林秋琴 黃宇翔 李興德 朱安明 于文吉

(1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091；2 江西安竹科技有限公司 江西 宜豐 336300；3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所 北京 100091)

隨著世界林木資源的日益減少，作為我國(guó)分布廣泛、具有高度可再生性、可持續(xù)性和低能耗性等環(huán)境友好特點(diǎn)的速生生物資源——竹材，已經(jīng)成為當(dāng)代新的研究熱點(diǎn)[1]。高比強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)使竹材日漸成為家具與建筑結(jié)構(gòu)的理想材料[2－3]。但是竹子中空、多節(jié)的天然結(jié)構(gòu)為其加工利用增加了難度[4]。為探求竹材的高效利用，國(guó)內(nèi)外已開展了關(guān)于重組竹、竹集成材、膠合竹等竹產(chǎn)品的相關(guān)研究，其中竹集成材由于其規(guī)則的單元形狀和低可變性而受到特別關(guān)注[5]。

竹集成材是以定厚、定寬的長(zhǎng)竹片(去青去黃)為基本單元，通過(guò)施膠、組坯、熱壓等工序而成的型材[6]。竹集成材強(qiáng)度高，可滿足建筑結(jié)構(gòu)對(duì)材料物理力學(xué)性能的要求，解決現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)對(duì)大跨度竹木材料的需求[7]。指接是竹集成材實(shí)現(xiàn)材料大尺度的主要方式，傳統(tǒng)接長(zhǎng)是對(duì)產(chǎn)品的二次加工，即采用先組坯后接長(zhǎng)的生產(chǎn)方式[8－9]。研究表明，指接對(duì)竹集成材彈性模量基本無(wú)影響，但靜曲強(qiáng)度損失率高達(dá)到55%～80%[10－11]。如何在保證強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)材料尺寸規(guī)格的靈活控制，成為了一項(xiàng)技術(shù)難題。

目前，一種新的竹集成材無(wú)限接長(zhǎng)制造技術(shù)逐漸興起，即先將竹片加工為兩端帶接口的單元，然后再進(jìn)行接長(zhǎng)、組坯、熱壓成目標(biāo)長(zhǎng)度的板材。為與傳統(tǒng)竹集成材進(jìn)行區(qū)別，將該產(chǎn)品命名為“定向重組竹集成材”。本文介紹了該產(chǎn)品的制備工藝、基本物理力學(xué)性能與應(yīng)用范圍，并與傳統(tǒng)竹集成材進(jìn)行了對(duì)比，為竹集成材的發(fā)展和應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 生產(chǎn)工藝

定向重組竹集成材制備工藝(圖1)如下：

原竹橫截→縱向剖分→粗刨→炭化→烘干→養(yǎng)生→精刨→精選→接口加工→涂膠→接長(zhǎng)組坯→陳放→熱壓→后續(xù)處理。

圖1 定向重組竹集成材生產(chǎn)工藝流程

1.1 原材料準(zhǔn)備

毛竹(Phyllostachys heterocycla)，竹齡 4 ～ 6年，材質(zhì)新鮮，無(wú)蟲蛀，無(wú)風(fēng)尾竹，圍徑＞30 cm

1.2 竹單元加工

首先將原竹橫截成一定長(zhǎng)度的竹筒，并按竹筒厚度進(jìn)行分類，竹筒經(jīng)過(guò)數(shù)控自動(dòng)剖分機(jī)剖切為類似梯形截面的寬竹條，竹條經(jīng)過(guò)2 次四面刨對(duì)其表面進(jìn)行去青去黃及側(cè)面修邊處理，得到橫截面為(17～24)mm×(5 ～10)mm 的粗刨竹條單元。然后將粗刨竹條在一定壓力下進(jìn)行初炭處理，再烘干至含水率低于8%，養(yǎng)生3 d 以上。然后再進(jìn)行復(fù)炭處理。二次烘干至含水率為10%，養(yǎng)生7 d。將竹條加工成長(zhǎng)短不一的竹條，最后通過(guò)四面刨進(jìn)行2 次精刨后得到試驗(yàn)用炭化竹單元。

1.3 精選

以竹單元的缺陷、顏色、密度等基本性能為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選分類。

1.4 接口加工

接口采用專門設(shè)計(jì)的竹片型接口(圖2)，一次加工成型。加工刀具由4 把刀組成，分別加工接口的4 個(gè)面，其中凹槽接口處的刀具由3 個(gè)刀片組合同時(shí)加工出成型面。

圖2 接口形式

1.5 涂膠

根據(jù)產(chǎn)品的最終用途選擇合適的膠黏劑。一般生產(chǎn)集裝箱底板時(shí)，采用耐水性較好的酚醛樹脂膠黏劑；在生產(chǎn)家具板時(shí)，采用大豆基膠黏劑。通過(guò)輥筒涂膠機(jī)進(jìn)行雙面涂膠，涂膠量為100 ～200 g/m2(雙面)。

1.6 接長(zhǎng)組坯

通過(guò)接口縱向接長(zhǎng)，由于單元長(zhǎng)短不一，使得接口位置橫向均勻錯(cuò)開。為抵消天然竹材的應(yīng)力，防止產(chǎn)品不均勻變形，組坯采用左右對(duì)稱原則，即竹黃向內(nèi)、竹青向外依次排列，左右單元數(shù)量與排列結(jié)構(gòu)對(duì)稱(圖1)

1.7 熱壓

經(jīng)施膠組坯陳化后，采用熱進(jìn)冷出的熱壓方式，側(cè)向加壓控制板材寬度，壓力為1.4 MPa，上壓力加熱促進(jìn)膠層固化，熱壓壓力 0.4 MPa，溫度135 ℃，時(shí)間30 min。熱壓過(guò)程可通過(guò)竹片單元的定向無(wú)限接長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)單板的規(guī)格可控。

1.8 后處理

經(jīng)過(guò)修補(bǔ)、修邊、刨光、砂光等后續(xù)處理工序，加工成定向重組竹集成材板材，板材尺寸規(guī)格為10 000 mm(長(zhǎng))×(100 ～700)mm(寬)，板材厚度不定，氣干密度0.64 g/cm3，含水率6.25%。

2 定向重組竹集成材基本性能與應(yīng)用

2.1 物理性能

目前市場(chǎng)上常見的幾種定向重組竹集成材產(chǎn)品的物理性能見表1。集裝箱底板與家具板的甲醛釋放量均為0.1 mg/m3，均達(dá)到 E0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。集裝箱底板耐水性相對(duì)較好，吸水率和膨脹率都比家具板低，厚度膨脹率兩者相差不大。

表1 定向重組竹集成材物理性能

2.2 力學(xué)性能

表2 給出了定向重組竹集成材與常用竹制工程材料的力學(xué)性能。與結(jié)構(gòu)用竹產(chǎn)品相比，定向重組竹集成材的比強(qiáng)度和比模量均是最大的，比強(qiáng)度超過(guò)無(wú)接口型竹集成材的49.1%，約為指接竹集成材的2 倍。

表2 定向重組竹集成材與常用竹制工程材料力學(xué)性能比較

2.3 基本特點(diǎn)及應(yīng)用

1)一次加工成型，材料利用率高。傳統(tǒng)竹集成材的接長(zhǎng)需要在壓制成方料之后經(jīng)過(guò)四面刨光、梳齒指接、二次涂膠、二次熱壓等工序才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的接長(zhǎng)，而定向重組竹集成材從單元上解決接長(zhǎng)問(wèn)題，一次成型，提高了原料的利用率，減少了生產(chǎn)工序，可節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率，有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的連續(xù)化與自動(dòng)化。

2)結(jié)構(gòu)均勻，性能優(yōu)異。區(qū)別于傳統(tǒng)多竹片組合成單元后再加工接口，該產(chǎn)品將單根竹片接口進(jìn)行分散排布，使結(jié)構(gòu)更加均勻，避免了荷載作用下由于接口的局部強(qiáng)度低而導(dǎo)致的整體材料性能的失效。

3)無(wú)限接長(zhǎng)，滿足大跨度建筑結(jié)構(gòu)材料的需求。通過(guò)單元的無(wú)限接長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料規(guī)格與長(zhǎng)度的靈活控制，不僅可用作集裝箱底板、室內(nèi)地板、家具板等，在大跨度的建筑裝飾和結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域也具有很好的推廣和應(yīng)用前景。

3 小結(jié)

竹集成材是實(shí)現(xiàn)“竹材變建材”的有效途徑，探索結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)異的接長(zhǎng)方式一直是該領(lǐng)域的主要技術(shù)難點(diǎn)，定向重組竹集成材為解決傳統(tǒng)指接竹集成材局部荷載下的高強(qiáng)度損失率提供了新思路。并且隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的大跨度發(fā)展，對(duì)大尺度的竹木建筑材料也提出了相應(yīng)的要求。應(yīng)力分散、無(wú)限接長(zhǎng)、一次成型等優(yōu)勢(shì)使定向重組技術(shù)有望取代傳統(tǒng)指接接長(zhǎng)形式成為新的竹材集成方法。

目前該產(chǎn)品主要用作集裝箱底板、室內(nèi)地板、家具及裝修用板等板材，在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還相對(duì)較少。關(guān)于定向重組竹集成材的研究和應(yīng)用也還處于發(fā)展的初期階段，前人僅僅是對(duì)其基本的物理力學(xué)性能進(jìn)行了初步的評(píng)價(jià)，定向重組竹集成材的未來(lái)發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)在探索接口的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，以及熱壓工藝的合理優(yōu)化。此外，如今的生產(chǎn)線大多還依賴人工完成，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的自動(dòng)化與連續(xù)化也是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。