doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.018中图分类号：S781.37
潘彪1，石江涛1，朱一辛1，阙泽利1，陈磊2
（1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京210037；2.杭州新竹文化创意有限公司）
摘要：以人工林杉木纵横交错排层积材为基材，采用网状导电节点连接与热熔胶（PUR）胶合制备地热地板，测定其导热效能、通电后温度变化、连续通电后的耐热干缩率以及耐湿膨胀率，并与杉木纵横交错层积材、径切板、弦切板进行比较。结果表明：地热地板通电1 h后板面平均温度达到29.8 ℃，连续通电72 h的耐热干缩率和80%湿度处理的耐湿膨胀率均可满足木质地板采暖国家标准的相关要求。杉木板材的纵横交错层积排列有效地提高了耐热干缩率和耐湿膨胀率，完全可以用作地热地板的基材，为低等级杉木在地热地板中的应用及高附加值产品开发提供了理论依据。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：速生杉木；地热地板；纵横交错层积材； 耐热干缩率； 耐湿膨胀率
Development of electrical heated wood flooring using cross?laminated Chinese fir as core layer
∥
PAN Biao， SHI Jiangtao， ZHU Yixin， QUE Zeli， CHEN Lei
Abstract：Electrical heated wood flooring using cross?laminated fast?grown Chinese fir as core layer was developed. The flooring is connected by conductive node network and glued by hot melt adhesive. The heat conduction， temperature variation， shrinkage and swelling of the heated samples were measured and compared with that of cross?laminated， quarter?sawn or flat?sawn Chinese fir boards. The results showed that the sample temperature reached 29.8 ℃ after 1 h heating. The shrinkage after 72 h heating and the swelling after the 80% relative humidity could meet the demands of the national stan?dard on wood floor heating system. The cross?laminated structure effectively improves the dimensional stability of the floo?ring and is a qualified core layer structure， which provides a theoretical basis on the utilization of fast?grown Chinese fir in radiant floor heating system or other high value?added products.
Key words：fast?grown Chinese fir； electrical heated wood flooring； cross?laminated timber；shrinkage；swelling
First author’s address： College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
收稿日期：2015-01-04
修回日期：2015-03-19
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAD24B00）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。
作者简介：潘彪（1963-）， 男， 教授， 主要从事木材科学与技术研究。E?mail： pan.biao@163.com
近年来，低等级人工速生林木材的高附加值和多功能高效利用成为木材科学研究的热点。地热地板是一种新的功能性产品，其性能在很大程度上受板材的物理性质［1］、含水率［2］、基材的尺寸稳定性［3］，基材组合方式［4］、装饰面板种类［5］、发热电缆间距［6］等因素的影响。由于地板采暖的特殊性，不仅要求地板的热传导效率，更重要的是如何解决地板在采暖过程中由于干缩湿胀引起的尺寸变形［7］、开裂［8］等问题。因此，提升复杂温、湿度环境中地热地板的尺寸稳定性尤为重要。此外，在实际使用过程中，加热膜与地板的黏合及老化严重限制了该产品的性能与利用。
本研究采用低等级人工林杉木纵横交错层积材为基材，结合网状导电节点连接和热熔胶（PUR）加热方式制备地热地板，测定其在通电加热过程中的温度变化、导热效能和尺寸稳定性，并与杉木径切板、弦切板及纵横交错层积材的性能进行比较，优化地板基材结构及加热装置的排列方式，为低等级木材地热地板高效利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1原材料与设备
1）基材：福建杉木小径材径切板、弦切板、纵横交错层积材。
2）面板：柞木薄板（厚4 mm），均购于南京双林木业公司。
3）导热膜：（长×宽为1 785 mm×4 mm，电阻4.5 kΩ，发热功率10.5 W，额定电压220 V，额定电流0.06 A）购于南京双林木业公司。
4）胶黏剂：脲醛树脂胶黏剂（基材热压）、热熔胶（面板与基材胶合）。
5）设备与工具：刨床（MB60-100），铣槽机（MC2038），热压机（RYJ （A06F）），涂胶辊，电热恒温干燥箱（HG 202），电子湿度仪，电子天平（BS 224S），游标卡尺，导线、电插头、鳄鱼嘴夹头若干。
1.2地热地板制备
在宜兴森茂竹木业有限公司以杉木纵横交错层积材为基材，以柞木薄木为面板制备地热地板，采用整体、非连续的方式内嵌加热膜并胶合成型压制。主要工艺流程为：不同杉木基材板面刨光后通过铣槽机铣出浅槽，浅槽与导热膜的宽度和厚度相同，在铣槽的一面用涂胶辊手动涂胶，嵌入导热膜压贴，地板两端露出适量导热膜，方便通电连接，然后贴面板热压，养生。
1.3导热效能测定
采用称质量法测定各板材的初始含水率。取3块地热地板，在每块上用铅笔画平行于长度方向和宽度方向的中心线，在离地热地板两端头10 cm处画平行于宽度方向的直线，在两条导热膜的中心以及离两侧边缘1.5 cm处画平行于长度方向的直线，共5条平行于长度方向的直线、3条平行于宽度方向的直线，总计15个交点作为测温点（图1）。地板通电，每隔2 h用红外测温仪测量15个点的温度，测定通电24，48 和72 h温度的变化。
1.4耐热干缩率、耐湿膨胀率测定
耐热干缩率：弦切板、径切板及纵横交错层积材，长×宽×厚为100 mm×100 mm×10 mm，各取10个试样，精确测量试样尺寸。将试样在60 ℃处理4 h，然后（103±2）℃烘干至质量恒定，冷却后立即测量试样尺寸，结果取平均值。地热地板，长×宽×厚为1 780 mm×195 mm×22 mm，取3个试样，准确测量通电加热72 h前后尺寸。干缩率计算公式：
y=L1-L0/L1×100%。（1）
式中：y为试件的尺寸干缩率，精确到0.01%；L1为试件初始尺寸，mm；L0为试件处理后尺寸，mm。
耐湿膨胀率：每种板材各取3个试样，规格同上，处理前测定板材尺寸和质量。采用钠盐饱和湿度法处理试样，在塑料密封箱中加入适量自来水，然后加入钠盐直至饱和，空气湿度为（80±3）%。处理7 d后每隔2 h称质量，当板材质量在2 h内变化量小于0.2%时记为质量恒定，快速称取试样质量并测量尺寸。膨胀率计算公式：
w=L0-L1/L1×100%。（2）
式中：w为试件的膨胀率，精确到0.01%；L1为试件初始尺寸，mm；L0为试件湿处理后尺寸，mm。
所有数据采用Origin 8.0和Excel 2007进行处理作图。
2结果与分析
2.1导热效能
导热效能是地热地板的重要指标之一，能够在1 h内达到或大于8 ℃的温度，同时能保持温度恒定。实验进行时室温（20.1±0.5） ℃，室内空气湿度（60±3）%，地热地板初始含水率为8.7%。以速生杉木人工林木材纵横交错层积材为基材，以柞木薄木为面板，采用网状导电节点连接，热熔胶（PUR）胶合制备的地热地板。通电不同时长各测温点的温度变化如图2所示。
由图2可知，通电1 h后地热地板板面平均温度为29.8 ℃，相对于通电前平均升高了9.77 ℃，达到了地热采暖用木质地板国家标准要求的通电1 h温度升高8 ℃的要求。但是地板板面不同点的温度分布不均，b、d两点温度上升较快且温度较高，最高温度达到40 ℃以上；a、c、e 3点温度上升较慢且温度较低，其中c点平均最低，最高温度均未超过35 ℃。这是由于b、d两点在导热膜铺装位置的正上方，热量传递较快，而a、e两点处于地热地板加热膜放置边缘，c点处于两条加热膜之间，这3点的温度变化取决于木材内部的热量传递。由于地热地板初始含水率为8.7%，通电温度升高后一部分热量传递给木材中的水分，因此地板表面的温度提升较慢，且最高温度低于加热膜正上方的b、d两点。在不同时长通电中，地板板面a、b、c、d、e点温度均呈现先增加，接着出现不同程度下降，然后又继续增加的变化规律（图2）。这些温度的变化都与通电时木材中水分迁移有关，木材各位置水分流失会带走部分热量。梁星宇等［9］在研究地板地热采暖中也发现水分移动导致温度变化。a、e两点由于处于地板边缘，外部与空气相通，空气分子距离大，传热慢，减缓了木材的传热效率［10］，所以温度变化幅度较大。随着通电时间延长，木材内部水分变少，移动越来越慢，温度逐渐趋于稳定。
2.2干缩率和湿胀率
图3各种板材从初始含水率（杉木板材含水率12.6%，杉木纵横交错层积材含水率12.3%）干燥至绝干状态与地热地板（含水率为8.7%）通电72 h后的干缩率变化。由图3可知，径切板径向干缩率平均值为1.31%，弦切板的弦向干缩率平均值为3.08%，而杉木纵横交错层积材宽度方向干缩率平均值为0.33%。纵横交错层积材的特点是将横纹和竖纹交错排布的规格木材胶合在一起，以达到更佳的强度和极高的尺寸稳定性。同一板材上不同用材的差异导致最终宽度方向上干缩率的变化。比较得知：相对于杉木板材，纵横交错层积材的耐热尺寸稳定性有很大程度提高。吴忠其等［11］在研究中也发现实木单板经纵横垂直交错胶合压制的复合地板基材有更好的耐湿尺寸稳定性。
地热地板连续通电72 h后长度、宽度和厚度均减小，其中长度方向干缩率为0.056%，宽度方向干缩率为0.021%，厚度干缩率为0.35%（图3）。长度方向干缩率是宽度方向干缩率的2.67倍，厚度干缩率是宽度方向干缩率的16.7倍。参考我国实木复合地板地热采暖标准（LY/T 1700—2007 地采暖用木质地板）要求，地热地板长度干缩率≤0.30%，宽度干缩率≤0.40%。据此，在模拟相似条件下，此次研究所制的地热地板长度方向干缩率和宽度方向干缩率均达到了标准要求。与径切板、弦切板和纵横交错层积材相比，地热地板增加了面板和热压过程，有效地提升了木材的尺寸稳定性。
表1为不同板材在温度（24±5）℃、湿度（80±3）%的条件下处理后长度、宽度和厚度尺寸的变化结果。由表1可见，各板材长度方向尺寸膨胀率均小于宽度和厚度方向尺寸膨胀率。其中径切板长度方向膨胀率为0.09%，弦切板长度方向膨胀率为0.08%，纵横交错层积材长度方向膨胀率为0.06%，地热地板长度方向膨胀率为0.04%。地热地板长度方向膨胀率达到地热采暖用实木复合地板标准（LY/T 1700—2007《地采暖用木质地板》，标准要求长度方向膨胀率≤0.20%）。纵横交错层积材的厚度膨胀率最大（2.12%），地热地板的厚度膨胀率最小（0.67%），后者较前者降低了1.45个百分点。弦切板的宽度方向膨胀率最大（1.09%），地热地板的宽度膨胀率最小（0.06%）；地热地板厚度膨胀率较弦切板低0.48个百分点，较纵横交错层积材降低了0.02个百分点。
3结论
以低等级人工林杉木纵横交错层积材为基材，以柞木薄木为面板，采用网状导电节点连接和热熔胶（PUR）胶合成功制备了地热地板。地热地板通电1 h后板面平均温度达到29.8 ℃，相对通电前升高了9.8 ℃，达到了木质地板采暖国家标准的要求。杉木纵横交错层积材（0.33%）的耐热干缩率明显优于杉木径切板（1.31%）和弦切板（3.08%）。用其作为基材的地热地板，连续通电72 h后长度方向干缩率为0.056%，宽度方向干缩率为0.021%，耐热尺寸稳定性符合地热采暖用木质地板要求。地热地板长度方向膨胀率仅为0.04%，较单独的纵横交错层积材降低0.02个百分点。地热地板宽度方向膨胀率为0.06%，其长度膨胀率耐热尺寸稳定性也符合地热采暖用木质地板要求。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］李廷贤， 刘艳华.地板辐射采暖地表温度分布特性的模拟研究［J］.制冷空调与电力机械， 2009， 37（7）：2968-2971.
［2］周永东. 实木地板坯料加工技术现状及趋势分析［J］.木材工业， 2014， 28（5）：28-31.
［3］吴忠其， 徐立， 姜俊， 等. 实木地板基材选用方法研究［J］.中国人造板， 2014（1）：10-12.
［4］何毅，熊国兵，叶小青，等.多层复合实木地板的热传导性能和尺寸稳定性［J］.南京林业大学学报：自然科学版，2006， 30（4）：43-46.
［5］陈庆庆， 王俊， 吉富堂， 等. 装饰面板及地板结构对实木复合地板导热性能的研究［J］.森林工程， 2015， 31（2）：84-87.
［6］贾明岩.地板辐射采暖电加热管传热过程影响分析［J］.低温建筑技术， 2011， 153（3）：115-117.
［7］王艳伟， 孙伟圣， 徐立， 等. 地采暖用实木地板的研究进展［J］.林业机械与木工设备， 2013， 41（6）：8-10.
［8］郭晓磊， 曹平祥， 那斌. 竹木复合地热地板表板开裂的研究［J］.木工机床， 2009， 115（2）：19-22.
［9］梁星宇， 李刚， 李晓平.地热采暖对地板性能的影响［J］.林业科技开发， 2006， 20（6）：31-34.
［10］Seo J，Jeon J，Lee J H，et al.Thermal performance analysis according to wood flooring structure for energy conservation in radiant floor hea?ting systems［J］.Energy and Buildings，2011，43（8）：2039-2042.
［11］吴忠其， 王艳伟， 姜俊， 等. 新型组坯结构多层实木复合地板环境适用性研究［J］.中国人造板， 2013（11）：15-17.
（责任编辑 葛华忠）