楊 娜 張亞慧

(1 國家林業(yè)和草原局機(jī)關(guān)服務(wù)局 北京 100714；2 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

竹材具有巨大的生態(tài)、產(chǎn)業(yè)和文化價值。中國竹產(chǎn)業(yè)自1991 年興起，至今已發(fā)展30 年之久，成為國民經(jīng)濟(jì)中綠色富民、低碳、可持續(xù)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)，2019 年中國竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值接近3000 億元。2017 年中國全面停止天然林商業(yè)性采伐，由此導(dǎo)致木材資源供給嚴(yán)重不足，同時人民對木材產(chǎn)品及優(yōu)美生態(tài)產(chǎn)品的需求日益增長，尋找木材替代品和提高木材利用率成為迫切需要解決的問題。中國是竹資源大國，竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平位居全球首位，竹子生長快、周期短、材質(zhì)優(yōu)，是替代木材的最佳選擇，因此發(fā)揮中國竹資源優(yōu)勢、創(chuàng)新竹材利用方式是解決木材資源短缺的有效途徑。

竹材人造板作為實(shí)現(xiàn)竹材工業(yè)化、規(guī)模化和高值化利用的有效途徑之一，主要產(chǎn)品包括竹膠合板[1－3]、竹刨花板[4－5]、竹 纖維板[6]、竹集成材[7]、竹層積材[8]和重組竹[9]等6 大產(chǎn)品。其中，重組竹在總結(jié)傳統(tǒng)重組材技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，攻克了竹材青黃難以膠合和竹材單板化利用的技術(shù)瓶頸，大大提高了竹材人造板的附加值[10]，實(shí)現(xiàn)了竹材的高值化和高效利用，并已成為中國竹產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品之一。本文總結(jié)了重組竹材料技術(shù)研究取得的重要進(jìn)展，分析了重組竹材料在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中尚需解決的技術(shù)問題，以期為今后的高性能木質(zhì)重組材料的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 重組竹材料技術(shù)取得的重要進(jìn)展

重組竹是由竹束或竹束片為構(gòu)成單元，按順紋組坯、經(jīng)膠合壓制而成的板方材。中國已自主研發(fā)出重組竹制造關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

1.1 壓制工藝持續(xù)優(yōu)化，“結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)聯(lián)研究不斷深入

在宏觀方面，探討了基本單元、浸漬工藝、固化工藝、壓縮力度等因素對重組材物理力學(xué)性能的影響[11－14]。研究結(jié)果表明，上述因素影響膠合過程中樹脂的流變性，進(jìn)而決定膠合界面的性能，最終反映為材料產(chǎn)品性能的差異；在微觀結(jié)構(gòu)方面，木質(zhì)基材的薄壁組織、導(dǎo)管和纖維等細(xì)胞均發(fā)生了不同程度的密實(shí)，細(xì)胞壁出現(xiàn)褶皺甚至壓潰等現(xiàn)象，同時酚醛樹脂在濕熱—高壓的作用下，與基材的裂紋以及導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞的細(xì)胞腔之間均形成了膠合界面；在化學(xué)組分方面，細(xì)胞壁的纖維素發(fā)生結(jié)晶化和晶區(qū)出現(xiàn)規(guī)整化，但結(jié)晶度無明顯變化，浸漬用低分子量的酚醛樹脂發(fā)生了固化，并與細(xì)胞壁的活性基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成疏水基團(tuán)[15]。目前，已經(jīng)完成剛竹(Phyllostachys sulphureavar.viridis)、淡竹 (P.glauca)、雷竹(P.praecoxf.pervernalis)、毛竹(P.pubescens)、紅殼竹(P.iridescens)、白夾竹(P.bissetii)、壽竹(P.bambusoidesf.shouzhu)、臺灣桂竹 (P.makinoi)、慈竹 (Neosinocalamus affinis)、綠竹(Dendrocalamopsis oldhamii)、梁山慈竹 (Dendrocalamus farinosus)、麻竹 (D.latiflorus)、巨龍竹 (D.sinicus)、白節(jié)竹 (D.albonudus)、毛龍竹 (D.tomentosus)、緬竹(Bambusa burmanica)、料慈竹(B.distegia)、粉單竹 (B.chungii)、撐綠雜交竹 (Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis) 等19 種竹材的重組竹壓制工藝優(yōu)化，不同竹種解剖特征的差異最終影響材料性能[16－20]。

1.2 夯實(shí)基礎(chǔ)理論研究，謀求重組技術(shù)進(jìn)一步突破

針對重組材料具有尺寸穩(wěn)定性較好、強(qiáng)耐腐、力學(xué)性能高等特點(diǎn)，重點(diǎn)從單板分離、力學(xué)性能增強(qiáng)和耐水性能改善等機(jī)理、機(jī)制方面進(jìn)行全面解析。研究表明:單板分離的機(jī)理主要是基材細(xì)胞在摩擦力、擠壓力和切割力的作用下發(fā)生脫落和破壞，從而實(shí)現(xiàn)分離，并最大限度地保留了纖維的強(qiáng)度，使其不受損傷；力學(xué)性能增強(qiáng)的機(jī)理包括基本組織和導(dǎo)管等細(xì)胞的壓縮密實(shí)增強(qiáng)和酚醛樹脂膠黏劑與基材微觀結(jié)構(gòu)形成界面增強(qiáng)2 個方面；耐水性改善的機(jī)制包括竹纖維束的表面酚醛樹脂膠膜層憎水膠膜層的形成和酚醛樹脂膠黏在細(xì)胞腔內(nèi)膠釘?shù)墓潭╗21]。同時，在重組竹環(huán)境作用基礎(chǔ)理論研究方面，基于Grotthus-Draper 和Stark-Einstein 定律的光化學(xué)原理為重組竹光老化降解原理提供了理論支撐，同時重組竹濕熱老化降解作用遵循Fick 擴(kuò)散定律。上述作用機(jī)理使材料最終發(fā)生可逆的物理或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能發(fā)生改變，從過程上看，是對竹材、酚醛樹脂及其膠合界面的復(fù)雜作用；從效果上看，是材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的衰減；從本質(zhì)上看，是對竹材、酚醛樹脂及其膠合界面結(jié)構(gòu)與性能的降解作用。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，推動產(chǎn)品多樣化、功能化

針對重組材料具有性能可控、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、尺寸規(guī)格可調(diào)整的特性，克服了速生材的瓶頸，促進(jìn)重組材料產(chǎn)品多樣化、系列化。重點(diǎn)從以下方面取得突破。1) 相關(guān)學(xué)者提出了重組竹材料力學(xué)性能的可靠性評價技術(shù)[22－23]，重點(diǎn)表征了材料的強(qiáng)度指標(biāo)[24－27]、應(yīng)力應(yīng)變[28－29]、斷裂特性[30－34]和粘彈性[35－38]，研究了梁柱構(gòu)件[39－46]和連接設(shè)計(jì)[47－50]優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重組材料在建筑建構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。2) 通過研發(fā)膠合技術(shù)，生產(chǎn)功能重組材料，改善材料使用性能，拓展重組材料產(chǎn)品使用領(lǐng)域。重點(diǎn)集成竹材重組單元物理化學(xué)手段預(yù)處理優(yōu)化工藝、染料體系篩選、上染可控工藝以及復(fù)合壓制耦合工藝等技術(shù)手段[51－52]，形成竹材重組染色復(fù)合技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)重組竹色彩調(diào)控；采用分子組裝、尺度調(diào)控和共混復(fù)配等技術(shù)手段，完成了材料表面紫外屏蔽系統(tǒng)的構(gòu)建，達(dá)到重組竹表觀的長效防護(hù)；基于重組竹表面浸漬紙飾面與漆面涂飾的工藝優(yōu)化[53－55]，實(shí)現(xiàn)了重組竹裝飾性能的改良；采用不同添加方式和處理工藝完成對重組竹產(chǎn)品的物理填充，提高藥劑的固著率和抗流失性，達(dá)到良好的霉菌防治作用[56－61]；通過優(yōu)化無機(jī)礦物質(zhì)[62]、氮磷系、硼系以及氮磷硼復(fù)合系阻燃劑[63－65]添加工藝，達(dá)到阻燃抑煙功能。通過上述研究，極大促進(jìn)了重組竹產(chǎn)品的多樣化、系列化。目前，竹材重組材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)地板、家具[66－67]、集裝箱底板[68]到風(fēng)電葉片[69]、建筑結(jié)構(gòu)[70]、戶外材料[71]等領(lǐng)域拓展。

2 重組竹產(chǎn)品開發(fā)需要解決的科學(xué)問題

雖然重組竹材料技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，但作為一項(xiàng)新技術(shù)，對重組竹材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究相對較少，限制了以該種材料為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品開發(fā)。因此，有必要借鑒傳統(tǒng)復(fù)合材料的先進(jìn)理論和研究方法對重組竹材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而進(jìn)一步促進(jìn)材料的推廣與應(yīng)用。

2.1 微觀結(jié)構(gòu)變化

重組竹的成型有冷成型熱固化工藝和熱壓工藝2 種，其區(qū)別在于熱壓工藝壓縮過程伴隨著濕熱的傳遞過程，細(xì)胞壁組織有一個逐漸受熱軟化的過程，而冷成型熱固化工藝則沒有此過程。因此，將木質(zhì)重組材料壓縮至同樣的密度，熱壓工藝過程所需要的壓力只有冷成型工藝過程的十分之一左右。初步研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在重組竹成型過程中，基材的薄壁組織幾乎處于完全閉合狀態(tài)，而微管束組織中的空隙也幾乎被壓縮了90%以上。但由于基材細(xì)胞的細(xì)胞壁厚度不同，如竹纖維是厚壁細(xì)胞，基本組織和導(dǎo)管是薄壁細(xì)胞，從而導(dǎo)致在壓縮過程中各細(xì)胞受到的損害程度可能有較大差異，對于特定的材種來講，其極限壓潰值依據(jù)不同的成型工藝有所不同，不同材種的微觀結(jié)構(gòu)變化所呈現(xiàn)出的“結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)聯(lián)性，有待于進(jìn)一步研究確認(rèn)。

2.2 力學(xué)性能變化

重組竹通過壓縮密實(shí)和界面增強(qiáng)使力學(xué)性能得到大幅度增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為密度和施膠量的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，但這種協(xié)同效應(yīng)并非簡單的線性關(guān)系，不同力學(xué)性能指標(biāo)呈現(xiàn)的變化規(guī)律不同，同時竹種的差異對木質(zhì)重組材料力學(xué)性能影響很大。材種的差異對力學(xué)性能的影響機(jī)制以及不同材種力學(xué)性能變化規(guī)律與極限力學(xué)性能需要進(jìn)一步研究。

2.3 材料耐候性

重組竹作為一種戶外用新型產(chǎn)品，其耐久性是評價產(chǎn)品在使用和存放過程中能否長期保持其性能的技術(shù)指標(biāo)之一?，F(xiàn)階段雖然對重組材料的老化性能進(jìn)行了一些探索性的研究，發(fā)現(xiàn)其在自然老化環(huán)境下重組材的顏色會逐漸加深，力學(xué)性能發(fā)生變化，在不同人工老化條件下重組材性能呈現(xiàn)不同程度的變化[72－73]；但缺乏木質(zhì)重組材料在光輻射—濕熱協(xié)同作用下微觀層面的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)聯(lián)研究，對其氣候老化機(jī)理的研究尚待進(jìn)一步深入，同時在根據(jù)人工加速老化規(guī)律提出的自然老化壽命預(yù)測方法的研究還很欠缺，而這些研究對重組竹的可靠性的評價非常重要。

2.4 其他問題

重組竹材作為一種新型建筑材料，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的整體框架內(nèi)，規(guī)定重組竹材料及構(gòu)件加工制作時的基本要求和生產(chǎn)制作質(zhì)量控制要求，并進(jìn)一步確定重組竹產(chǎn)品的強(qiáng)度等級和設(shè)計(jì)指標(biāo)，規(guī)定膠合木構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。同時，重組竹作為新開發(fā)的一種生物質(zhì)基復(fù)合材料，除了上述所提到的部分科學(xué)問題，其他如熱處理?xiàng)l件下材料的強(qiáng)度化學(xué)變化機(jī)理，熱處理對樹脂滲透性能的影響規(guī)律，材料的阻燃、防霉、防腐機(jī)理，重組材料的表面性能等，都需要進(jìn)一步研究探索，以期更好地促進(jìn)其技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。

同時對于成型制造工藝來說，工藝裝備是其研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段，相關(guān)流程設(shè)備主要存在因無法連續(xù)化、銜接性差而造成生產(chǎn)效率低以及信息化水平偏低等技術(shù)難題，后續(xù)單機(jī)還是成套設(shè)備都將圍繞高效率、高品質(zhì)、節(jié)能降耗、提高可靠性、簡化操作和提高適宜性等方面進(jìn)行研究開發(fā)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)向零部件、裝置和功能等的模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展，并采用精良的制造工藝。另外，高效利用、節(jié)約能耗、設(shè)計(jì)人性化也將成為關(guān)注的重點(diǎn)，最終為實(shí)現(xiàn)重組竹整線的連續(xù)化生產(chǎn)提供設(shè)備基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

重組竹是中國自主研發(fā)的高附加值竹材，為中國竹材加工產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效和產(chǎn)業(yè)升級提供了強(qiáng)有力的科技支撐，在同類研究中處于國際領(lǐng)先水平。隨著中國大力發(fā)展生物質(zhì)建材及木竹結(jié)構(gòu)建筑，重組竹的推廣和應(yīng)用將進(jìn)入高速發(fā)展期。