重載纖維模塑材料熱壓成型的傳熱規(guī)律研究

王全亮，肖生苓

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

重載纖維模塑材料熱壓成型的傳熱規(guī)律研究

王全亮，肖生苓

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

以重載纖維模塑材料為研究對(duì)象，采用多通道溫度傳感器和稱重法測(cè)定材料不同位置的溫度與含水率變化，研究了重載纖維模塑材料熱壓成型傳熱過(guò)程的影響因素，揭示了材料內(nèi)部溫度隨含水率變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明：熱壓過(guò)程中，重載纖維模塑材料芯層溫度變化包含快速升溫、過(guò)渡、溫度維持和后升溫4個(gè)階段；漿種木素含量越低，升溫段的升溫速率越快；提高熱壓溫度和熱壓壓力均會(huì)導(dǎo)致芯層汽化溫度升高，降低熱壓溫度、熱壓壓力或定量均能縮小表層與芯層溫度差；熱壓過(guò)程中，重載纖維模塑板坯由表層至里層，溫度逐漸降低，含水率逐漸升高；芯層溫度與熱壓溫度和熱壓壓力均具有顯著線性正相關(guān)性，模型擬合優(yōu)度均較高（R2≥0.918），可以用熱壓溫度和熱壓壓力預(yù)測(cè)芯層溫度，其變化范圍在103.6～126.4 ℃之間。芯層溫度與芯層含水率具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系，可以通過(guò)芯層溫度預(yù)測(cè)出重載纖維模塑材料的芯層含水率。

重載纖維模塑；熱壓；傳熱；溫度分布；含水率

纖維模塑材料是近幾年發(fā)展迅速的新型材料，廣泛應(yīng)用于包裝、物流等領(lǐng)域。傳統(tǒng)纖維模塑材料承載能力一般較低，通常用于體積小、質(zhì)量輕的產(chǎn)品包裝。而重載纖維模塑材料是指本身具有較高緊度和強(qiáng)度的材料，可以滿足較大尺寸與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，模塑成型后的物流包裝器具能夠應(yīng)用于大型、重載機(jī)械設(shè)備的搬運(yùn)以及集合包裝等方面，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

熱壓一般是重載纖維模塑材料生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，它直接決定了最終產(chǎn)品的各項(xiàng)性能[3]。重載纖維模塑材料熱壓過(guò)程中，水熱環(huán)境的變化會(huì)引起纖維中碳水化合物不同程度的降解、木素的軟化、木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體的形成等，進(jìn)而直接影響重載纖維模塑材料的強(qiáng)度[4-7]。研究重載纖維模塑材料熱壓過(guò)程中的傳熱規(guī)律以及溫度與含水率的分布與變化，判斷其不同部位所發(fā)生的反應(yīng)及其程度，有助于重載纖維模塑材料熱壓成型機(jī)理的揭示。吳娟等[8]人利用溫度傳感器測(cè)量刨花板熱壓時(shí)芯層溫度變化的研究表明，熱壓溫度、初始含水率、目標(biāo)厚度和密度均對(duì)刨花板的熱壓傳熱過(guò)程有影響。陳勇平等[9]人對(duì)高頻熱壓膠合板坯內(nèi)的溫度場(chǎng)分布和變化規(guī)律的研究表明，高頻熱壓膠合中板坯內(nèi)溫度以乘冪函數(shù)隨時(shí)間變化。景林等[10]人對(duì)磨石機(jī)械漿的植物纖維模塑餐具的熱壓成型原理進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬了圓筒形植物纖維模塑餐具熱壓溫度與時(shí)間的關(guān)系。張揚(yáng)等[11]對(duì)熱壓成型纖維板斷面密度分布的研究表明，熱壓過(guò)程中纖維板溫度梯度的產(chǎn)生是斷面密度分布的重要因素，增大高壓壓力利于提高表層密度，增大低壓壓力利于心層密度及心層厚度的增大。郝曉峰等[12]對(duì)梓木蒸汽爆破過(guò)程傳熱數(shù)值模擬研究表明，基于傅里葉導(dǎo)熱定律建立的一維蒸汽爆破過(guò)程中傳熱模型，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)板材的升溫過(guò)程以及木材內(nèi)水蒸氣飽和蒸汽壓分布。

在國(guó)外，主要是基于數(shù)值模擬對(duì)纖維材料成型過(guò)程的傳熱規(guī)律進(jìn)行研究。Kavazovic等[13]對(duì)中密度纖維板熱壓過(guò)程傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的靈敏度研究表明，纖維板的導(dǎo)熱系數(shù)，外邊界對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，氣體滲透率對(duì)板內(nèi)溫度、氣壓和含水率的影響最為顯著。同時(shí)，初始含水率對(duì)熱壓過(guò)程中纖維板內(nèi)部氣體壓力有很大的影響。Kang等[14]對(duì)低密度木材和高密度纖維板傳熱與熱效率的研究表明，高密度纖維板熱傳遞過(guò)程中的熱損失高于低密度木材。Gupta等[15]對(duì)中密度纖維板熱壓過(guò)程中傳熱和傳質(zhì)建模的研究表明，熱傳遞是通過(guò)溫度梯度引起的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，以及脲醛樹(shù)脂固化而釋放的熱能進(jìn)行，而水相運(yùn)輸則是通過(guò)總壓力和濃度梯度引起的體流擴(kuò)散進(jìn)行。

過(guò)去對(duì)刨花板、膠合板等的熱壓傳熱過(guò)程研究較多，而對(duì)重載纖維模塑材料熱壓傳熱過(guò)程的研究卻鮮有報(bào)道，而且以往的研究多集中在以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的傳熱分析，誤差較大，很難準(zhǔn)確描述熱壓的傳熱過(guò)程。本試驗(yàn)采用較高精度的多通道熱電偶對(duì)重載纖維模塑板坯的傳熱過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)探測(cè)不同位置的溫度變化，采用稱重法測(cè)定材料不同位置的含水率變化，目的是分析重載纖維模塑材料熱壓成型傳熱過(guò)程的影響因素，研究重載纖維模塑材料熱壓成型的傳熱過(guò)程,確定內(nèi)部溫度隨含水率變化的規(guī)律，為重載纖維模塑材料制備工藝優(yōu)化和成型機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廢紙板，購(gòu)自哈爾濱某廢紙回收站。將廢紙板裁切成約20 mm×20 mm的片狀，水中浸漬4 h以上，打漿機(jī)中疏解與打漿，制得40 °SR的廢紙板漿（Waste paperboard pulp，WPP）。

楊木片，購(gòu)自吉林省白河林業(yè)局，尺寸為（20～50）mm×（20～30）mm。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Wcr）8%NaOH水溶液、液比1∶4和溫度90 ℃的條件下蒸煮楊木片120 min，經(jīng)盤磨機(jī)磨漿與打漿機(jī)疏解打漿，制得40 °SR楊木高得率漿（High yield pulp，HYP）。在30%（Wcr）NaOH水溶液、5%（Wcr）蒽醌、液比1∶4和溫度160 ℃的提件下蒸煮楊木片120 min，經(jīng)打漿機(jī)疏解打漿，制得40 ° SR的楊木化學(xué)漿（Chemical pulp，CP）。

1.2 儀器設(shè)備

ZG-20T型壓片機(jī)，東莞市正工機(jī)電設(shè)備科技有限公司；FLANK8855型多通道熱電偶測(cè)溫儀，深圳市富蘭克儀器儀表有限公司；ZPS-300型盤磨機(jī)，吉林市路銘造紙機(jī)械有限公司；101-3A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；ZT4-00型實(shí)驗(yàn)打漿機(jī)、Z717-00型紙漿打漿度儀和ZT7-01型紙樣成形器，興平市中通試驗(yàn)裝備有限公司；BX53型生物顯微鏡，上海賴氏電子科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

依照國(guó)家木材原料化學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行取樣和測(cè)定3種樣品的化學(xué)成分，采用Klason法測(cè)定木質(zhì)素含量；采用亞氯酸鈉法測(cè)定綜纖維素含量；采用二溴化法測(cè)定聚戊糖含量[16]。在生物顯微鏡下，根據(jù)Herzberg染色劑的顏色及纖維形態(tài)特征，鑒別纖維種類并計(jì)算纖維配比[17]。每組纖維載玻片平行制備5塊，每塊觀察纖維總數(shù)在200根以上，各指標(biāo)取平行試樣的平均值。

為了實(shí)驗(yàn)具有可操作性，將每塊試件的漿料平均分成7等份，進(jìn)行分層鋪裝。每層板坯（直徑0.2 m）由抄紙機(jī)抄制，自動(dòng)壓片機(jī)上冷壓（壓力2 MPa，時(shí)間15 min），電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥（105 ℃）控制初始含水率。層與層之間用紗布隔開(kāi)（紗布起分層作用，同時(shí)不影響熱壓過(guò)程中水分傳遞）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱壓過(guò)程中，重載纖維模塑材料幾何對(duì)稱位置的溫度與水分變化差異較小，可認(rèn)為溫度與水分對(duì)稱分布，故僅取每塊試件由上至下的前4層，分別用S（表層）、B、C和M（芯層）表示。為監(jiān)測(cè)不同位置的溫度變化，將溫度傳感器探頭（量程-50～200 ℃，精度0.1 ℃）布置于每層板坯內(nèi)部的中心位置，記錄熱壓過(guò)程中每層板坯的溫度變化，直至各層溫度達(dá)到最終穩(wěn)定的熱壓溫度。為監(jiān)測(cè)不同位置的含水率變化，熱壓過(guò)程中每隔一定時(shí)間稱量并記錄各層的質(zhì)量變化，直至完成熱壓干燥。試驗(yàn)中，為保證水蒸氣從試樣表面順利溢出，分別在試樣上下表面放置不同目數(shù)的濾網(wǎng)各7層，保證水分能夠從廣域的試樣兩側(cè)表面溢出。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維原料主要種類及化學(xué)成分的測(cè)定結(jié)果

不同原料來(lái)源的WPP纖維種類與配比不同，經(jīng)顯微鏡觀察并統(tǒng)計(jì)，WPP主要來(lái)源于木纖維，其中，針葉木纖維數(shù)量約占19.05%。WPP中主要包含化學(xué)漿纖維（59.4%）和高得率漿纖維（40.6%）。因此，可以將WPP看作是化學(xué)漿纖維和高得率漿纖維按40.6∶59.4比例混合的纖維原料。

從表1可看出，HYP的木質(zhì)素含量均明顯高于WPP和CP。分析原因是HYP主要通過(guò)機(jī)械磨解作用分離纖維，除了輕度的化學(xué)預(yù)處理使部分半纖維素溶出外，其他化學(xué)成分基本保留。而CP是在深度化學(xué)藥劑作用下分離纖維，導(dǎo)致絕大部分木素溶出。因此，HYP中保持著較高的木質(zhì)素含量，而CP木素含量最低。

表1 纖維主要化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果Table 1 The main chemical composition of fiber determination results

2.2 不同漿種的重載纖維模塑材料溫度變化規(guī)律

不同漿種的重載纖維模塑材料，導(dǎo)熱系數(shù)不同，溫度變化不同。以HYP、CP、WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2、初始含水率60%、溫度150 ℃、壓力8 MPa）為例，探究不同漿料模塑成型的溫度變化規(guī)律，如圖1所示。在相同熱壓工藝條件下熱壓成型時(shí)，溫度變化表現(xiàn)為4個(gè)階段，即快速升溫段、過(guò)渡段、溫度維持段和后升溫段，對(duì)應(yīng)圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ段。在快速升溫段和過(guò)渡段，壓機(jī)熱壓板供給試件的熱量主要用于其濕坯溫度的升高。在溫度維持段，熱壓板供給試件的熱量主要用于水分的汽化，芯層溫度變化較小。在后升溫段，熱壓板供給試件的熱量主要轉(zhuǎn)化為板坯內(nèi)能，用于其溫度的升高。

圖1 不同漿種的重載纖維模塑材料溫度變化Fig.1 Change of temperature of heavy-duty fi ber molding material of different pulp

對(duì)于WPP模塑材料，Ⅲ段表層與芯層溫度差（?T）為20.2 ℃，其持續(xù)時(shí)間（t1）為65 min。HYP模塑材料?T為7.3 ℃、t1為74 min。CP模塑材料?T為14 ℃、t1為58 min。升溫段升溫速率由快到慢依次為CP、WPP和HYP模塑材料，?T由小到大依次是HYP、WPP和CP模塑材料，其持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)延長(zhǎng)。發(fā)現(xiàn)，漿種木素含量越低，升溫段升溫速率越快，Ⅲ段維持時(shí)間越短，這可能是由于木素本身是疏水性物質(zhì)，隨著木質(zhì)素含量增加，纖維模塑材料導(dǎo)熱系數(shù)降低[18-19]。

CP模塑材料水分集中汽化段出現(xiàn)了短期溫度下降現(xiàn)象，這可能是由于大量水分集中汽化以及CP因硬度小形成較大密度，使板坯內(nèi)產(chǎn)生較大蒸汽壓力，導(dǎo)致溫度瞬間升高，隨著汽化進(jìn)行，蒸汽壓力得以擴(kuò)散，溫度又漸漸回落，這與雷雅芳等人的研究結(jié)果一致[20]。

2.3 不同濕坯參數(shù)的重載纖維模塑材料溫度變化規(guī)律

熱壓成型時(shí)，定量和初始含水率是影響干燥過(guò)程濕坯的兩個(gè)重要參數(shù)。而在不同的熱壓工藝條件下，相同定量和初始含水率的重載纖維模塑材料溫度變化不同。以初始含水率為60%的WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2）為例，探究重載纖維模塑材料在不同熱壓溫度（壓力8 MPa）和熱壓壓力（溫度150 ℃）條件下的溫度變化規(guī)律，如圖2（a）、2（b）所示；以WPP模塑材料在相同熱壓條件下（溫度150 ℃、壓力8 MPa）成型為例，探究不同定量（初始含水率60%）和不同初始含水率（定量14.4 kg·m-2）的重載纖維模塑材料的溫度變化規(guī)律，如圖2（c）、2（d）所示。

由圖2(a)、2(b)可知，熱壓溫度越高，各升溫段升溫速率越快，S層與M層在ⅲ段維持時(shí)間越短，但溫度梯度增大。水分集中汽化段，溫度梯度越大，熱壓板向板坯單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量越多，水分汽化速率越快，故持續(xù)時(shí)間變短。提高熱壓壓力，各升溫段升溫速率加快，S層與M層在Ⅲ段溫度差明顯降低，且持續(xù)時(shí)間變短，干燥時(shí)間縮短。

由圖2(c)可知，不同定量的重載纖維模塑材料Ⅲ段的芯層溫度變化范圍在111～120 ℃之間，?T在14.6～20.2 ℃之間有小幅度增加，其持續(xù)時(shí)間與定量之間滿足y=5.604x-16.73,決定系數(shù)為0.995?？梢?jiàn)，定量增大，Ⅲ段的時(shí)間明顯延長(zhǎng)。定量增加，水分總量增大，水分集中汽化段時(shí)間變長(zhǎng)。

由圖2(d)可知，不同初始含水率的重載纖維模塑材料Ⅲ段的芯層溫度變化范圍在106～120 ℃之間。初始含水率在20%～40%之間增加時(shí)，?T在22～36 ℃之間逐漸降低，持續(xù)時(shí)間顯著增加，此時(shí)，重載纖維模塑材料主要靠汽化作用脫除水分，水分含量越高，汽化時(shí)間越久。當(dāng)初始含水率大于40%時(shí)，?T維持在20 ℃左右基本不變，其持續(xù)時(shí)間緩慢增加，此時(shí)，重載纖維模塑材料的水分首先在熱壓壓力作用下快速脫除一部分，然后進(jìn)入水分集中汽化段，故ⅲ段持續(xù)時(shí)間變化不明顯。

圖2 不同濕坯參數(shù)和熱壓工藝的重載纖維模塑材料溫度變化Fig.2 Variation of temperature of heavy fi ber forming materials with different wet billet parameters and hot pressing process

2.4 重載纖維模塑材料溫度與含水率的變化關(guān)系

熱壓過(guò)程中，隨著重載纖維模塑材料溫度變化，其含水率也不斷在變化。以WPP模塑材料（定量14.4 kg·m-2、初始含水率60%、溫度150 ℃、壓力8 MPa）為例，對(duì)各層溫度及含水率進(jìn)行測(cè)定，溫度與含水率分布及變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)、3(b)可知，整個(gè)熱壓過(guò)程中，溫度由表層至里層逐漸降低。集中汽化段的溫度梯度由表層至里層逐漸變小，表明熱量傳遞速率也逐漸降低。水分集中汽化階段的溫度梯度峰值由表層至里層依次出現(xiàn)，說(shuō)明重載纖維模塑材料內(nèi)部的熱量傳遞滯后于表層。

由圖3(c)、3(d)可知，整個(gè)熱壓過(guò)程中，含水率由表層至里層逐漸升高。在集中汽化段水分梯度的首個(gè)峰值出現(xiàn)之前，水分梯度由表及里逐漸降低，隨著水分?jǐn)U散進(jìn)行，水分梯度開(kāi)始變化為外層水分梯度降低，里層依次出現(xiàn)梯度峰值。

圖3 溫度與水分分布及其梯度變化Fig.3 Temperature and moisture distribution and its gradient changes

2.5 重載纖維模塑材料溫度變化與熱量傳遞的關(guān)系

為探究重載纖維模塑材料熱壓時(shí)的熱量傳遞與溫度變化的關(guān)系，有必要建立二者之間的數(shù)學(xué)模型。試樣直徑（0.2 m）遠(yuǎn)大于最大試樣厚度（約0.01 m），同時(shí)，試樣兩側(cè)各布置7層濾網(wǎng)起氣體溢出通道作用，保證水分能夠主要從廣域的試樣兩側(cè)表面溢出，故Ⅲ段可近似認(rèn)為是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。此時(shí)，熱通量dQ/dx與溫度梯度dt/dx之間滿足傅立葉導(dǎo)熱方程[21-25]，即

式（1）中：q為熱通量（W·m-2）；Q為單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，即傳熱速率（W）；S為垂直于樣品熱流方向的橫截面積（m2）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)[W·(m·K)-1]；dt/dx為溫度梯度（K·m-1）。

該方程建立了物體內(nèi)部溫度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的聯(lián)系?？梢钥闯觯冖蠖?，重載纖維模塑材料單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。溫度探頭等距離布置，相鄰探頭的溫度差可表征溫度梯度；同時(shí)，在Ⅲ段，重載纖維模塑材料已基本定型，橫截面積一定。故相鄰溫度探頭的溫度差越大，加熱板單位時(shí)間向重載纖維模塑材料傳導(dǎo)的熱量越多。

2.6 重載纖維模塑材料芯層溫度與熱壓溫度及壓力的定量關(guān)系

重載纖維模塑材料熱壓過(guò)程中，溫度梯度主要發(fā)生在Ⅲ段，探究此時(shí)材料內(nèi)部的溫度變化，對(duì)成型、物理力學(xué)性能等分析具有重要意義。由2.3分析可知，Ⅲ段溫度主要與熱壓溫度和壓力有關(guān)，而受濕坯參數(shù)影響較小。表2為表層及芯層溫度與熱壓溫度、熱壓壓力及含水率變化的原始數(shù)據(jù)，其中，各熱壓試件?、蠖蔚钠骄鶞囟茸鳛楸韺优c芯層溫度。

表2 溫度變化與含水率變化的原始數(shù)據(jù)Table 2 Raw data for temperature changes and moisture content changes

由表2可知，隨熱壓溫度與壓力變化，芯層溫度變化較小，在103.58～126.38 ℃之間。而表層溫度隨熱壓溫度變化較大，隨熱壓壓力變化較小。

表層與芯層溫度隨熱壓溫度和壓力的變化均呈線性變化，為定量表示其變化關(guān)系，分別以表層與芯層溫度為因變量，熱壓溫度和壓力為自變量，依據(jù)表2數(shù)據(jù)，進(jìn)行一元線性回歸分析。借助Excel 統(tǒng)計(jì)軟件包，利用普通最小二乘法，得到回歸模型，如表3所示。各回歸方程決定系數(shù)R2均在0.918以上，可以認(rèn)為模型有很好的擬合優(yōu)度。

表3 表層和芯層溫度與熱壓溫度及壓力的線性關(guān)系式Table 3 Surface and core temperature and hot pressing temperature and pressure linear relationship

2.7 重載纖維模塑材料芯層溫度與含水率的定量關(guān)系

重載纖維模塑材料熱壓成型過(guò)程中，芯層含水率變化比較接近真實(shí)情況，但試驗(yàn)過(guò)程較復(fù)雜，為更加方便檢測(cè)芯層的含水率值，本研究以芯層溫度為切入點(diǎn)，研究芯層溫度與含水率之間的定量關(guān)系。取2.4中試樣在水分集中汽化段的芯層溫度為因變量，含水率為自變量（見(jiàn)表2），對(duì)二者進(jìn)行一元線性回歸分析，得到回歸模型。

式（2）中：y為芯層溫度（℃），x為含水率（%）。

模型相關(guān)系數(shù)為0.971，決定系數(shù)為0.942，可以認(rèn)為模型有很好的擬合優(yōu)度。由圖4可知，芯層溫度與含水率具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)已知芯層溫度的情況下，利用該模型來(lái)預(yù)測(cè)芯層含水率是比較可靠的。

圖4 芯層含水率與溫度的散點(diǎn)Fig. 4 Scattering plot of core moisture content and temperature

3 結(jié)論與討論

通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn)，熱壓過(guò)程中，溫度在重載紙漿模塑板坯中對(duì)稱分布，其芯層溫度變化表現(xiàn)為4個(gè)階段：快速升溫段、過(guò)渡段、溫度維持段和后升溫段?？焖偕郎囟魏瓦^(guò)渡段，熱壓板供給重載紙漿模塑材料的熱量主要用于其濕坯溫度的升高。溫度維持段，熱量主要用于水分的汽化。后升溫段，熱量主要轉(zhuǎn)化為板坯內(nèi)能。這與目前報(bào)道的刨花板、膠合板等的溫度變化略有不同，因?yàn)榕倩ò宓葌鹘y(tǒng)木質(zhì)材料是基于膠黏劑成型，初始含水率較低，并沒(méi)有明顯的溫度維持段。

漿種木素含量越低，升溫段升溫速率越快，溫度維持段時(shí)間越短。提高熱壓溫度和熱壓壓力均會(huì)導(dǎo)致芯層汽化溫度升高，降低熱壓溫度、熱壓壓力或定量均能縮小表層與芯層溫度差。熱壓過(guò)程，集中汽化段的溫度梯度由表層至里層逐漸變小，水分梯度峰值由表層至里層先后出現(xiàn)。熱壓成型過(guò)程中，重載纖維模塑材料溫度維持段芯層溫度在103.58～126.38 ℃之間。芯層溫度與熱壓溫度、熱壓壓力和芯層含水率均具有較好的線性正相關(guān)性。其中，芯層溫度與芯層含水率滿足y=-0.327 1x+128.931 8（R2≥ 0.942），可以通過(guò)芯層溫度預(yù)測(cè)出材料的芯層含水率，為重載纖維模塑材料工藝優(yōu)化和成型機(jī)理研究提供參考。

稱重法的水分測(cè)量雖然能夠獲得材料成型過(guò)程中的水分分布與變化，但由于材料是分層設(shè)計(jì)和隔時(shí)稱重，使得成型過(guò)程中的水分傳遞環(huán)境發(fā)生一定程度的變化，進(jìn)而使水分變化與溫度變化出現(xiàn)一定的時(shí)差。所以，下一步的研究要改進(jìn)水分測(cè)量手段，降低分層設(shè)計(jì)的界面和隔時(shí)稱重對(duì)水分傳遞的影響，以獲得水分和溫度同步變化的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)與理論支撐。

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Study on heat transfer law of overloaded molded fi ber materials under hot pressing

WANG Quanliang, XIAO Shengling
(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

The influencing factors of heat transfer process of hot-press forming of overloaded molded fiber materials were studied,and the regularity of internal temperature change with water content was studied.The temperature and moisture content of different materials were measured by multi-channel temperature sensor and weighing method respectively.The results show that the temperature change of core layer of overloaded molded fi ber materials can be divided into four stages containing rapid heating section, transition section, temperature maintenance section and post - warming section during hot pressing. The lower the content of lignin, the faster the rate of temperature rise.Increasing the hot pressing temperature and hot pressing pressure will lead to the increase of the vaporization temperature of the core layer, reducing the hot pressing temperature, pressing pressure or quantifying the difference between the surface layer and the core layer.During the hot pressing process,The temperature gradually decreased and the water content gradually increased from the surface layer to the inner layer of the overloaded molded fi ber materials slab. The temperature of the core layer has a signi fi cant positive correlation with the hot pressing temperature and the hot pressing pressure, and the model goodness is high (R2≥0.918). The temperature of the core can be predicted by the hot pressing temperature and hot pressing pressure and its variation range is between 103.6℃ and 126.4℃. The core layer temperature has a good linear correlation with the water content of the core layer, and the core layer moisture content of the overloaded molded fi ber materials can be predicted by the core temperature.

overloaded molded fi ber; hot pressing; heat transfer; temperature distribution; moisture content

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.022

http: //qks.csuft.edu.cn

S781；TB484.1

A

1673-923X(2017)12-0139-07

2017-04-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572016AB69）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0601004）

王全亮，博士研究生

肖生苓，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：shenglingxiao@126.com

王全亮，肖生苓.重載纖維模塑材料熱壓成型的傳熱規(guī)律研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(12): 139-145.

[本文編校：文鳳鳴]