竹材防開裂研究進(jìn)展

鄒怡佳，陳玉和，吳再興，陳章敏

（國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012）

隨著木材的緊缺，竹子作為一種天然環(huán)?？稍偕镔|(zhì)材料，越來越受到人們的關(guān)注。竹子的生長速度快、伐木性好和生態(tài)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益日益突出。但由于竹材的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，不同部位、不同方向收縮性的差異，在使用過程中極易產(chǎn)生開裂，裂紋的產(chǎn)生不僅影響美觀，還會使性能急劇下降。水分、細(xì)菌等物質(zhì)沿著裂紋更容易進(jìn)入到竹材內(nèi)部，造成竹材進(jìn)一步的開裂甚至發(fā)生霉變等缺陷，降低竹材的質(zhì)量，減少使用壽命，造成資源的浪費(fèi)。雖然經(jīng)過了很多的研究和實(shí)踐，但竹材開裂問題至今沒有得到很好的解決，仍然是困擾廠家及用戶的一個(gè)棘手的問題，因此對竹材開裂的研究就顯得尤為重要。

1 竹材開裂的原因

竹材干縮濕脹是由于竹材具有吸濕性，組成竹材細(xì)胞壁的物質(zhì)——纖維素和半纖維素等化學(xué)成分結(jié)構(gòu)中有許多自由羥基（-OH），具有很強(qiáng)的吸濕能力。在一定的溫度和濕度條件下，胞壁纖維素、半纖維素等組分中的自由羥基，借助氫鍵力和分子間力吸附空氣中的水分子[1]，當(dāng)空氣中的水蒸氣壓力小于竹材表面的水蒸氣壓力時(shí)，竹材中的水分向空氣中蒸發(fā)，在宏觀上表現(xiàn)為竹材干縮，引起竹制品尺寸收縮而產(chǎn)生裂隙、翹曲變形以及開裂。竹材利用分為原竹利用和加工利用，而原竹開裂與竹制品開裂的原因及開裂的方式是不同的。

1.1 原竹開裂的原因

原竹是否容易開裂，跟竹種、竹齡、直徑等有很大關(guān)系，作為工藝品用的小徑竹基本上不存在開裂的問題，而徑級較大的竹種如毛竹是存在易開裂的問題，但是毛竹的主要使用方法并不是以圓竹形式利用，制造成板材居多。有研究人員指出，由于不同年齡、不同部位毛竹材微纖絲角差異較小，因此密度是決定竹材力學(xué)強(qiáng)度和干縮性的主要因子，所以密度的不均勻帶來干縮率差異，是導(dǎo)致原竹開裂的主要原因[2]。鐘莎，張雙保[3]等指出，原竹的裂紋都是從竹青向竹黃延伸，先產(chǎn)生表面裂紋，逐漸變長變深，達(dá)到一定程度后便不易加深。非竹節(jié)部位，弦向和徑向干縮率是縱向的3 ～ 4倍；竹節(jié)附近含水率較低，密度較高，弦向干縮率較小。開裂程度底部＜中部＜頂部。

1.2 竹制品開裂的原因

影響竹制品開裂的原因很多，和其制造的每個(gè)環(huán)節(jié)息息相關(guān)。歸結(jié)起來[4]一般存在以下原因：一是竹材干燥工序上，干燥質(zhì)量差，含水率相差較大或養(yǎng)生周期不夠致使殘留在竹材內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生作用。二是生產(chǎn)加工工藝存在問題，由于圓鋸機(jī)開槽存在應(yīng)力集中問題，易導(dǎo)致開裂，故可以改進(jìn)加工工藝，改用銑刀加工成圓弧槽，不存在邊角尖銳部位，則可避免發(fā)生應(yīng)力集中，以期更好的防裂效果。實(shí)木復(fù)合地板的背溝槽工藝能夠減小地板的內(nèi)應(yīng)力，使得地板變形的可能性降低，各相鄰層的紋理互相垂直。該地板的對稱結(jié)構(gòu)保證了其良好的尺寸穩(wěn)定性，克服了實(shí)木地板和竹制地板易翹曲變形的缺點(diǎn)。三是膠粘劑質(zhì)量或使用有關(guān)，脲醛樹脂耐水、耐候性差，酚醛樹脂顏色深、成本高，三聚氰胺樹脂穩(wěn)定性及韌性較差[5]，都是影響竹制品開裂的重要因素。因此要選擇性能優(yōu)異的膠黏劑，如耐水性好的膠能減少膠層的吸水性及很好的防止竹制品的吸濕性，膠膜柔韌性越好，越不容易發(fā)生開裂，也是防止竹制品開裂的有效措施之一。四是存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，郭曉磊，曹平祥[6]等人在竹木復(fù)合地?zé)岬匕灞戆彘_裂的研究中表明，平壓竹單板較側(cè)壓竹單板易發(fā)生面層開裂。

2 竹材開裂的控制

為控制重組竹開裂的發(fā)生，研究人員做了大量研究，其概括起來主要有以下幾種：一是干燥法，即對木材或竹材進(jìn)行干燥，減少或基本消除木材或竹材中的殘余應(yīng)力。二是增容處理法，把憎水性不揮發(fā)物質(zhì)引入細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)中，使其填充細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)中并固化，以提高木材或竹材的尺寸穩(wěn)定性；三是涂層法，用防水材料處理木材或竹材的表面，阻滯木材或竹材表面水分的滲透，使其內(nèi)外部的水分遷移速度趨于一致。

2.1 干燥法

常規(guī)干燥是表面水分被蒸發(fā)形成內(nèi)部和表面之間的含水量梯度，依照這一梯度，內(nèi)部的水分向表面擴(kuò)散，然后再從表面被蒸發(fā)，反復(fù)循環(huán)，以達(dá)到竹材或木材的干燥。干燥質(zhì)量的好壞直接影響成品使用后開裂的產(chǎn)生，因此常常會進(jìn)行預(yù)凍處理、熱處理、加壓或拉伸處理以及后期調(diào)濕處理等，這些方法都能夠在一定程度上減少竹材的皺縮。蒸煮可以消除內(nèi)部應(yīng)力，增加竹制品的尺寸穩(wěn)定性，不容易產(chǎn)生開裂和變形。防止表面裂與蜂窩裂則要控制溫度和濕度，在竹材的干燥過程中對其進(jìn)行必要的熱濕處理，可以減少或基本消除竹材中的殘余應(yīng)力。張耀麗[7]在研究中指出，板材經(jīng)過微波輻射后，薄壁細(xì)胞和厚壁細(xì)胞壁上紋孔膜破損，紋孔腔這一有效微毛細(xì)管通道被打通，擴(kuò)大了水分的流通通道。木材經(jīng)過冷凍處理后，細(xì)胞腔中的水結(jié)冰，使細(xì)胞腔直徑增大，同時(shí)細(xì)胞壁又受到擠壓，破壞了部分紋孔膜，擴(kuò)大了水分的傳遞途徑。這種處理都會提高干燥速度。微波、冷凍處理后板材的滲透性與對照材相比，均有不同程度的提高，均降低了木材的皺縮深度。李曉玲，小林功等[8]在日本柳杉高頻真空干燥的研究中發(fā)現(xiàn)，在干燥前進(jìn)行常壓的蒸汽或者過熱蒸汽的預(yù)處理，板材的開裂及程度大大降低。這一點(diǎn)正是利用了木材具有粘彈性的這一特點(diǎn)，尤其在高溫高濕條件下，木材的粘性要大于低溫情況，因此干燥應(yīng)力得到了釋放，不足以導(dǎo)致木材開裂。基于此點(diǎn)，在日本高溫處理已成為降低柳杉開裂的一種很實(shí)際的方法。張士誠,齊華春等[9]在高溫過熱蒸汽處理對木材結(jié)晶性能的影響中表明，經(jīng)高溫高濕處理后木材的相對結(jié)晶度有了一定程度的提高，并且相對結(jié)晶度受溫度的影響非常顯著。另外結(jié)晶區(qū)的強(qiáng)度比非結(jié)晶區(qū)強(qiáng)，水分也更難進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，所以相對結(jié)晶度越高，板材的性能越好。

2.2 增容處理法——充脹法

用聚乙二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入竹材或木材置換其中的水分，對竹材起有效的膨脹作用，從而使竹材干縮極小，降低開裂。將低分子量的酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂、間苯二酚樹脂等用來浸漬竹材可改變竹材的尺寸穩(wěn)定性，其中酚醛樹脂的效果最好，浸漬材能夠很好的提高竹材的抗縮率(ASE)，這一點(diǎn)可以通過樹脂固化后制約了竹材的收縮及細(xì)胞腔被填充而疏水來解釋。Joseph, D.＆Darrel D.N.＆Tor P.S.[10]用水溶性的樹脂酸來處理木材，可以使木材的尺寸穩(wěn)定性在室外環(huán)境下達(dá) 2 a之久沒有明顯變化。Gindl, W[11]認(rèn)為,水溶性的三聚氰胺甲醛樹脂能很好的分散到木材結(jié)構(gòu)中，聚合物使木材的細(xì)胞壁發(fā)生改性從而提高木材的性能。理論上[12]，在絕干狀態(tài)下，細(xì)胞壁上的氣孔是開放的，但是估算出來的氣孔體積最大膨脹可提高38 %。用聚合樹脂改性細(xì)胞壁，很顯然樹脂會充脹細(xì)胞壁。Mantanis, G I.[13]發(fā)現(xiàn)低分子小體積和易于形成氫鍵的樹脂充脹細(xì)胞壁的效果較好。許多研究者一致認(rèn)為，樹脂的分子量影響樹脂向木材細(xì)胞壁中的滲透，進(jìn)而影響木材尺寸穩(wěn)定性等性能的提高[14-15]。Rowell R M[16]把PF等樹脂處理后木材尺寸穩(wěn)定性的提高歸因于充脹作用，即樹脂不與細(xì)胞壁成分發(fā)生交聯(lián)，只是本身縮聚為不溶于水的高分子，樹脂固化后制約了木材的收縮及細(xì)胞腔被填充而疏水減少了開裂，并指出酚醛樹脂浸漬處理木的抗縮率要高于脲醛樹脂處理木，這是由于脲醛樹脂在水中的溶解度有限所致。低分子量樹脂容易滲入木材的細(xì)胞壁，而如果樹脂的分子量過高則只能滲入木材的細(xì)胞腔，對木材尺寸穩(wěn)定性沒有明顯的改善作用[17-19]。

2.3 涂層法

利用涂料、油漆涂刷竹材表面，減少竹材與濕空氣接觸，阻礙水分的滲入，從而使纖維表面包裹起來，可以降低竹材對大氣濕度變化的敏感性，延緩竹材的吸濕速度，減少開裂。沈麗莎,佟超等[20]在硬質(zhì)木材防裂劑的研制與使用中，參照國內(nèi)外各種木材防裂劑配方，通過試驗(yàn)研制出MF-1型木材防裂劑，是涂料法防裂的新劑型，具有成本低、使用方便、易于保存、防裂效果好（木材完好率98%）等特點(diǎn)，解決了硬質(zhì)材天然干燥過程中的開裂問題。劉彥龍，唐朝發(fā)等[21]用異氰酸酯與多元醇作用形成的預(yù)聚體型聚氨酯作為防裂涂料。這種涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羥基的作用下發(fā)生反應(yīng)固著在木材表面上形成保護(hù)層，抑制端部水分的散發(fā)，同時(shí)在纖維之間產(chǎn)生牽制作用，有效控制端裂的發(fā)生。為防止端裂，可在竹材或木材干燥前用石蠟或油漆或桐油石灰或煤焦油等，涂刷于木材或竹材兩端。

2.4 其它方法

機(jī)械抑制法，用鐵質(zhì)“V、S、C、Z”形釘在原木或鋸材端頭固定或用鐵絲將木材捆扎起來，預(yù)先施加外力，起到緊固作用。

方遠(yuǎn)進(jìn)[22]介紹了深度炭化木具有綠色環(huán)保防腐防蟲不開裂木材的優(yōu)點(diǎn)，深度炭化木是經(jīng)過200℃左右的高溫炭化技術(shù)處理的木材，深度炭化木由于其吸水官能團(tuán)半纖維素被重組，使木材的使用性能有較大的提高，比如吸水性下降，吸濕膨脹性下降，尺寸穩(wěn)定性提高，這樣炭化木制品幾乎不變形、不開裂、尺寸穩(wěn)定。

木材的乙?；牧技夹g(shù)是讓木材與來自于醋酸的乙酸酐進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，把木材中的羥基自由基改變成乙?；鶊F(tuán)，羥基自由基轉(zhuǎn)化成乙酰基團(tuán)后，極大地降低了木材的吸水能力，使木材的尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)[23]。

3 結(jié)語

目前在家具和建筑方面，竹材市場的占有率還不是很高，而竹材的開裂是個(gè)非常棘手的問題，困擾著大多數(shù)竹材加工企業(yè)。對于防止竹材開裂研究的很多方法，大多數(shù)源于防止木材開裂的研究，很多時(shí)候需要根據(jù)竹材自身的特點(diǎn)進(jìn)行考慮，防止竹材開裂的研究仍需要各科研人員進(jìn)行不懈的努力。

在實(shí)際生產(chǎn)中，使用最多的是毛竹，針對毛竹制成的板材，尤其是作為采暖地板的表板，開裂問題很容易出現(xiàn)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室氙燈老化試驗(yàn)表明，現(xiàn)有的竹地板包括重組竹地板都無法避免開裂。而這些開裂，很大一部分是發(fā)生在竹材本體，因此，對竹材本體的物理力學(xué)性能及微觀構(gòu)造的細(xì)致研究，探討竹材本身開裂的機(jī)理是解決這一問題的重要方面。

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