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等离子体改性 碳 纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法

阅读：586发布：2020-05-08

专利汇可以提供等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明是等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，属于木质复合材料制造技术领域。其工艺是将0.5～3mm厚单板烘干调整含水率至6～12％，在单板表面涂布胶粘剂，采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，对层积弯曲胶合木进行有限元模拟分析，找出承载最薄弱节点，将多层单板按纵向顺纹层叠，在层积弯曲胶合木承载最薄弱节点处上下两表面的次表层铺设一层等离子体改性碳纤维，而后将板坯放于模具中，通过高频弯曲胶合成型。采用该方法制备的产品在保证弯曲木整体构件强度的前提下，可减小构件截面尺寸，节材率达15％以上，且生产过程简单高效，生产工艺节能环保，生产设备操作简便、且可连续自动化作业。，下面是等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木是按以下步骤制备的：
步骤一：单板制备：先将原木截成木段，再经软化处理以提高木材塑性，保证单板厚度均匀一致，表面光洁，而后剥去树皮，确定木段旋切回转中心，经旋切成木质单板；
步骤二：单板干燥：为确保单板层积弯曲胶合的质量，单板须经干燥处理，干燥后的含水率控制在6～12％；
步骤三：单板胶拼：根据层积弯曲胶合木使用场合的形状和尺寸，可以通过对单板进行剪切、胶拼以达到要求的宽度和长度，单板纵向接长：将干燥后的单板经纵横齐边处理后，在沿单板纹理方向的两端铣出斜面，斜率为1∶6至1∶12，在单板一端的斜面上涂上脲醛树脂胶黏剂，将两张单板的斜面对接后放于单板接长机中加热使斜面处的胶黏剂固化，单板沿木材顺纹方向纵向接长，单板横向拼宽：将干燥后的单板经纵横齐边处理后，在垂直于单板纹理方向采用热融胶线将单板拼接成规定宽度；
步骤四：单板涂胶：采用机械辊涂的方式在单板表面涂布胶粘剂，单面涂胶量为150～
220g/m2，取决于胶种、树种和单板厚度等，固化剂氯化铵添加量为0.3～1％，在胶粘剂中加入5～10％的工业面粉作填料；
步骤五：碳纤维等离子体改性处理：采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，将碳纤维平铺于射流型大气压低温等离子体设备下方的移动工作台之上，调节处理功率至3～7.5kW，调节移动工作台的运动速度至8～20m/min，打开等离子体电源，在大气压状态下，使腔体中的气体被电离产生低温等离子体，借助气流将低温等离子体输送到腔体外，当等离子体与碳表面相遇时，对其表面产生物理刻蚀作用，并在其表面引入大量的极性化学官能团，处理结束后，按上述步骤处理碳纤维的另外一面；
步骤六：层积弯曲胶合木局部增强结构设计：采用有限元对不同形状和尺寸的层积弯曲胶合木进行模拟分析，找出承载最薄弱的节点，针对这样的节点通过铺设等离子体改性的碳纤维进行局部增强；
步骤七：组坯：根据层积弯曲胶合木形状与尺寸，合理配置单板层数和方向，多层单板之间为纵向顺纹层叠，单板层数根据弯曲胶合木的设计厚度、单板厚度以及弯曲胶合时的压缩率确定，组坯时，单板背面处于凸面方向，正面处于凹面位置，为有效提高木材利用率，在层积弯曲胶合木承载最薄弱节点处上下两表面的次表层各铺设一层等离子体改性碳纤维，为确保碳纤维与木材的界面结合力，在碳纤维表面涂布胶粘剂，单面涂胶量为150～
220g/m2，所用胶粘剂与单板所用胶粘剂相同；
步骤八：弯曲胶合成型：将层积弯曲胶合木板坯放于模具中，采用高频热压进行弯曲胶合成型；
步骤九：冷却陈放：为使胶合后的弯曲胶合木内部温度与应力进一步均匀，减少变形，从模具上卸下的弯曲胶合木必须放置4～6个昼夜，使形状充分稳定后才能进行后期加工。
2.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤一所述的单板厚度为0.5～3mm，单板的厚度偏差小于±0.05mm。
3.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤二所述的单板干燥，当单板厚度较小时(厚度小于2mm)，可直接采用网带式干燥机进行干燥，当单板较厚时(厚度大于等于2mm)，先用辊筒干燥机或网带式干燥机对木质单板进行喷气预干燥，而后用热板干燥机在一定压力条件下将木质单板干燥至目标含水率范围，热板干燥压力控制在0.1～0.3MPa。
4.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤三所述的木质单板纵向接长时，脲醛树脂胶黏剂用量为100～120g/m2，加热温度为100～120℃。
5.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤四所述的单板涂胶所用胶粘剂为脲醛胶、三聚氰胺改性脲醛胶、脲醛胶与乳白胶的混合胶、酚醛胶中的一种。
6.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤五所述的碳纤维等离子体改性处理所用气体为空气、氮气、氧气中的一种，不同的气体作为激发介质，可产生不同的改性效果，视产品增强需求选择。
7.根据权利要求1所述的等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，其特征在于：步骤八所述的弯曲胶合成型工艺条件为：热压温度为120～180℃，视胶粘剂种类而定，热压压力为1.0～2.0MPa，热压时间为0.05～0.1min/mm，工作频率为5～14MHz，屏极电流为2～3A，屏极电流与栅极电流比例为4∶1～7∶1，采用高频热压，利用高频电磁场的作用，通过板坯内部的介质材料本身产生热量，将电能转化为热能，大幅度提高了板坯的传热效率，缩短了热压时间，显著提高了生产率。

说明书全文

等离子体改性 碳 纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，属于木质复合材料制造技术领域。

背景技术

[0002] 木材是大自然赋予人类最宝贵的财富，它与人类与生俱来的自然亲和感，是任何一种材料所无法代替的。木材及其制品能为人们工作和生活创造美好的环境，不仅是因为它们具有特殊的色泽、纹理，而且是因为它们易于造型。以木质单板为主要原料，通过干燥、涂胶、组坯、弯曲胶合等工序制成的层积弯曲胶合木是一种典型的可应用于木结构建筑、家具制造和室内外装修等场合造型的材料。

[0003] 层积弯曲胶合木制造技术的发展经历了三个时期：古代，人类把木材锯弯，交叉连接起来制作家具的弯曲部件。十九世纪五十年代，德国首创了实木弯曲成型工艺，制作了世界上第一把曲木椅子，弯曲成型的圆形半径小到只有木材厚度的3倍。弯曲成型座椅的试制成功，为曲木家具的发展拓展了广阔的领域，从而开创了现代家具的新时代。为了进一步提高出材率，降低成本、简化工艺，实现曲木家具的工业化生产，二十世纪二十年代，芬兰研究人员首先提出了层积胶合弯曲成型技术，它是将木材首先制成单板，涂胶后在高温高压下弯曲胶合成型。这种制造方法，降低了对木材材质的要求，提高了出材率，增加了弯曲构件的强度，降低了生产成本，使木家具的生产工艺出现了一个根本性的变化，可以说是木质家具生产的一次革命性的飞跃。

[0004] 然而，在层积弯曲胶合木工业化生产过程中，为了保证弯曲构件的各个部位的强度及其稳定性，在弯曲构件的结构设计预留了较大的余地，致使其强度过度富余，造成了木材资源的浪费。

发明内容

[0005] 本发明的目的是采用经射流等离子体改性的碳纤维对层积弯曲胶合木承载最薄弱节点进行局部增强，在保证弯曲木整体构件强度的前提下，达到减小弯曲木构件截面尺寸，节约木材资源的目的。

[0006] 本发明的技术解决方案：等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法是按以下步骤完成的：

[0007] 一、单板制备：

[0008] 先将原木截成木段，再经软化处理以提高木材塑性，保证单板厚度均匀一致，表面光洁，而后剥去树皮，确定木段旋切回转中心，经旋切成木质单板；

[0009] 步骤一所述的单板的厚度为0.5～3mm，单板的厚度偏差小于±0.05mm，单板的厚度应根据层积弯曲胶合木的形状、尺寸和弯曲半径与弯曲方向来确定，弯曲半径越小，则要求单板存度越薄，但单板过薄，则层数增加，用胶量增加，生产成本提高；

[0010] 二、单板干燥：

[0011] 为确保单板层积弯曲胶合的质量，单板须经干燥处理，干燥后的含水率控制在6～12％，单板含水率与胶液粘度、热压时间、胶合质量等有密切关系，单板的含水率高，木材塑性好，弯曲性能良好，但单板含水率过高，会降低胶粘剂粘度，在热压时胶液会被挤出造成缺胶接合，而且也会延长胶合时间，并由于板坯内的蒸汽压力过高而出现脱胶、鼓泡、变形等现象，如果含水率过低，单板会吸收更多的胶粘剂，也会导致缺胶接合，而且单板塑性差、材质脆、易破损，加压弯曲时容易拉断或开裂；

[0012] 当单板厚度较小时(厚度小于2mm)，可直接采用网带式干燥机进行干燥，当单板较厚时(厚度大于等于2mm)，为防止干燥过程中木材收缩导致单板翘曲变形，同时保证干燥效率，先用辊筒干燥机或网带式干燥机对木质单板进行喷气预干燥，而后用热板干燥机在一定压力条件下将木质单板干燥至目标含水率范围，热板干燥压力控制在0.1～0.3MPa；

[0013] 三、单板胶拼：

[0014] 根据层积弯曲胶合木使用场合的形状和尺寸，可以通过对单板进行剪切、胶拼以达到要求的宽度和长度；

[0015] 单板纵向接长：将干燥后的单板经纵横齐边处理后，在沿单板纹理方向的两端铣出斜面，斜率为1∶6至1∶12，在单板一端的斜面上涂上脲醛树脂胶黏剂，用量为100～120g/2
m ，将两张单板的斜面对接后放于单板接长机中加热使斜面处的胶黏剂固化，加热温度为
100～120℃，单板沿木材顺纹方向纵向接长；

[0016] 单板横向拼宽：将干燥后的单板经纵横齐边处理后，在垂直于单板纹理方向采用热融胶线将单板拼接成规定宽度；

[0017] 四、单板涂胶：

[0018] 采用机械辊涂的方式在单板表面涂布胶粘剂，单面涂胶量为150～220g/m2，取决于胶种、树种和单板厚度等，固化剂氯化铵添加量为0.3～1％，在胶粘剂中加入5～10％的工业面粉作填料；

[0019] 步骤四所述的单板涂胶所用胶粘剂为脲醛胶、三聚氰胺改性脲醛胶、脲醛胶与乳白胶的混合胶、酚醛胶中的一种；

[0020] 五、碳纤维等离子体改性处理：

[0021] 碳纤维是由高度结晶的石墨基面组成，因此其是非极性的，表面呈惰性，比表面积小，边缘活性炭原子相对较少，表面能也较低，而木材表面存在大量的羟基等活性基团，极性较强，因此，未作表面处理的碳纤维与木材复合时界面结合力较弱，会影响复合材料的整体力学性能，而导致碳纤维的增强作用不能得到发挥；

[0022] 采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，通过等离子体流中的离子，电子，分子以及光子等具有高能量的活性粒子对碳纤维表面进行物理刻蚀作用，破坏碳纤维的惰性表面，同时，利用等离子体的自由基引发化学反应作用，在碳纤维表面引入大量的极性化学官能团，如含氧官能团、含氮官能团等，显著提高了碳纤维表面的表面能，为实现木质单板与碳纤维的高效胶合奠定基础；

[0023] 步骤五所述的碳纤维等离子体改性处理方法是：将碳纤维平铺于射流型大气压低温等离子体设备下方的移动工作台之上，调节处理功率至3～7.5kW，调节移动工作台的运动速度至8～20m/min，打开等离子体电源，等离子发生器产生高压高频能量，在大气压状态下，使腔体中的气体被电离产生低温等离子体，借助气流将低温等离子体输送到腔体外，当等离子体与碳表面相遇时，对其表面产生物理刻蚀作用，并在其表面引入大量的极性化学官能团，处理结束后，按上述步骤处理碳纤维的另外一面；

[0024] 步骤五所述的碳纤维等离子体改性处理所用气体为空气、氮气、氧气中的一种，不同的气体作为激发介质，可产生不同的改性效果，视产品增强需求选择；

[0025] 六、层积弯曲胶合木局部增强结构设计：

[0026] 采用有限元对不同形状和尺寸的层积弯曲胶合木进行模拟分析，找出承载最薄弱的节点，针对这样的节点通过铺设等离子体改性的碳纤维进行局部增强；

[0027] 七、组坯：

[0028] 组坯就是根据层积弯曲胶合木形状与尺寸，合理配置单板层数和方向，多层单板之间为纵向顺纹层叠，单板层数根据弯曲胶合木的设计厚度、单板厚度以及弯曲胶合时的压缩率确定，组坯时，单板背面处于凸面方向，正面处于凹面位置，为有效提高木材利用率，在层积弯曲胶合木承载最薄弱的节点处上下两表面的次表层各铺设一层等离子体改性碳纤维，为确保碳纤维与木材的界面结合力，在碳纤维表面涂布胶粘剂，单面涂胶量为150～220g/m2，所用胶粘剂与单板所用胶粘剂相同；

[0029] 八、弯曲胶合成型：

[0030] 将层积弯曲胶合木板坯放于模具中，采用高频热压进行弯曲胶合成型；

[0031] 步骤八所述的弯曲胶合成型工艺条件为：热压温度为120～180℃，视胶粘剂种类而定，热压压力为1.0～2.0MPa，热压时间为0.05～0.1min/mm，工作频率为5～14MHz，屏极电流为2～3A，屏极电流与栅极电流比例为4∶1～7∶1。采用高频热压，利用高频电磁场的作用，通过板坯内部的介质材料本身产生热量，将电能转化为热能，大幅度提高了板坯的传热效率，缩短了热压时间，显著提高了生产率；

[0032] 九、冷却陈放

[0033] 为使胶合后的弯曲胶合木内部温度与应力进一步均匀，减少变形，从模具上卸下的弯曲胶合木必须放置4～6个昼夜，使形状充分稳定后才能进行后期加工。

[0034] 本发明的优点：(1)节约木材资源：采用本专利提供的一种等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法制备获得的层积弯曲胶合木，在保证弯曲木整体构件强度的前提下，可减小弯曲木的构件截面尺寸，节材率达15％以上。(2)碳纤维表面改性处理工艺简单、快速高效、节能环保：本专利提供的一种等离子体改性碳纤维局部增强层积弯曲胶合木的制造方法，采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，是一种干法处理工艺，省能源，无公害，符合当前工业化生产节能减排的要求，且处理时间短、效率高、可控性好，且可连续自动化作业。

具体实施方式

[0035] 实施例1

[0036] 将小径速生杨木用圆锯机截断成一定长度木段，将木段放于蒸煮池中进行软化处理，用专用剥皮机将木段树皮去除。而后，采用机械定心机确定木段的回转中心，再用上木机将木段放置于旋切机上，旋切制成厚度为1.5mm的单板。

[0037] 将杨木单板放于网带式干燥机中干燥，将单板的含水率控制在8％待用。

[0038] 采用机械辊涂的方式在单板表面涂布脲醛胶，单面涂胶量为180g/m2，固化剂氯化铵添加量为0.5％，在胶粘剂中加入5％的工业面粉作填料。

[0039] 采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，将碳纤维平铺于射流型大气压低温等离子体设备下方的移动工作台之上，调节处理功率至3kW，调节移动工作台的运动速度至20m/min，打开等离子体电源，以空气为激发介质，在大气压状态下，使腔体中的空气被电离产生低温等离子体，借助气流将低温等离子体输送到腔体外，对碳纤维表面进行处理。处理结束后，按上述步骤处理碳纤维的另外一面。

[0040] 采用有限元对“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木(截面尺寸为55×19mm)进行模拟分析，找出承载最薄弱的节点在“U”型的两个弯曲点处。

[0041] 将15层1.5mm厚杨木单板按纵向顺纹层叠，在“U”型的两个弯曲点处的上下两表面的次表层分别铺设一层等离子体改性碳纤维，进行局部增强。组坯时，单板背面处于凸面方向，正面处于凹面位置。为确保碳纤维与木材的界面结合力，在碳纤维表面涂布脲醛胶，单2
面涂胶量为180g/m。

[0042] 将层积弯曲胶合木板坯放于模具中，采用高频热压进行弯曲胶合成型。成型工艺条件为：热压温度为120℃，热压压力为1.5MPa，热压时间为0.1min/mm，工作频率为10MHz，屏极电流为2A，屏极电流与栅极电流比例为4∶1。

[0043] 为使胶合后的弯曲胶合木内部温度与应力进一步均匀，减少变形，从模具上卸下的弯曲胶合木必须放置5个昼夜，使形状充分稳定后才能进行后期加工。

[0044] 经性能检测，采用本项专利技术制备“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木与未进行局部增强的层积弯曲胶合木(截面尺寸为60×22mm)具有相同的力学性能，即在保证产品质量的前提下，采用本项专利技术制备“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木可节约木材20.83％。

[0045] 实施例2

[0046] 将小径速生杨木用圆锯机截断成一定长度木段，将木段放于蒸煮池中进行软化处理，用专用剥皮机将木段树皮去除。而后，采用机械定心机确定木段的回转中心，再用上木机将木段放置于旋切机上，旋切制成厚度为1.5mm的单板。

[0047] 将杨木单板放于网带式干燥机中干燥，将单板的含水率控制在8％待用。

[0048] 采用机械辊涂的方式在单板表面涂布酚醛胶，单面涂胶量为150g/m2，固化剂氯化铵添加量为0.5％，在胶粘剂中加入5％的工业面粉作填料。

[0049] 采用射流型大气压低温等离子体对碳纤维表面进行改性处理，将碳纤维平铺于射流型大气压低温等离子体设备下方的移动工作台之上，调节处理功率至6kW，调节移动工作台的运动速度至8m/min，打开等离子体电源，以氧气为激发介质，在大气压状态下，使腔体中的空气被电离产生低温等离子体，借助气流将低温等离子体输送到腔体外，对碳纤维表面进行处理。处理结束后，按上述步骤处理碳纤维的另外一面。

[0050] 采用有限元对“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木(截面尺寸为50×19mm)进行模拟分析，找出承载最薄弱的节点在“U”型的两个弯曲点处。

[0051] 将15层1.5mm厚杨木单板按纵向顺纹层叠，在“U”型的两个弯曲点处的上下两表面的次表层分别铺设一层等离子体改性碳纤维，进行局部增强。组坯时，单板背面处于凸面方向，正面处于凹面位置。为确保碳纤维与木材的界面结合力，在碳纤维表面涂布酚醛胶，单面涂胶量为150g/m2。

[0052] 将层积弯曲胶合木板坯放于模具中，采用高频热压进行弯曲胶合成型。成型工艺条件为：热压温度为150℃，热压压力为2.0MPa，热压时间为0.1min/mm，工作频率为10MHz，屏极电流为2A，屏极电流与栅极电流比例为4∶1。

[0053] 为使胶合后的弯曲胶合木内部温度与应力进一步均匀，减少变形，从模具上卸下的弯曲胶合木必须放置5个昼夜，使形状充分稳定后才能进行后期加工。

[0054] 经性能检测，采用本项专利技术制备“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木与未进行局部增强的层积弯曲胶合木(截面尺寸为60×22mm)具有相同的力学性能，即在保证产品质量的前提下，采用本项专利技术制备“U”型椅腿用的层积弯曲胶合木可节约木材28.03％。

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