废纸板，购自哈尔滨某废纸回收站。将废纸板裁切成约20 mm×20 mm 的片状，水中浸渍4 h以上，打浆机中疏解与打浆，制得40 °SR 的废纸板浆（Waste paperboard pulp，WPP）。

杨木片，购自吉林省白河林业局，尺寸为（20 ～50）mm×（20 ～ 30）mm。在质量分数（Wcr）8%NaOH 水溶液、液比1∶4 和温度90 ℃的条件下蒸煮杨木片120 min，经盘磨机磨浆与打浆机疏解打浆，制得40 °SR 杨木高得率浆（High yieldpulp，HYP）。在30%（Wcr）NaOH 水溶液、5%（Wcr）蒽醌、液比1∶4 和温度160 ℃的提件下蒸煮杨木片120 min，经打浆机疏解打浆，制得40 ° SR的杨木化学浆（Chemical pulp，CP）。

ZG-20T 型压片机，东莞市正工机电设备科技有限公司；FLANK8855 型多通道热电偶测温仪，深圳市富兰克仪器仪表有限公司；ZPS-300 型盘磨机，吉林市路铭造纸机械有限公司；101-3A 型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；ZT4-00型实验打浆机、Z717-00 型纸浆打浆度仪和ZT7-01 型纸样成形器，兴平市中通试验装备有限公司；BX53 型生物显微镜，上海赖氏电子科技有限公司。

依照国家木材原料化学分析的标准方法进行取样和测定3 种样品的化学成分，采用Klason 法测定木质素含量；采用亚氯酸钠法测定综纤维素含量；采用二溴化法测定聚戊糖含量^[16]。在生物显微镜下，根据Herzberg 染色剂的颜色及纤维形态特征，鉴别纤维种类并计算纤维配比^[17]。每组纤维载玻片平行制备5 块，每块观察纤维总数在200 根以上，各指标取平行试样的平均值。

为了实验具有可操作性，将每块试件的浆料平均分成7 等份，进行分层铺装。每层板坯（直径0.2 m）由抄纸机抄制，自动压片机上冷压（压力2 MPa，时间15 min），电热鼓风干燥箱干燥（105 ℃）控制初始含水率。层与层之间用纱布隔开（纱布起分层作用，同时不影响热压过程中水分传递）。实验发现，热压过程中，重载纤维模塑材料几何对称位置的温度与水分变化差异较小，可认为温度与水分对称分布，故仅取每块试件由上至下的前4 层，分别用S（表层）、B、C和M（芯层）表示。为监测不同位置的温度变化，将温度传感器探头（量程-50 ～ 200 ℃，精度0.1 ℃）布置于每层板坯内部的中心位置，记录热压过程中每层板坯的温度变化，直至各层温度达到最终稳定的热压温度。为监测不同位置的含水率变化，热压过程中每隔一定时间称量并记录各层的质量变化，直至完成热压干燥。试验中，为保证水蒸气从试样表面顺利溢出，分别在试样上下表面放置不同目数的滤网各7 层，保证水分能够从广域的试样两侧表面溢出。

不同原料来源的WPP 纤维种类与配比不同，经显微镜观察并统计，WPP 主要来源于木纤维，其中，针叶木纤维数量约占19.05%。WPP 中主要包含化学浆纤维（59.4%）和高得率浆纤维（40.6%）。因此，可以将WPP 看作是化学浆纤维和高得率浆纤维按40.6 ∶ 59.4 比例混合的纤维原料。

从表1 可看出，HYP 的木质素含量均明显高于WPP 和CP。分析原因是HYP 主要通过机械磨解作用分离纤维，除了轻度的化学预处理使部分半纤维素溶出外，其他化学成分基本保留。而CP是在深度化学药剂作用下分离纤维，导致绝大部分木素溶出。因此，HYP 中保持着较高的木质素含量，而CP 木素含量最低。

表1 纤维主要化学成分测定结果
Table 1 The main chemical composition of fiber determination results

不同浆种的重载纤维模塑材料，导热系数不同，温度变化不同。以HYP、CP、WPP 模塑材料（定量14.4 kg•m^-2、初始含水率60%、温度150 ℃、压力8 MPa）为例，探究不同浆料模塑成型的温度变化规律，如图1 所示。在相同热压工艺条件下热压成型时，温度变化表现为4 个阶段，即快速升温段、过渡段、温度维持段和后升温段，对应图1 中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ段。在快速升温段和过渡段，压机热压板供给试件的热量主要用于其湿坯温度的升高。在温度维持段，热压板供给试件的热量主要用于水分的汽化，芯层温度变化较小。在后升温段，热压板供给试件的热量主要转化为板坯内能，用于其温度的升高。

对于WPP 模塑材料，Ⅲ段表层与芯层温度差（ΔT）为20.2 ℃，其持续时间（t₁）为65 min。HYP 模塑材料ΔT 为7.3 ℃、t₁ 为74 min。CP 模塑材料ΔT 为14 ℃、t₁ 为58 min。升温段升温速率由快到慢依次为CP、WPP 和HYP 模塑材料，ΔT 由小到大依次是HYP、WPP 和CP 模塑材料，其持续时间对应延长。发现，浆种木素含量越低，升温段升温速率越快，Ⅲ段维持时间越短，这可能是由于木素本身是疏水性物质，随着木质素含量增加，纤维模塑材料导热系数降低^[18-19]。

图1 不同浆种的重载纤维模塑材料温度变化
Fig 1 Change of temperature of heavy-duty fiber molding material of different pulp

CP 模塑材料水分集中汽化段出现了短期温度下降现象，这可能是由于大量水分集中汽化以及CP 因硬度小形成较大密度，使板坯内产生较大蒸汽压力，导致温度瞬间升高，随着汽化进行，蒸汽压力得以扩散，温度又渐渐回落，这与雷雅芳等人的研究结果一致^[20]。

热压成型时，定量和初始含水率是影响干燥过程湿坯的两个重要参数。而在不同的热压工艺条件下，相同定量和初始含水率的重载纤维模塑材料温度变化不同。以初始含水率为60% 的WPP模塑材料（定量14.4 kg•m^-2）为例，探究重载纤维模塑材料在不同热压温度（压力8 MPa）和热压压力（温度150 ℃）条件下的温度变化规律，如图2（a）、2（b）所示；以WPP 模塑材料在相同热压条件下（温度150 ℃、压力8 MPa）成型为例，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）的重载纤维模塑材料的温度变化规律，如图2（c）、2（d）所示。

由图2(a)、2(b) 可知，热压温度越高，各升温段升温速率越快，S层与M 层在ⅲ段维持时间越短，但温度梯度增大。水分集中汽化段，温度梯度越大，热压板向板坯单位时间内传导的热量越多，水分汽化速率越快，故持续时间变短。提高热压压力，各升温段升温速率加快，S 层与M 层在Ⅲ段温度差明显降低，且持续时间变短，干燥时间缩短。

由图2(c) 可知，不同定量的重载纤维模塑材料Ⅲ段的芯层温度变化范围在111 ～ 120 ℃之间，ΔT 在14.6 ～ 20.2 ℃之间有小幅度增加，其持续时间与定量之间满足y=5.604x-16.73, 决定系数为0.995。可见，定量增大，Ⅲ段的时间明显延长。定量增加，水分总量增大，水分集中汽化段时间变长。

由图2(d) 可知，不同初始含水率的重载纤维模塑材料Ⅲ段的芯层温度变化范围在106 ～ 120 ℃之间。初始含水率在20% ～ 40% 之间增加时，ΔT在22 ～ 36 ℃之间逐渐降低，持续时间显著增加，此时，重载纤维模塑材料主要靠汽化作用脱除水分，水分含量越高，汽化时间越久。当初始含水率大于40% 时，ΔT 维持在20 ℃左右基本不变，其持续时间缓慢增加，此时，重载纤维模塑材料的水分首先在热压压力作用下快速脱除一部分，然后进入水分集中汽化段，故ⅲ段持续时间变化不明显。

图2 不同湿坯参数和热压工艺的重载纤维模塑材料温度变化
Fig 2 Variation of temperature of heavy fiber forming materials with different wet billet parameters and hot pressing process

热压过程中，随着重载纤维模塑材料温度变化，其含水率也不断在变化。以WPP 模塑材料（定量14.4 kg•m^-2、初始含水率60%、温度150 ℃、压力8 MPa）为例，对各层温度及含水率进行测定，温度与含水率分布及变化曲线如图3 所示。

由图3(a)、3(b) 可知，整个热压过程中，温度由表层至里层逐渐降低。集中汽化段的温度梯度由表层至里层逐渐变小，表明热量传递速率也逐渐降低。水分集中汽化阶段的温度梯度峰值由表层至里层依次出现，说明重载纤维模塑材料内部的热量传递滞后于表层。

由图3(c)、3(d) 可知，整个热压过程中，含水率由表层至里层逐渐升高。在集中汽化段水分梯度的首个峰值出现之前，水分梯度由表及里逐渐降低，随着水分扩散进行，水分梯度开始变化为外层水分梯度降低，里层依次出现梯度峰值。

图3 温度与水分分布及其梯度变化
Fig 3 Temperature and moisture distribution and its gradient changes

为探究重载纤维模塑材料热压时的热量传递与温度变化的关系，有必要建立二者之间的数学模型。试样直径（0.2 m）远大于最大试样厚度（约0.01 m），同时，试样两侧各布置7 层滤网起气体溢出通道作用，保证水分能够主要从广域的试样两侧表面溢出，故Ⅲ段可近似认为是一维稳态导热。此时，热通量d_Q/d_x 与温度梯度d_t/d_x 之间满足傅立叶导热方程^[21-25]，即 q=(dQ)/(dS)=-λ(dt)/(ds) (1) 式（1）中：q 为热通量（W•m^-2）；Q 为单位时间传导的热量，即传热速率（W）；S 为垂直于样品热流方向的横截面积（m²）；λ 为导热系数[W•(m•K)^-1]；d_t/d_x 为温度梯度（K•m^-1）。

该方程建立了物体内部温度场与热流场的联系。可以看出，在Ⅲ段，重载纤维模塑材料单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。温度探头等距离布置，相邻探头的温度差可表征温度梯度；同时，在Ⅲ段，重载纤维模塑材料已基本定型，横截面积一定。故相邻温度探头的温度差越大，加热板单位时间向重载纤维模塑材料传导的热量越多。

重载纤维模塑材料热压过程中，温度梯度主要发生在Ⅲ段，探究此时材料内部的温度变化，对成型、物理力学性能等分析具有重要意义。由2.3 分析可知，Ⅲ段温度主要与热压温度和压力有关，而受湿坯参数影响较小。表2 为表层及芯层温度与热压温度、热压压力及含水率变化的原始数据，其中，各热压试件取Ⅲ段的平均温度作为表层与芯层温度。

表2 温度变化与含水率变化的原始数据
Table 2 Raw data for temperature changes and moisture content changes

由表2 可知，随热压温度与压力变化，芯层温度变化较小，在103.58 ～ 126.38 ℃之间。而表层温度随热压温度变化较大，随热压压力变化较小。

表层与芯层温度随热压温度和压力的变化均呈线性变化，为定量表示其变化关系，分别以表层与芯层温度为因变量，热压温度和压力为自变量，依据表2 数据，进行一元线性回归分析。借助Excel 统计软件包，利用普通最小二乘法，得到回归模型，如表3 所示。各回归方程决定系数R² 均在0.918 以上，可以认为模型有很好的拟合优度。

表3 表层和芯层温度与热压温度及压力的线性关系式
Table 3 Surface and core temperature and hot pressing temperature and pressure linear relationship

重载纤维模塑材料热压成型过程中，芯层含水率变化比较接近真实情况，但试验过程较复杂，为更加方便检测芯层的含水率值，本研究以芯层温度为切入点，研究芯层温度与含水率之间的定量关系。取2.4 中试样在水分集中汽化段的芯层温度为因变量，含水率为自变量（见表2），对二者进行一元线性回归分析，得到回归模型。

y=-0.3271x+128.9318。 （2） 式（2）中：y 为芯层温度（℃），x 为含水率（%）。

模型相关系数为0.971，决定系数为0.942，可以认为模型有很好的拟合优度。由图4 可知，芯层温度与含水率具有较好的线性正相关关系。因此，当已知芯层温度的情况下，利用该模型来预测芯层含水率是比较可靠的。

图4 芯层含水率与温度的散点
Fig 4 Scattering plot of core moisture content andtemperature