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基于杨木单板压密-热改性及表面数码喷印技术的结构-装饰一体化材料

桂诗涵  
【摘要】:速生人工林杨树因生长快、轮伐期短,被认为是替代天然林,满足人类生活需求,解决木材供需矛盾的有力方案。但其木材密度小、强度低、易变形、纹理弱,难以广泛、高值利用。本研究针对山东区域最主要的速生人工杨树木材存在的上述弊端和瓶颈问题,拟采用压缩密实化技术(即压密化技术)和高温热处理改性技术(即热改性技术)联合改性处理的技术方案,重点解决杨木力学强度低、尺寸稳定性差的关键问题;采用图案设计和数码喷印相结合的技术方案,重点解决杨木表面纹理弱的瓶颈问题;然后将两种技术方案有机结合,使杨木创制成结构-装饰一体化材料,旨在面向国民经济主战场,探索杨木应用于建筑结构与表面装饰等重要民生领域,实现高效、高值利用的绿色解决方案。首先,研究探索了杨木单板压密化和热改性处理技术的工艺优化,然后,通过正交胶合构筑单板层积复合材,并按照木结构材标准,评估复合材的力学强度;在此基础上,针对复合材表面图案化设计,通过问卷调查筛选图案风格,并借助绘图软件和数码喷印技术,实现杨木表面的装饰图案化,从而整体上将杨木单板复合构筑成结构-装饰一体化材料。研究结果如下:(1)杨木单板(3 mm厚)经压密化处理后的力学性能较未处理材显著提升,且性能及密度随压缩率的增加而增强。优化的压密工艺为初始含水率30%、热压温度120℃、热压压力12.5 MPa、热压时间1 h、压缩率60%。在此工艺下,压密单板的气干密度可达0.88 g/cm~3,较未处理单板提高125.6%;硬度在5 H-6 H之间,较未处理单板提高了5~6个硬度值;磨损率为53.4 mg/100r,较未处理单板下降82%;抗弯弹性模量达25.6GPa,较未处理板材提高346%;静曲强度达181 MPa,较未处理板材提高184%;弹性模量和静曲强度均超过GB 50005-2017《木结构设计标准》中强度等级为TC_T40的规定指标值(弹性模量12500MPa、静曲强度35MPa);但是压密化单板吸湿回弹膨胀率达4.97%(95%湿度下),较未处理材增加了55%,存在易发生形变弊端。(2)压密化单板进一步热改性处理的优化工艺:氮气氛围保护下,热改性温度为200℃、热改性时间为1 h。在此工艺下,压密-热改性后的单板气干密度达到0.85g/cm~3,抗弯弹性模量达到20.8 GPa,静曲强度达到147 MPa,仍超过GB 50005-2017《木结构设计标准》中等级为TC_T40的弹性模量和静曲强度指标值。热改性处理后的单板吸湿回弹膨胀率达到2.28%(95%湿度下),较压密处理材(4.97%)下降118%,达到预期目标。(3)将改性处理后的单板胶合为1.2cm的单板层积复合材,其中,压密单板层积复合材,抗弯弹性模量为27.7GPa,静曲强度为193MPa;压密-热改性单板层积复合材,抗弯弹性模量为14.8 GPa,静曲强度为126.8Mpa,顺纹抗压强度为64.8MPa,横纹抗压强度为31.6MPa,达到GB 50005-2017《木结构设计标准》中等级为TC_T40的弹性模量(12500MPa)、静曲强度(35MPa)、顺纹抗压强度(23.2MPa)指标,及横纹抗压(3.0MPa)最高强度指标;横截面硬度为7.75KN/mm~2,较相同厚度未处理单板胶合材提升144%。(4)聚焦结构材的表面图案化设计,面向室内背景墙应用,通过设计调查问卷,并对182名随机调查对象进行问卷调查,得出如下调查反馈结果:最受欢迎的图案元素分别为风景类,占比30.77%;几何类,占比24.17%;植物类,占比23.08%;最受欢迎的表现形式分别为肌理图案,占比40.11%;写意图案,占比26.37%;具象图案,17.58%;最受欢迎的排列方式分别为自由排列和发散排列,均占比28.56%,以及对称排列27.49%;最受欢迎的图案色系为浅色系,占比59.34%;此外,占比超过69%的人群选择图案时更加注重整体风格的搭配。以此结果作为后续图案设计的理论依据,并利用Photoshop、Adobe illustrator设计出目标图案,再通过数码喷印技术将图案印刷到改性后的杨木结构材表面,从而制备出结构-装饰一体化材料;最后,对一体化材料表面的图案进行满意度验证。问卷验证调查结果显示,图案纹样受到调查人群的普遍欢迎。本研究表明,通过压密-热改性技术可赋予杨木满足木结构材性能指标要求的关键力学强度;利用数码喷印技术,可在改性后的杨木结构材表面直接构筑出风格多样的装饰图案,满足不同人群个性化的定制需求。这为探索杨木实现高效、高值利用提供了创新解决方案。


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