8 mm宽的刨花的相互作用对MOE//有最大的负向影响。基于数理统计显著的刨花宽度分布的优化模型显示，为使OSB的MOE//最大化，应该使用26%的19.0 mm宽刨花，35%的25.4 mm宽刨花和39%的31.8 mm宽刨花。

图2显示了试验板材的MOE//变化。由图可知，与最低的MOE//组（第3组）相比，其他刨花组合的大多数MOE//值均高出40%以上。

图2 由不同刨花组成的OSB的MOE//变化Fig.2 MOE// variations of the OSB panels made of different strands

第3组，即50%的6.4 mm宽刨花和50%的31.8 mm宽刨花混合制成的OSB板MOE//最低。这意味着，用两种差别很大的刨花来获得较高的MOE//不可取。然而，由50%的6.4 mm宽刨花和50%的25.4 mm宽刨花制成的第19组显示出最高的MOE//值。因此，刨花宽度对于MOE//的影响尚不明确。用工业刨花制备的板材其MOE//低于大多数实验室制备的板材，这表明工厂可通过提高刨花质量进一步改善MOE//。

2.2.2 MOR//分析

统计分析表明，用不同宽度刨花制备的OSB MOR//不同（表4），但无显著关系，这说明刨花的宽度分布不会显著影响OSB的MOR//。在5种不同的刨花中，6.4 mm宽的刨花对MOR//有最大的正向影响，其次是19.0、12.7、25.4 mm和31.8 mm宽的刨花，而25.4 mm和31.8 mm宽的刨花相互作用对MOR//有最大的正向影响。基于数理统计显著的刨花宽度分布的优化模型显示，为使板材的MOR//最大化，应使用48%的12.7 mm宽刨花和52%的19.0 mm宽刨花。

图3所示为OSB的MOR//变化。与最低的MOR//组（第4组）相比，其他组的MOR//值通常比最低组高20%。

图3 不同刨花制成的OSB的MOR//变化Fig.3 MOR// variations of the OSB panels made of different strands

比较图2和图3可知，最低和最高的MOR//的变化趋向并不总是与最低和最高的MOE//的变化趋势对应。第4组和第12组的MOR//值最低，而第3组和第12组的MOE//值最低，第1组和第11组的MOR//和MOE//值均为最高。MOR//和MOE//均未显示出与刨花宽度分布的明显关系，其原因值得进一步研究。

对比可知，由工业刨花制备OSB其MOE//和MOR//值一般低于实验室制备的OSB，这表明工厂的OSB制备仍存在提升空间。

2.3 沿表层刨花垂直方向的弹性模量和静曲强度分析

2.3.1 MOE┴分析

统计分析表明，基于0.05的显著性水平，用不同宽度刨花制备OSB的MOE┴不同（表4）。数据显示，刨花宽度分布会影响OSB的MOE┴。用工业刨花制备OSB的MOE┴最低。混合设计分析显示，在5种不同的刨花中，25.4 mm宽的刨花对MOE┴有最大的正向影响，其次是31.8、19.0、12.7 mm和6.4 mm宽的刨花，较宽的刨花对OSB的MOE┴贡献更大。

图4为试验制备OSB的MOE┴变化，在整个试验生产过程中，第4组制备OSB的MOE┴最低，第20组MOE┴最高，其他OSB的MOE┴值比第4组高8%～31%不等。基于数理统计显著的刨花宽度分布优化模型显示，为了最大限度地提高MOE┴，应使用44%的19.0 mm宽刨花和56%的25.4 mm宽刨花，或者使用55%的25.4 mm宽刨花和45%的31.8 mm宽刨花。

图4 不同刨花制成的OSB的MOE┴变化Fig.4 MOE┴ variations of the OSB panels made of different strands

2.3.2 MOR┴分析

统计分析表明，基于0.05的显著性水平，用不同宽度刨花制备OSB的MOR┴不同（表4），刨花的宽度分布也会影响OSB的MOR┴。而用工业刨花制备OSB的MOR┴最低。混合设计分析表明，在5种不同的刨花中，6.4 mm宽的刨花对MOR┴有最大的正向影响，其次是31.8、25.4、12.7 mm和19.0 mm宽的刨花。其中，19.0 mm和25.4 mm宽的刨花的相互作用对MOR┴有正向的影响。

图5为用实验室制备的刨花制作OSB的MOR┴变化。其他刨花组的MOR┴值比第4组的值高6%～51%不等。基于数理统计显著的刨花宽度分布的优化模型显示，为了使OSB的MOR┴最大化，应该使用47%的19.0 mm宽刨花和53%的25.4 mm宽刨花。

图5 不同刨花制成的OSB的MOR┴变化Fig.5 MOR┴ variations of the OSB panels made of different strands

对比图4和图5可以看出，第20组显示出最高的MOE┴和MOR┴，而第4组的MOE┴和MOR┴最低，这表明OSB制备不应使用高百分比的31.8 mm宽刨花和19.0 mm宽刨花。相反，应使用类正态分布的刨花，如第20组，以获得更高的静曲强度和弹性模量。

工业刨花制备OSB的MOR┴和MOE┴最低，这表明在OSB制备过程中，因刨花切削不正确使木材的很大一部分固有强度消失。这再次说明OSB工业界可尝试改变切削方式来提高OSB的强度。

3 结论

本研究以不同宽度、不同比例的杨木刨花为原材料制备OSB，探究了刨花尺寸与OSB性能之间的关系，并与工业刨花制备的OSB进行对比，主要得到以下结论：

1）不同宽度、不同比例的刨花对OSB的性能质量有显著影响。

2）在相同的OSB制备条件下，由工业刨花制备的OSB通常比试验制备的OSB拥有较低的静曲强度、弹性模量，这表明工业刨花切削过程使木材丧失了一部分固有强度，因此可通过改善刨花的切削方式提升OSB的性能。

3）没有一种 “理想的”刨花宽度组合可以最大限度地提高OSB的所有性能。混合设计分析表明，当使用6.4 mm宽的刨花在18%～37%的范围内，25.4 mm宽的刨花在53%～68%的范围内，以及31.8 mm宽的刨花在9%～17%的范围内时，板材的整体性能最优。

4）刨花配方对OSB性能的具体影响机理需要进一步探究。