CN116533340B - 一种密度可控的压缩木制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种密度可控的压缩木制备方法，包括木材在由热压板提供的温度与压力环境下被压缩的方法，其特征在于，压缩过程开始时，所述热压板提供的压力与所述木材的表层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述表层被压缩；压缩过程进行中，所述热压板提供的压力与所述木材的次厚度层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述次厚度层被压缩，所述次厚度层与压缩形成层毗邻连接。其能够指导设计准确的生产工艺，压缩过程的各个时间段均能够被单独控制，压缩形成层的厚度可以仅通过压缩持续时间控制，从而不需要使用厚度规，能够控制次厚度层被压缩后作为单位压缩形成层的密度。

Description

一种密度可控的压缩木制备方法

技术领域

本发明涉及速生材木材密实化压缩的技术领域，更具体地，涉及一种密度可控的压缩木制备方法。

背景技术

人工林速生木材存在密度低、材质软和尺寸稳定性差等缺点而需要实施增强改性的处理，层状压缩木制造技术是其中一种木材利用率相对较高、处理时间相对较短、能耗相对较低的方法，特别是单侧表层压缩制造技术。相对于整体压缩木制造技术，层状压缩木制造技术和单侧表层压缩制造技术需控制压缩形成层的位置和厚度。目前，人们能够大致总结出木材厚度方向上不同的含水率、温度分布与压缩后得到的压缩形成层的位置、厚度之间的对应关系，以及不同的初含水率、预处理时间与含水率、温度分布之间的对应关系。但尚不能给出准确的对应关系，也不能通过对应关系的研究而给出准确的生产工艺设计指导。

例如，论文“Therelationshipbetweenthehydrothermalresponseof yieldstressandtheformationofsandwichcompressedwood”(WuYM,Huang R F,Gao Z Q.Journal ofSandwich Structures and Materials,2021,0(0):1-18.)中记载了不同湿热软化条件下形成的毛白杨的屈服应力梯度是夹层压缩木形成的主要因，而屈服应力则受到温度、含水率以及二者交互作用的影响，而且随着木材压缩程度的增加，所需要的压缩力也增加，所以控制屈服力并不能得到预想的压缩木材密度。又如，中国专利数据库中公开号为CN107263657A，名称为“木材层状压缩的压缩层厚度控制方法”的发明专利中记载了通过将木材在水中浸泡、控制预热时间、压缩速度等参数得到具有目标厚度的压缩层的技术方案。公开号为CN109366656A，名称为“一种单侧压缩木密度峰形态的控制方法”的发明专利中记载了一种通过控制压缩速度与木材内部水分迁移速度相耦合以控制压缩形成层密度峰形态的技术方案。换言之，该方案中，需要确定水分迁移速度、确定水分迁移速度与压缩速度之间的交互关系、以及确定压缩速度，以使得压缩的进程与水分的迁移同步。

通过阅读上述技术文献，我们可以理解，现有技术试图根据预先估算的水分迁移与温度传递的复杂过程而估算出处理前木材应当处于何种含水率状态、使用多长的预热时间以及使用多快的压缩速度等信息，并根据这些参数信息来指导生产，以期得到目标密度峰形态的压缩形成层。由于水分与温度的迁移不仅仅包括二者独立的迁移或传递过程，还包括二者之间的交互关系、以及二者分别与压缩进给之间的交互关系，所以实际情况是难以就过程状态给出定量、甚至定性的描述。因此，显然，双重估测的模型的可靠性相对较低，遑论给出的指导生产的参数能够在实际生产中把控压缩过程，所以仅能给出经验性的工艺设计指导。

更为重要的是，现有技术无法提供一种生产工艺设计的指导，根据该种生产工艺，能够得到预想密度的压缩形成层，换言之，没有一种研究结果能够指出压力与压缩形成层的密度之间的对应关系。但显然，能够根据何种工艺得到多大密度的压缩形成层，对层状压缩木制造技术及其生产实践来说才是最有意义的。

发明内容

现在技术往往在木材压缩过程中采用恒定的压力，对压缩过程中的压力的研究可见甚少，已知的报道是所谓“分阶段式”压力的工艺方法。例如中国专利数据库中公开号为CN108582377A，名称为“一种木材压缩-原位带压热处理一体化的方法及其制备的压缩木”的发明专利申请中记载了一种双阶段压力压缩方法，具体是先将超绝干状态的木材在120～150℃/8～12MPa的条件下进行第一阶段压缩，泄压后重新升压，将木材在120～150℃/4～6MPa的条件下进行第二阶段压缩。显然，上述技术方案并不是对压力的调整和/或控制，它实际上仅仅是对木材施加了两次独立的、压力不相同的压缩处理，所要达到的技术效果是“形成断面密度分布均匀的压缩，克服鼓泡，减小压缩材内应力”，上述技术方案显然无法得到预想密度的压缩形成层。

当发明人在长期研究与实践中发现了现有技术中存在的上述路线问题后，提出了一种密度可控的压缩木制备方法，该方法能够就压缩生产工艺的设计给出具体、准确的指导，以获得具有预想密度、预想密度分布、预想厚度的压缩形成层，且本方法对压缩过程的控制基本贯穿整个压缩进程，使得压缩的各个时间段都较为可控。

在本申请的一个方面，提供了一种密度可控的压缩木制备方法，包括木材在由热压板提供的温度与压力环境下被压缩的方法，其特征在于，压缩过程开始时，所述热压板提供的压力与所述木材的表层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述表层被压缩；压缩过程进行中，所述热压板提供的压力与所述木材的次厚度层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述次厚度层被压缩，所述次厚度层与压缩形成层毗邻连接。

在一些实施例中，所述压力小于能够使所述压缩形成层被压缩的压力值，并大于等于所述次厚度层能够被压缩的压力值。

在一些实施例中，所述压力与所述次厚度层能够被压缩的压力值的偏差为±0.2MPa。

在一些实施例中，所述热压板与所述木材的第一表面接触并提供温度，冷压板与所述木材的第二表面接触并使所述第二表面维持与所述冷压板相同的温度。

在一些实施例中，所述表层或所述次厚度层被压缩后形成的单位压缩形成层的密度与它发生压缩时的温度、含水率的对应关系为：

ρ＝a₁+a₂×T+a₃×T²+a₄×T³+a₅×U+a₆×U²+a₇×U³+a₈×T×U；

同时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈分别具有线性对应关系；

式中，ρ为所述表层或所述次厚度层被压缩后形成的单位压缩形成层的密度，T为发生压缩时所述表层或所述次厚度层的温度，U为发生压缩时所述表层或所述次厚度层的含水率。

在一些实施例中，当所述压力为4～6MPa时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈的对应关系分别为：

a₁＝7.522×P+427.914；

a₂＝0.112×P+0.768；

a₃＝-0.0075×P+0.058；

a₄＝1.55×P-60.1；

a₅＝2.9715×P+5.732；

a₆＝-0.0035×P-0.205；

a₇＝-0.002×P+0.014；

a₈＝0.02×10^-5×P+1×10^-5；

式中，P为发生压缩时所述表层或所述次厚度层受到的压力。

在一些实施例中，当所述压力为6～8MPa时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈的对应关系分别为：

a₁＝11.141×P+406.2；

a₂＝0.2045×P+0.213；

a₃＝-0.0005×P+0.016；

a₄＝-2.25×P-37.3；

a₅＝-2.204×P+36.785；

a₆＝0.298×P-2.014；

a₇＝-0.01×P+0.062；

a₈＝0.07×10^-5×P+0.7×10^-5；

式中，P为发生压缩时所述表层或所述次厚度层受到的压力。

在一些实施例中，所述压缩形成层的厚度通过压缩处理的持续时间控制。

在一些实施例中，压缩过程中所述热压板匀速进给。

在一些实施例中，压缩处理的持续时间通过下式计算：

t＝(ρ₁/ρ₀-1)×B₁/v；

式中，t为压缩处理的持续时间，ρ₀为木材的初始密度，ρ₁为压缩形成层的目标密度，B₁为压缩形成层的目标厚度，v为压缩进给速度。

根据本发明的上述技术方案，本发明的一种密度可控的压缩木制备方法不需要在压缩过程中定量或者定性的描述水分迁移或温度传递的过程，只需要获得次厚度层在被压缩前一刻或压缩当时的含水率值和温度值，使施加的压力与此含水率值、温度值相适合，便可以使压缩始终仅发生在次厚度层，且次厚度层在压缩后所形成的单位压缩形成层的密度是可以预先计算的，从而(1)能够指导设计准确的生产工艺，(2)压缩过程中各个时间段相互独立，压缩过程的各个时间段均能够被单独控制，(3)压缩形成层的厚度可以仅通过压缩持续时间控制，(4)不需要使用厚度规，(5)能够控制次厚度层被压缩后作为单位压缩形成层的密度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1的木材的结构示意图。

图2为本申请实施例1的单侧表面压缩木的结构示意图。

图3为气干木材单侧受热后宽度、厚度方向温度分布情况的参考图。

图4为气干木材单侧受热后宽度、厚度方向含水率分布情况的参考图。

图5为本申请实施例1的压缩木的剖面密度分布图。

图6为本申请实施例2的压缩木的结构示意图。

图7为本申请实施例2的压缩木的剖面密度分布图。

图8为本申请实施例6的双侧表面压缩木的结构示意图。

图9为本申请实施例6的压缩木的剖面密度分布图。

图10为本申请实施例7的压缩木的剖面密度分布图。

图中：100、木材，200、压缩木，201、压缩形成层，202、第一压缩形成层，203、第二压缩形成层，204、第三压缩形成层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

压缩木制备方法，是一种在由热压板提供的温度与压力环境下使木材被压缩的方法。区别于现有技术，本申请实施方式的一种密度可控的压缩木制备方法，在压缩过程开始时，热压板提供的压力与木材的表层的温度、含水率相适应，从而在该压力下有且仅有表层被压缩；在压缩过程进行中，热压板提供的压力与木材的次厚度层的温度、含水率相适应，从而在该压力下有且仅有次厚度层被压缩，次厚度层是与压缩形成层毗邻连接、但未被压缩的厚度层。我们可以定义次厚度层为，木材上相对于已经发生压缩的压缩形成层位于远离热压板一侧、并且与压缩形成层相连接的单位厚度层。

本申请实施方式的技术目的并不是通过对含水率或热压温度的调整或控制实现的，而是利用表层或次厚度层，根据压缩进程判断未被压缩的厚度层属于表层或是次厚度层，在被压缩时的含水率、温度状态信息，通过控制对木材施加与它的表层或次厚度层的当时含水率、温度相适应的压力，以确保在这个压缩单位时间内有且仅有表层或次厚度层被压缩，从而得到逐层递进形成的压缩形成层。这种控制方法能够给出相对准确的生产工艺设计的指导。

进一步的，由于压缩过程逐层递进，每个单位压缩形成层在形成过程中使用的压力相同或不同，因而可以根据需要分别控制，以得到预想的密度波形。当然，本领域技术人员可以理解，压缩形成层的厚度也通过此方法得到控制。即，可以通过控制压缩处理的持续时间(施加压力的时间)以得到预期厚度的压缩形成层。

更进一步的，由于施加的压力与次厚度层的含水率、温度相适应，所以能够得到预期密度的单位压缩形成层。

为了避免已经形成的单位压缩形成层被再次压缩，施加的压力应当小于能够使压缩形成层被压缩的压力值，并大于或至少等于次厚度层能够被压缩的压力值。施加的压力与次厚度层能够被压缩的压力值之间允许±0.2MPa的误差。

本申请实施方式的密度可控的压缩木制备方法可以适用于制备得到整体压缩木和层状压缩木。由于整体压缩木的压缩后密度可以通过压缩率较为便捷的计算和控制，所以本申请实施方式更为优选的适用于制备单侧层状压缩木的制备，在此情况下，热压板与木材的第一表面接触并提供温度，冷压板与木材的第二表面接触并使第二表面维持与冷压板相同的温度。

以下具体阐述如何利用本申请实施方式得到预期密度的压缩形成层。

单位压缩形成层的密度与次厚度层在压缩发生之时或即将发生之时的温度、含水率的对应关系能够通过以下公式体现：

ρ＝a₁+a₂×T+a₃×T²+a₄×T³+a₅×U+a₆×U²+a₇×U³+a₈×T×U (1)

式中，ρ为表层或次厚度层被压缩后形成的单位压缩形成层的密度，T为发生压缩时表层或次厚度层的温度，U为发生压缩时表层或次厚度层的含水率。

同时，为得到预期密度的单位压缩形成层所施加的压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈分别具有线性对应关系。该线性对应关系具体为：

a₁＝7.522×P+427.914；

a₂＝0.112×P+0.768；

a₃＝-0.0075×P+0.058；

a₄＝1.55×P-60.1；

a₅＝2.9715×P+5.732；

a₆＝-0.0035×P-0.205；

a₇＝-0.002×P+0.014；

a₈＝0.02×10^-5×P+1×10^-5；

上述公式组(2)适用于当压力为4～6MPa时。

或该线性对应关系具体为：

a₁＝11.141×P+406.2；

a₂＝0.2045×P+0.213；

a₃＝-0.0005×P+0.016；

a₄＝-2.25×P-37.3；

a₅＝-2.204×P+36.785；

a₆＝0.298×P-2.014；

a₇＝-0.01×P+0.062；

a₈＝0.07×10^-5×P+0.7×10^-5；

上述公式组(3)适用于当压力为6～8MPa时。

以上两组公式组中，P均表示发生压缩时表层或次厚度层受到的压力，或成为应当施加的压力。

压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈的对应关系还可以通过附表1与附表2对照获得。

以下具体阐述如何确定压缩处理的持续时间。

当然，由于各个压缩处理时间段相对独立，所以可以根据需要自行确定终止压缩处理的时间点。但是，如果生产目标是形成厚度为B₁、密度为ρ₁的压缩形成层，且压缩形成层内密度较为均匀一致，则压缩处理的持续时间通过下式计算：

t＝(ρ₁/ρ₀-1)×B₁/v；

式中，t为压缩处理的持续时间，ρ₀为木材的初始密度，ρ₁为压缩形成层的目标密度，B₁为压缩形成层的目标厚度，v为压缩进给速度。

以下具体阐述如何确定压缩进给速度。

热压板优选为匀速下压，压缩进给速度为匀速，从而使压缩过程匀速发生。现有技术中已有关于压缩进给速度确定的研究，其结论为压缩进给速度一般应当与木材中含水率的迁移、温度的传递速度相耦合。但在本申请实施方式中，由于压力与含水率、温度的相适应对压缩过程起到主要作用，所以压缩进给速度只需要与木材中含水率的迁移、温度的传递速度大致相耦合即可，而无需确保每一个单独的压缩时间段中都是耦合的。这显然在一定程度上简化了生产过程的控制。按照经验，压缩进给速度可以是0.01～0.03mm/s。(单位是毫米)

实施例1

一、使用的木材

本实施例中使用的木材100为如图1所示的毛白杨(Populus tomentosa Carr.)的径切板，尺寸规格为1000mm(长)×120mm(宽)×25mm(厚)，气干密度为450～490kg·m^-3(ρ₀、取值470kg·m^-3用于计算)，板材无翘曲，表面刨光平整，无开裂、虫眼、变色等可见缺陷，含水率为10～12％。

二、产品目标

产品目标是得到如图2所示的具有厚度为2mm(B₁)、平均密度为870kg·m^-3(ρ₁)、密度偏差为±20kg·m^-3的压缩形成层201的压缩木200，压缩形成层201位于压缩木200的一侧的表层。

三、压缩木制备方法的计算与设定

为得到厚度为B₁、密度为ρ₁的压缩形成层201，需要对木材100表面厚度为B₀的厚度层实施单侧表层压缩处理。根据ΔB＝(ρ₁/ρ₀-1)*B₁计算可得压缩量ΔB＝1.7mm。换言之，在压缩过程中热压板将下压1.7mm，同时木材100表层3.7mm的厚度层受到压缩。

采用单侧表面压缩技术，设定压机的上压板为热压板，通过导热油循环系统控制温度恒定为150℃；下压板为冷压板，通过冷水循环系统控制温度恒定为25℃。设定压缩进给速度(即热压板)下压速度v＝0.02mm/s；根据t＝ΔB/v可得压缩持续时间t＝85s。

表面厚度为B₀的厚度层的厚度方向上等间距设置10个探测点，并假设表面至第1个探测点的厚度层为表层，每个探测点以4.25s的时间间隔进行2次测量，相邻探测点的测量时间间隔为8.5s。

四、温度、含水率值的获取与压力的设置

木材特定位置的温度与含水率值的获取方式可以是现有技术的，本实施例中使用测量的方式获取。

根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)、木材的初始参数与产品的目标参数能够计算得到每个时间段内应当施加的压力。

五、密度可控的压缩木制备方法

以下通过展示本实施例的工艺参数流水具体阐述如何通过测量获取温度、含水率值，如何调整热压板的压力，以及如何实施该种密度可控的压缩木制备方法。

使用的设备、仪器包括可调节压力的热压机、红外线温度检测系统、温度记录仪、针插式含水率探测仪、含水率记录仪、PLC控制系统等，上述设备、仪器均为现有，并均与PLC控制系统通讯连接。

将上述公式(1)、公式组(2)或(3)或压力与a₁至a₈的对照表(附表1和附表2)输入PLC控制系统。程序编码方式不是本申请的技术目的，可以使用现有技术的任意一种方式。将针插式含水率探测仪的探针分别插入表层和各个次厚度层中，插入位置优选为表层与次厚度层的交界处或各个次厚度层的交界处，插入深度为2cm。

将木材100置于冷压板上并闭合热压板，至热压板接触木材100表面后开始计时。与此同时，或提前0.05～0.1s(这根据系统响应速度而定)，红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪获取第一个探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₁，并控制热压板以压力值P₁、进给速度v的状态压缩进给。4.25s(或同理的，提前0.05～0.1s，后文不再赘述)后红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪第二次获取第一个探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₂，并控制热压板调整至压力值P₂、进给速度v的状态压缩进给。8.5s后表层被压缩而形成第一个单元压缩形成层，与它相毗邻连接的厚度层成为第一个次厚度层。

与此同时，红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪获取第二个探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₃，并控制热压板调整至压力值P₃、进给速度v的状态压缩进给。12.75s后红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪第二次获取第一个探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₄，并控制热压板调整至压力值P₄、进给速度v的状态压缩进给。17s后第一个次厚度层被压缩而形成第二个单元压缩形成层。

重复上述方法，依次得到P₅至P₂₀，直至完成厚度为B₀的厚度层的压缩。由表层和次厚度层在压缩中形成的各个单元压缩形成层合并形成本实施例的压缩形成层。

作为参考，请参照图3，图3中示出了气干木材在单侧表面接触150℃的热板20s后的厚度和宽度方向的温度分布情况。显然，在宽度方向上，宽度两边与宽度中心位置的温度偏差可以忽略，所以本实施例中，以测量得到的某个次厚度层的宽度两边的温度值表示该厚度层的平均温度值是可信且准确的。请参照图4，图4中示出了气干木材在单侧表面接触150℃的热板20s后的厚度和宽度方向的含水率分布情况。显然，在宽度方向上，宽度两边与宽度中心位置的含水率偏差可以忽略，所以本实施例中，以测量得到的某个次厚度层的靠近宽度两边的温度值表示该厚度层的平均含水率值是可信且准确的。以上的研究均来自于现有技术的公开文献，此处不多赘述。

根据上述方法测算得到本实施例执行的P₁至P₂₀值参照表1所示。本实施例制备得到的压缩木的剖面密度分布图参照图5所示。

表1.实施例1执行的压缩处理工艺

显然，通过本实施例的技术方案，能够根据产品目标参数反推出较为准确的压缩工艺。

本实施例的方法在适用于批量生产时，可以通过重复上述过程5～10次，获得P₁至P₂₀值的平均值，以平均值作为这一批次的产品的实施工艺。前述表1为10次重复实验得到的平均值，并以表1记载的工艺对一批共计200片木材100进行单侧压缩处理得到200片压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为2.05mm，批次内的厚度偏差小于5％；该批次的压缩形成层201的平均密度为881kg·m^-3，批次内的密度偏差小于8％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于5％。由此，可以认为对一个批次的木材100进行有限次的含水率、温度采集，并根据本申请实施方式的计算模型得到的平均压力值组，能够使该批次的木材压缩后得到产品指标较为一致的压缩木200，所以本申请实施方式的密度可控的压缩木制备方法对生产工艺的指导是准确、高效和简单的。

本领域技术人员能够根据需要的精度调整各个探测点获取温度与含水率的时间间隔。

实施例2

在实施例1的基础上，参照图6所示，实施例2的产品目标是得到具有总厚度为2mm的压缩形成层201的压缩木200。特别的，压缩形成层201是由厚度为0.5mm的第一压缩形成层202、厚度为1mm的第二压缩形成层203、以及厚度为0.5mm的第三压缩形成层204构成的夹心结构。其中，第一压缩形成层、第三压缩形成层的密度为870kg·m^-3(平均密度允许±20的偏差kg·m^-3)，第二压缩形成层的密度为670kg·m^-3(平均密度允许±20的偏差kg·m^-3)。为此，通过计算得到ΔB＝1.275mm，t＝63.9s。

表面厚度为B₀的厚度层的厚度方向上设置4个探测点，并假设表面至第1个探测点的厚度层为表层。第1个探测点的设置位置距离表面0.9mm，从第0s开始每3s获取一次温度与含水率，共计获取7次；第2个探测点的设置位置距离表面1.6mm，从第21.3s开始每3s获取一次温度与含水率，共计获取4次；第3个探测点的设置位置距离表面2.3mm，从第33.3s开始每3s获取一次温度与含水率，共计获取3次；第4个探测点的设置位置距离表面3.2mm，从第42.6s开始每3s获取一次温度与含水率，共计获取7次。

根据上述方法测算得到本实施例执行的P₁至P₂₁值参照表2所示。本实施例制备得到的压缩木的剖面密度分布图参照图7所示。

表2.实施例2执行的压缩处理工艺

本实施例利用表2记载的工艺对一批共计200片木材100进行单侧压缩处理得到200片单侧表层压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为2.15mm(在目标描述中，201的厚度是2mm，这里是不是应该修改为2.15mm.或是修改前面的目标。)，批次内的厚度偏差小于5％；该批次的第一压缩形成层202的平均密度为878kg·m^-3、第二压缩形成层203的平均密度为662kg·m^-3、第三压缩形成层204的平均密度为865kg·m^-3。

显然的，现有技术为了得到此种结构夹心结构的压缩形成层需要进行复杂的含水率计算，考察复杂且难于控制的含水率迁移控制、含水率与温度的耦合控制等，得到的产品与目标产品的对应度相对较低，产品重复在现性差。而本实施能够以时间为基准，给出准确的、再现性高的工艺指导。

实施例3

在实施例1的基础上，实施例3的各个时间段施加的实际压力值较计算压力值小0.1MPa。

本实施例执行的P₁至P₂₀值参照表3所示。

表3.实施例3执行的压缩处理工艺

本实施例利用表3记载的工艺对一批共计200片木材100进行单侧压缩处理得到200片单侧表层压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为2.07mm，批次内的厚度偏差小于5.5％；该批次的压缩形成层201的平均密度为886kg·m^-3，批次内的密度偏差小于6.7％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于4.2％。

实施例4

在实施例1的基础上，实施例4的各个时间段施加的实际压力值较计算压力值大0.15MPa。

本实施例执行的P₁至P₇值参照表4所示。

表4.实施例4执行的压缩处理工艺

本实施例利用表4记载的工艺对一批共计200片木材100进行单侧压缩处理得到200片单侧表层压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为1.95mm，批次内的厚度偏差小于5.8％；该批次的压缩形成层201的平均密度为892kg·m^-3，批次内的密度偏差小于6.7％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于5.1％。

由实施例3、实施例4的批量实验结果可知，本申请实施方式的制备方法在压力控制时，允许一定程度的调解误差，以及短暂升压的时间延迟也是可以被接受的。

实施例5

在实施例1的基础上，温度通过K型热电偶获得；含水率通过X-射线剖面密度分布测定仪获取密度后根据现有技术的推算模型推算当时含水率，推算过程由PLC控制系统执行。可选的推算模型例如，采用直线插值和加权平均方法，求出每层平均密度，再根据任意时刻木材每层密度、尺寸和对应层绝干状态下的密度、尺寸，采用下列公式可以计算出任意时刻木材中任意层的含水率。

式中：U、G、ρ、L、W、h分别表示含水率(％)、质量(g)、初始密度(kg·m^-3)、长度(mm)、宽度(mm)、每层厚度(mm)；下标i、j分别表示某测量时刻和层数(1～N)，其中第一层与第N层为表面层；由于干燥过程中木材纵向收缩非常小，实际计算时可将纵向尺寸视为常数。

本实施例执行的P₁至P₂₀值参照表5所示。

表5.实施例5执行的压缩处理工艺

本实施例利用表5记载的工艺对一批共计200片木材100进行单侧压缩处理得到200片单侧表层压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为2.08mm，批次内的厚度偏差小于4％；该批次的压缩形成层201的平均密度为855kg·m^-3，批次内的密度偏差小于6.8％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于4.5％。

实施例6

在实施例1的基础上，实施例6的产品目标是得到如图8所示的具有厚度为2mm(B₁)、密度为870kg·m^-3(ρ₁)的压缩形成层201的压缩木200，压缩形成层201位于压缩木200的两侧表层。

一、压缩木制备方法的计算与设定

为得到两侧的厚度为B₁、密度为ρ₁的压缩形成层201，需要对木材100表面厚度为B₀的厚度层实施双侧表层压缩处理。根据ΔB＝(ρ₁/ρ₀-1)*B₁计算可得两侧的压缩量共计ΔB＝3.4mm。换言之，木材100的上、下表层各有厚度为3.7mm的厚度层受到压缩。

采用双侧表面压缩技术，设定压机的上压板、下压板均为热压板，通过导热油循环系统控制温度恒定为150℃。设定压缩进给速度(即热压板)下压速度v＝0.03mm/s；根据t＝ΔB/v可得压缩持续时间t＝113s。

每侧表面厚度为B₀的厚度层的厚度方向上等间距设置10个探测点，由上表面向芯层记为上第1至第10探测点，由下表面向芯层记为下第1至第10探测点，并假设上表面至上第1个探测点和下表面至下第1探测点的厚度层为表层，每个探测点以5.65s的时间间隔进行2次测量，相邻探测点的测量时间间隔为11.3s。

二、密度可控的压缩木制备方法

以下通过展示本实施例的工艺参数流水具体阐述如何通过测量获取温度、含水率值，如何调整热压板的压力，以及如何实施该种密度可控的压缩木制备方法。

使用的设备、仪器，PLC控制系统的控制方法、计算方法，仪器的使用方法、测量方法均与实施例1相同。

将木材100置于下热压板后快速闭合上热压板，至上热压板接触木材100表面后开始计时。与此同时，红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪获取上/下第1探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₁与P₂₁，平均后得到实际执行的P₁并控制热压板以该压力值、进给速度v的状态压缩进给。5.65s后红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪第二次获取第1探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，PLC控制系统根据上述公式(1)、公式组(2)或(3)计算得到压力值P₂与P₂₂，平均后得到实际执行的P₂并控制热压板调整至该压力值、进给速度v的状态压缩进给。11.3s后上/下表层被压缩而形成上/下第一个单元压缩形成层，与它们相毗邻连接的厚度层成为上/下第一个次厚度层。

与此同时，红外线温度检测系统、针插式含水率探测仪获取上/下第2探测点的温度与含水率，并将温度值与含水率值反馈PLC控制系统，计算得到压力值P₃与P₂₃，平均后得到实际执行的P₃并控制热压板调整至该压力值、进给速度v的状态压缩进给。

重复上述方法，依次得到P₄至P₂₀，直至完成上/下厚度为B₀的厚度层的压缩。由两侧表层和次厚度层在压缩中形成的单元压缩形成层合并形成本实施例的压缩形成层201，且压缩形成层201位于压缩木200的两侧表层。

根据上述方法测算得到本实施例执行的P₁至P₂₀值参照表6所示。本实施例制备得到的压缩木的剖面密度分布图参照图9所示。

表6.实施例6执行的压缩处理工艺

本实施例利用表6记载的工艺对一批共计200片木材100进行双侧压缩处理得到200片压缩木200。经检验，该批次的压缩形成层201的平均厚度为1.97mm，批次内的厚度偏差小于5％；该批次的压缩形成层201的平均密度为873kg·m^-3，批次内的密度偏差小于5.5％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于4％。

实施例7

在实施例1的基础上，实施例7的产品目标是将厚度为10mm的木材100压缩得到整体的压缩木200，压缩木200的密度为750kg·m^-3(ρ₁)、平均密度偏差±15kg·m^-3。

为得到密度为ρ₁的整体压缩的压缩木，需要对木材100实施双侧压缩处理。根据ΔB＝(1-ρ₀/ρ₁)*B₀计算可得整体的压缩量共计ΔB＝6mm。

采用双侧整体压缩技术，设定压机的上压板、下压板均为热压板，通过导热油循环系统控制温度恒定为150℃。设定压缩进给速度(即热压板)下压速度v＝0.03mm/s；根据t＝ΔB/v可得压缩持续时间t＝200s。

在木材100的厚度方向上等间距设置20个探测点，由上表面向芯层记为第1至第10探测点，由下表面向芯层记为第11至第20探测点，并假设上表面至第1个探测点和下表面至第11探测点的厚度层为表层，每个探测点以2s的时间间隔进行10次测量，相邻探测点的测量时间间隔为20s。

使用与实施例6相同的方法得到P₁至P₁₀₀的值，并以此工艺使木材100发生整体压缩，得到压缩木200。

根据上述方法测算得到本实施例执行的P₁至P₁₀₀值参照表7所示，为精简目的，表7中仅示出P₁、P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁、P₅₁、P₆₁、P₇₁、P₈₁、P₉₁共计10个压力值。本实施例制备得到的压缩木的剖面密度分布图参照图10所示。

表7.实施例7执行的压缩处理工艺

本实施例利用表7记载的工艺对一批共计200片木材100进行整体压缩处理得到200片压缩木200。经检验，该批次的压缩木200的平均厚度为4.5mm，批次内的厚度偏差小于12％；该批次的压缩木200的平均密度为734kg·m^-3，批次内的密度偏差小于5.5％，同一单侧表层压缩木200的压缩形成层201内的密度偏差小于5.4％。

以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主体的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主体考虑为所公开的申请主体的一部分。

附表1.压力与a₁～a₈的对照表(I)

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附表2.压力与a₁～a₈的对照表(II)

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Claims (7)

1.一种密度可控的压缩木制备方法，包括木材在由热压板提供的温度与压力环境下被压缩的方法，其特征在于，压缩过程开始时，所述热压板提供的压力与所述木材的表层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述表层被压缩；压缩过程进行中，所述热压板提供的压力与所述木材的次厚度层的温度、含水率相适应，从而在所述压力下有且仅有所述次厚度层被压缩，所述次厚度层与压缩形成层毗邻连接；

所述表层或所述次厚度层被压缩后形成的单位压缩形成层的密度与它发生压缩时的温度、含水率的对应关系为：

ρ=a₁+a₂×T+a₃×T₂+a₄×T₃+a₅×U+a₆×U₂+a₇×U₃+a₈×T×U；

同时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈分别具有线性对应关系；

式中，ρ为所述表层或所述次厚度层被压缩后形成的单位压缩形成层的密度，T为发生压缩时所述表层或所述次厚度层的温度，U为发生压缩时所述表层或所述次厚度层的含水率；

当所述压力为4-6MPa时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈的对应关系分别为：

a₁=7.522×P+427.914；

a₂=0.112×P+0.768；

a₃= -0.0075×P+0.058；

a₄=1.55×P-60.1；

a₅=2.9715×P+5.732；

a₆=-0.0035×P-0.205；

a₇=-0.002×P+0.014；

a₈=0.02×10^-5×P+1×10^-5；

当所述压力为6~8MPa时，所述压力与a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈的对应关系分别为：

a₁=11.141×P+406.2；

a₂=0.2045×P+0.213；

a₃= -0.0005×P+0.016；

a₄=-2.25×P-37.3；

a₅=-2.204×P+36.785；

a₆=0.298×P-2.014；

a₇=-0.01×P+0.062；

a₈=0.07×10^-5×P+0.7×10^-5；

式中，P为发生压缩时所述表层或所述次厚度层受到的压力。

2.根据权利要求1所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，所述压力小于能够使所述压缩形成层被压缩的压力值，并大于等于所述次厚度层能够被压缩的压力值。

3.根据权利要求2所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，所述压力与所述次厚度层能够被压缩的压力值的偏差为±0.2MPa。

4.根据权利要求1所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，所述热压板与所述木材的第一表面接触并提供温度，冷压板与所述木材的第二表面接触并使所述第二表面维持与所述冷压板相同的温度。

5.根据权利要求1所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，所述压缩形成层的厚度通过压缩处理的持续时间控制。

6.根据权利要求1所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，压缩过程中所述热压板匀速进给。

7.根据权利要求5所述的密度可控的压缩木制备方法，其特征在于，压缩处理的持续时间通过下式计算：

t=(ρ₁/ρ₀-1)×B₁/v；

式中，t为压缩处理的持续时间，ρ₀为木材的初始密度，ρ₁为压缩形成层的目标密度，B₁为压缩形成层的目标厚度，v为压缩进给速度。