胶合板热压过程传热传质研究开题报告文档格式.doc
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1818年有了旋切机的首次发明，此后的1840年和1844年法国和美国先后获得了旋切机的发明专利。
十九世纪的六七十年代，美国和法国等已开始了胶合板的小批量生产。
到十九世纪末，胶合板的质量已为消费者认可，有了真正意义上的批量生产。
第一次世界大战期间，plywood才成为一种真正的商品名称，胶合板工业已初步形成。
20世纪二十年代，我国也已有由外国商人在我国东北地区开办的胶合板厂。
目前，就全球来看，胶合板生产主要集中于北美、北欧和东南亚三大区域。
北美主要以花旗松和南方松为原料生产结构用厚胶合板；
北欧则用小径木生产接长的单板制造结构用横纹胶合板；
东南亚则以热带雨林阔叶材，如柳桉，生产三层胶合板为主。
我国亦以生产三层胶合板为主，且以进口材为面板，辅以国产速生材的芯板，仅小部分以国产材生产厚胶合板[1,2,3,4]。
胶合板是中国人造板产品中国际市场占有率最高的品种，2009年的市场占有率达到29.7%，几乎是三分天下有其一，这一方面得益于中国胶合板产业的飞速发展，另一方面也得益于西方发达国家逐渐降低胶合板生产。
胶合板产业的迅速发展有多个层面的意义。
首先，这说明中国胶合板生产工艺较为成熟，在国际市场有较强的竞争力；
同时，我们必须意识到，胶合板是所有板种中技术要求最低、加工流程最简单、投资规模最小的品种，中国胶合板的单线产量与世界相比还有较大差距，大多为小作坊生产。
其次，胶合板产量的剧增 说明中国以民营经济为主体、甚至家庭作坊为主体的人造板产业特征明显，这对促进中国劳动力就业和乡村地区经济发展发挥了巨大作用，但正由于工艺落后、规模较小等因素，胶合板在面对国际市场风险时，应对能力是最差的。
最后，胶合板是资源利用率最低的板种，仅为中密度纤维板的60%，随着中国森林资源的紧缺，尤其是大径级木材的稀缺性，胶合板产业未来面临较大的发展压力[5]。
虽然中国胶合板发展迅速，但依然遭遇到欧盟以及其他一些进口国的反倾销申诉，所以中国的胶合板企业和行业组织必须加强与进口商的沟通、加强企业自律、规范出口经营秩序。
随着中国基础设施建设规模的扩大与中西部开发力度的加强，胶合板的市场潜力巨大。
热压是木材综合利用中广泛应用的一种方法。
为改善热压加工工艺,提高成材质量,充分了解木材受压时内部各种过程的变化规律,尤其是热量与含湿量的传递规律是非常必要的。
目前,世界上许多国家,特别是业发达国家,对相关的内容已开展了大量的研究。
在我国,这类工作尚属起步。
热压是胶合板生产的关键工序，它直接影响着产品的物理力学性能（例如胶合强度）及生产的能耗．Kamke等将刨花板的热压过程描述为“一个伴随着动量传递、热传递、质传递及板坯内部复杂化学反应和相变同时发生的复杂过程”[6]。
而且板坯主要是由木单板、空气和水分组成的三相体系，所以板坯内部环境变化的研究一直是个难点．板坯在热压过程中的定型主要通过两个方面的作用完成：
压力的作用，使板坯内部空隙度减小，达到形成化学键和胶接的要求，板坯形成一定的密度；
热量在板坯内部传递，达到胶粘剂固化的温度要求，使胶粘剂固化，伴随此过程板坯内的水被加热汽化，产生一定的气压．因此，在板坯内部环境的研究中，板坯内部的温度场和气压变化是研究的重点，能够为最优热压工艺的选择提供最基本的信息[7]。
热压工序是胶合板生产能过程中的主要能耗工序之一。
在满足产品要求的条件下，如何降低热压温度、减少热压时间，是胶合板生产工艺研究的一个重要方向。
传统的热压工艺多采用三段降压曲线，利用两端压力减少段释放板中的蒸汽压力，可以有效地防止鼓泡现象，根据生产实际情况，可以指定多段降压曲线，同时还有厚度热压曲线、零段保压曲线、高含水率热压曲线等多种不同情况。
随着胶合板品种不断增加，需要相应的热压工艺曲线与之相适应。
而了解胶合板热压工程中板坯内部环境的变化是选择制定合适的。
热压工艺曲线，是控制胶合板热压工艺的关键，进而直接关系到产品的生产效率和质量。
胶合板热压过程中的影响因素主要包括：
热压时间、热压温度、压力、胶黏剂、单板厚度、单板含水率和导热系数。
板坯内部的热量来自热压板的温度，热量除了使胶粘剂的固化外，高温还可增加木材的塑性，热压过程中板坯内部温度特征曲线直接影响到加压时间和生产率。
板坯内部的气压大部分源于水蒸气压力，直接影响卸压时是否会“分层、鼓泡”，影响成板力学性质，与热量传递有交互作用。
板坯含水率主要来自物料干燥后剩余的水分，加入胶粘剂时伴随的水分，以及胶粘剂固化时缩聚反应产生的水分。
含水率影响热量的传递和气压的变化，从而影响胶合板的性能[13]。
二、研究现状
近几十年来，木材科学的专家学者们采用模型分析的方法，即通过研究板坯结构中的传热传质机理，建立或借鉴现有的数学模型来描述和模拟各种实际的物理过程，或者通过实验来确定板坯的各种物理参数和传输系数，如热导率、导温系数、湿扩散系数等，从而为建立模型和求解模型提供基础数据。
北京科技大学热能工程系和加拿大森林研究所合作对木材热压过程热量与含湿量的传输进行了研究.在一定的理论基础和合理的假设下,建立了数学模型,可以预测热压过程中木材内部的瞬时温度分布[8]。
徐长妍研究了喷蒸真空热压杨木大片刨花板坯内部的温度分布特征.实验中采用热电偶对板坯内部的温度变化进行测量.实验结果表明,平行于热压板的板坯中心平面内的温度分布比较均匀,沿板坯厚度方向各点的温度分布差异较大.在喷蒸真空热压过程中,板坯内部的温度上升速率比传统热压快得多[9]。
谢力生（2002）对干法生产纤维板的热压传热进行了研究,推导出了理想条件下板坯中心层达到胶粘剂固化温度（tZ）所需时间的数学模型[10]。
Kamke研究了板坯含水率、密度、厚度及木质单元的形状对人造板热传导性能的影响[11]。
Kamke和Casey采用热电偶和压力传感器,对大片刨花板坯在传统热压过程中内部的温度和气压成功地进行了测量，并探讨了热压温度和板坯初含水率对主要板坯内部环境因素---温度和气压变化的影响作用[12]。
胶合板热压过程中心层温度变化曲线基本可以根据热压时间分为短暂恒温、快速升温、水分汽化恒温和慢速升温四个阶段；
胶粘剂种类、施胶量、单板材种、纹理排列方式和板坯密度对胶合板的热压传热过程影响很小；
单板含水率、板材厚度和热压板初始温度对胶合板热压传热影响比较显著[14]。
三、研究的基本内容和方案
研究的基本内容：
（1）对单板进行恒温恒湿处理。
确定单板的初含水率，调节单板含水率至要求数值。
（2）采用无胶的环境，三层胶合板——四张单板，芯层为纹理方向相同的两张单板算作一层，在这两张单板中间开直径2mm的圆弧槽，将温度压力一体式传感器不锈钢探针插入该槽，通过探针顶端的圆孔收集数据，测试点为芯层中心。
同时，在芯层不同位置以及胶合板的不同厚度上设置测试点，监测不同厚度及芯层不同位置的温度变化规律。
测试点设置如图1
（3）进行分组并编号：
以温度、压力、含水率等因素作为单一变量分组，要设置对照组，以三层（四张板，中间两张纹理相同）压力1.5Mpa,含水率15%，115℃热压作为对照组进行对照试验。
（4）相同处理：
每个组的单板经组坯后进行热压，把连续的温度、压力作为测试手段。
（5）观察记录：
在热压过程中，用相隔的连续较短时间内，记录每个阶段的温度、压力。
图1板坯内温度气压测点分布图
Fig.1Distributionoftemperatureandgaspressuremeasurementpointsinmat
方案：
试验中取热压温度、热压压力和板坯初含水率为变量，以考察其对纤维板热压过程中传热传质的影响。
四个变量的中间水平取热压温度（即压板温度）115℃、热压压力1.5MPa和板坯初含水率15%。
当研究某个变量对热压过程中板坯内的温度和气压的影响时，将其他三个变量固定在中间水平上，这样既可重点研究生产中最关心的变量水平又能减少试验次数。
热压温度（即压板温度）取95℃、105℃、115℃、140℃四个水平，热压压力取1.0MPa、1.5MPa、2.0Mpa三个水平，板坯初含水率取5%、15%、25%三个水平。
三个变量共计4+3+3=11个组合，其中3个组合是相同的，不同的组合实际是9个。
每个组合重复三次，共计9×
3=27次试验。
具体试验方案如表2所示。
表2试验方案
Table2testprogramme
序号
厚度（mm）
压力（MPa）
温度（℃）
含水率（%）
1
8
1.0
115
15
2
1.5
3
2.0
4
95
5
105
6
7
125
140
9
10
11
25
实验主要仪器：
万能试验压机；
K型热电偶——规格0．4mm×
1000mm；
烘箱。
LHS-250SC恒温箱（精度0.1℃）
METTLERTOLEDOAG204电子天平（最大210g精度0.1mg）
电子称（最大6000g精度1g）
101-3型电热鼓风恒温干燥箱（温度10℃—300℃）
R4000无纸记录仪
温度压力一体式传感器
XLB-O500X500压力成型机
五、创新点及可能存在的问题
创新点：
a．用纹理相同的两张单板作为一层，又不违背基数层原则和纹理交错原则；
b．在芯板上刻上圆弧槽插入温度气压一体式传感器，更加直观的了解内部温度气压的变化情况；
c．采用无胶的热压方式，通过调节含水率模拟胶黏剂热压胶合过程，除去了胶黏剂中其他因素对热压传热传质过程的影响；
d.以热压过程中刨花板的芯层、次表层、表层温度变化的大量数据为基础，从更为宽泛的层面上，深入剖析了胶合板热压过程中板坯不同层和芯层不同部位发生的温度变化的阶段特点产生的原因，更为全面、系统地深刻揭示了胶合板热压过程中板坯内发生的复杂温度变化及其规律；
问题：
（1）热压过程中的各种对试验有影响的参数很难严格控制，涉及的参数过于简单化；
（2）缺乏有效检测方法和手段，有关热质迁移特性的基础数据匮乏；
（3）实际的热压过程中目前存在许多尚未深入研究的物理化学反应，譬如：
耦合效应、毛细滞后效应、湿分迁移的非Darcy效应、骨架与流体之间的化学反应等；
（4）在实际热压过程中，存在一些无法避免的干扰因素，主要是材料的性质差异；
（5）经常假定热压过程中存在局部的热力学平衡态，但在许多情况下这种平衡态是很难达到的或者不可能达到；
四、预期的结果
1.熟悉各工艺参数对传热传质过程的影响；
2.胶合板热压过程中的温度变化是有规律的，胶合板热压过程中典型的温度变化可分为四段，温度不上升或上升非常缓慢的阶段，快速上升阶段，减速升温阶段，温度基本不上升的平台期阶段
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