刨切竹單板的軟化工藝研究

汪仁斌，杜春貴

(1.深圳高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300)

刨切竹單板(也稱刨切薄竹)是將竹片熱壓制成徑向的集成竹塊，將竹塊冷壓膠合成竹方，再將竹方蒸煮軟化后經(jīng)刨切而得的產(chǎn)品[1-3]。刨切竹單板不僅性能與珍貴硬闊葉材薄木相近，而且保持了竹材特有的紋理，具有清新自然、樸實淡雅的質(zhì)感[4-5]，經(jīng)刨切竹單板貼面或裝飾的產(chǎn)品，都給人以回歸自然的感覺，深受用戶青睞。因此，刨切竹單板作為一種新型高檔貼面裝飾材料，在人造板、家具等的貼面和裝飾裝修領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通常竹材加工利用的基本上都是竹壁的竹肉部分，維管束是竹肉構(gòu)成的主體，它對竹材的性質(zhì)起主導(dǎo)作用[6-7]。維管束在竹材的節(jié)間全部縱向平行排列，加之竹材沒有木射線等橫向組織[6-8]，從而導(dǎo)致所制的刨切竹單板出現(xiàn)縱向強度高、橫向強度低、脆性較大等現(xiàn)象，當(dāng)刨切竹單板用作家具曲面構(gòu)件貼面或封邊時，就會出現(xiàn)橫向開裂、破損、折斷等問題。故提高刨切竹單板的橫向強度和柔韌性能，對擴大刨切薄的應(yīng)用領(lǐng)域和提高利用率都具有十分重要的意義。然而，有關(guān)提高刨切竹單板橫向強度的研究報道較少[1,9-10]，提高刨切竹單板柔韌性能的研究也僅有1篇采用刨切微竹單板浸漬樹脂提高柔韌性能的文獻[10]。目前，提高刨切竹單板柔韌性能最簡單和有效的方法是對刨切竹單板進行軟化，雖然現(xiàn)有一些竹材和竹方軟化工藝的研究[2-3,11-16]，但有關(guān)刨切竹單板軟化工藝的研究未見報道。此外，刨切竹單板在厚度、組成和強度等方面都與竹材和竹方有著較大的差別，因而竹材和竹方的軟化工藝并不適宜于刨切竹單板。為此，本文對刨切竹單板的軟化工藝進行了研究，將為提高刨切竹單板的柔韌性能和擴大其使用范圍提供參考和有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

刨切竹單板：毛竹(Phyllostachysedulis)刨切竹單板，購自杭州森瑞竹制品有限公司，本色，厚度0.55 mm，含水率為8%～10%。將刨切竹單板產(chǎn)品裁剪成幅面為160 mm×80 mm的尺寸規(guī)格，選取無裂隙、無開裂的刨切竹單板作為試材。

軟化劑：氫氧化鈉(NaOH)、碳酸氫鈉(NaHCO3)和尿素(CH4N2O)，均為固體和分析純，分別按照不同的試驗要求配成質(zhì)量分數(shù)為1%、2%和3%的溶液。

1.2 方法

1.2.1刨切竹單板的軟化工藝 以氫氧化鈉、碳酸氫鈉和尿素為軟化劑，采用單因素試驗法研究軟化溫度、軟化時間和軟化劑質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板軟化效果的影響，最后再分析比較軟化劑種類對刨切竹單板軟化效果的影響。刨切竹單板的軟化工藝參數(shù)，見表1。對于同一種軟化劑來說，當(dāng)探討軟化溫度(50 ℃、60 ℃、80 ℃)對刨切竹單板軟化效果的影響時，軟化時間為30 min、軟化劑質(zhì)量分數(shù)為1% ；當(dāng)探討軟化時間(30 min、60 min、90 min)對刨切竹單板軟化效果的影響時，軟化溫度為50 ℃、軟化劑質(zhì)量分數(shù)為1%；當(dāng)探討軟化質(zhì)量分數(shù)(1%、2%、3%)對刨切竹單板軟化效果的影響時，軟化劑溫度為50 ℃、軟化時間為30 min。

表1 刨切竹單板的軟化工藝參數(shù)

1.2.2刨切竹單板的軟化效果評價 對于木竹材軟化效果的評價，可采用軟化處理前后木竹材的硬度、彎曲強度和彈性模量的變化等來評價[14-17]。由于刨切竹單板產(chǎn)品的厚度基本都在0.2～0.6 mm之間，其硬度、彎曲強度和彈性模量等力學(xué)性能沒有相關(guān)的標(biāo)準檢測方法，而且現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)所使用的國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準LY/T2222-2013《刨切竹單板》也沒有對刨切竹單板(即刨切薄竹)的力學(xué)性能作出規(guī)定[18]。由于刨切竹單板在曲面構(gòu)件貼面或封邊時，縱向很少發(fā)生開裂、折斷等問題，故本文不評價刨切竹單板的縱向軟化效果。因此，刨切竹單板的軟化效果采用橫向曲率半徑減少率來評價，即用未軟化刨切竹單板與軟化刨切竹單板的橫向曲率半徑之差除以未軟化刨切竹單板的橫向曲率半徑的百分比來表示。具體方法是：將軟化前后的刨切竹單板橫向輕輕慢慢卷曲，直到刨切竹單板快要斷裂、不再卷曲時(稱為彎曲極限)，測量其橫向最小卷曲半徑(稱為曲率半徑)，同時仔細觀察刨切竹單板的是否開裂和變色，再來綜合判定軟化效果。每一種試驗條件測試6個試件，橫向曲率半徑減少率取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 軟化工藝對刨切竹單板軟化效果的影響

圖1 軟化溫度對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.1 Effects of NaOH softening temperature on reduction rates of transverse curvature radius

圖2 軟化時間對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.2 Effects of NaOH softening duration on reduction rates of transverse curvature radius

圖3 NaOH質(zhì)量分數(shù)對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.3 Effects of NaOH concentration on reduction rates of transverse curvature radius

2.1.1氫氧化鈉軟化工藝對刨切竹單板軟化效果的影響 以氫氧化鈉(NaOH)為軟化劑，采用單因素試驗法對刨切竹單板進行了軟化處理。軟化溫度、軟化時間和NaOH質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板軟化效果的影響，結(jié)果見圖1、圖2和圖3。從圖1、圖2和圖3可知：隨著軟化溫度的升高刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率逐漸增大，這表明刨切竹單板的橫向柔韌性能隨著軟化溫度的升高而升高，其中刨切竹單板經(jīng)過50 ℃的溫度軟化后的橫向曲率半徑減少率為80 ℃的92.0%，故刨切竹單板的軟化溫度對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖1、圖2和圖3也知：隨著軟化時間的延長刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率逐漸增加，這表明延長刨切竹單板的軟化時間可以提高其橫向柔韌性能，其中刨切竹單板軟化30 min后的橫向曲率半徑為90 min的90.4%，因而刨切竹單板的軟化時間對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖1、圖2和圖3還知：隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增大刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率也逐漸增加，這表明提高NaOH的質(zhì)量分數(shù)有利于提高刨切竹單板的橫向柔韌性能，其中質(zhì)量分數(shù)1%的NaOH軟化刨切竹單板后的的橫向曲率半徑減少率為3%的86.7%，可見NaOH的質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板的橫向柔韌性能有較大影響。因此，刨切竹單板的NaOH軟化工藝對其軟化后的橫向柔韌性能有較大影響。此外，不同的軟化溫度、軟化時間、NaOH質(zhì)量分數(shù)下軟化后刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率的平均值分別為80.3%、70.3%、71.8%，由于橫向曲率半徑減少率越大刨切竹單板的橫向柔韌性能越好，由此可認為刨切竹單板的NaOH軟化效果的工藝條件優(yōu)選順序為：軟化溫度>NaOH質(zhì)量分數(shù)>軟化時間。刨切竹單板經(jīng)NaOH軟化后都產(chǎn)生了變色現(xiàn)象，其中軟化溫度80 ℃、軟化時間90 min、NaOH質(zhì)量分數(shù)3%時的刨切竹單板都產(chǎn)生了少量的開裂，因而刨切竹單板軟化時的溫度不能過高、時間不能過長、NaOH質(zhì)量分數(shù)不能過高。綜合考慮各方面的因素，認為刨切竹單板的NaOH軟化的適宜工藝參數(shù)應(yīng)為：軟化溫度65 ℃、軟化時間60 min、NaOH質(zhì)量分數(shù)2%。

圖4 軟化溫度對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.4 Effects of NaHCO3 softening temperature on reduction rates of transverse curvature radius

圖5 軟化時間對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.5 Effects of NaHCO3 softening duration on reduction rates of transverse curvature radius

圖6 NaHCO3質(zhì)量分數(shù)對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.6 Effects of NaHCO3 concentration on reduction rates of transverse curvature radius

2.1.2碳酸氫鈉軟化工藝對刨切竹單板軟化效果的影響 以碳酸氫鈉(NaHCO3)為軟化劑，采用單因素試驗法對刨切竹單板進行了軟化處理。軟化溫度、軟化時間和NaHCO3質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板軟化效果的影響，結(jié)果見圖4、圖5和圖6。從圖4、圖5和圖6可知：隨著軟化溫度的升高刨切竹單板的橫向曲率半徑率逐漸增大，這表明刨切竹單板的橫向柔韌性能隨著軟化溫度的升高而升高，其中刨切竹單板經(jīng)過50 ℃的溫度軟化后的橫向曲率半徑減少率為80 ℃的61.9%，故刨切竹單板的軟化溫度對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖4、圖5和圖6也知：隨著軟化時間的延長刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率逐漸增加，這表明延長刨切竹單板的軟化時間可以提高其橫向柔韌性能，其中刨切竹單板軟化30 min后的橫向曲率半徑減少率為90 min的79.1%，因而刨切竹單板的軟化時間對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖4、圖5和圖6還知：隨著NaHCO3質(zhì)量分數(shù)的增大刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率逐漸增大，這表明提高NaHCO3的質(zhì)量分數(shù)有利于提高刨切竹單板的橫向柔韌性能，其中質(zhì)量分數(shù)1%的NaHCO3軟化刨切竹單板后的橫向曲率半徑減少率為3%的66.5%，可見NaHCO3的質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板的橫向柔韌性能有較大影響。因此，刨切竹單板的NaHCO3軟化工藝對其軟化后的橫向柔韌性能有較大影響。此外，不同的軟化溫度、軟化時間、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)下軟化后刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率的平均值分別為44.4%、38.0%、38.8%，由于橫向曲率半徑減少率越大刨切竹單板的橫向柔韌性能越好，由此可認為刨切竹單板的NaHCO3軟化效果的工藝條件優(yōu)選順序為：軟化溫度>NaHCO3質(zhì)量分數(shù)>軟化時間。刨切竹單板經(jīng)NaHCO3軟化后都產(chǎn)生了變色現(xiàn)象，其中軟化溫度80 ℃、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)3%時的刨切竹單板都產(chǎn)生了少量的開裂，因而刨切竹單板軟化時的溫度不能過高、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)不能過高。綜合考慮各方面的因素，認為刨切竹單板的NaHCO3軟化的適宜工藝參數(shù)應(yīng)為：軟化溫度65 ℃、軟化時間90 min、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)2%。

圖7 軟化溫度對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.7 Effects of CH4N2O softening temperature on reduction rates of transverse curvature radius

圖8 軟化時間對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.8 Effects of CH4N2O softening duration on reduction rates of transverse curvature radius

圖9 CH4N2O質(zhì)量分數(shù)對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.9 Effects of CH4N2O concentration on reduction rates of transverse curvature radius

圖10 軟化劑種類對橫向曲率半徑減少率的影響Fig.10 Effects of softener category on reduction rates of transverse curvature radius

2.1.3尿素軟化工藝對刨切竹單板軟化效果的影響 以尿素(CH4N2O)為軟化劑，采用單因素試驗法對刨切竹單板進行了軟化處理。軟化溫度、軟化時間和CH4N2O質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板軟化效果的影響，結(jié)果見圖7、圖8和圖9。從圖7、圖8和圖9可知：隨著軟化溫度的升高刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率逐漸增大，這表明刨切竹單板的橫向柔韌性能隨著軟化溫度的升高而升高，其中刨切竹單板經(jīng)過50 ℃的溫度軟化后的橫向曲率半徑減少率為80 ℃的85.5%，故刨切竹單板的軟化溫度對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖7、圖8和圖9也知：隨著軟化時間的延長刨切竹單板的橫向曲率半徑減少摔逐漸增加，這表明延長刨切竹單板的軟化時間可以提高其橫向柔韌性能，其中刨切竹單板軟化30 min后的橫向曲率半徑為90 min的83.7%，因而刨切竹單板的軟化時間對其橫向柔韌性能有較大影響。從圖7、圖8和圖9還知：隨著CH4N2O質(zhì)量分數(shù)的增大刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率也逐漸增加，這表明提高CH4N2O的質(zhì)量分數(shù)有利于提高刨切竹單板的橫向柔韌性能，其中質(zhì)量分數(shù)1%的CH4N2O軟化刨切竹單板后的的橫向曲率半徑減少率為3%的85.7%，可見CH4N2O的質(zhì)量分數(shù)對刨切竹單板的橫向柔韌性能有較大影響。因此，刨切竹單板的CH4N2O軟化工藝對其軟化后的橫向柔韌性能有較大影響。此外，不同的軟化溫度、軟化時間、CH4N2O質(zhì)量分數(shù)下軟化后刨切竹單板的橫向曲率半徑減少率的平均值分別為56.2%、43.8%、46.3%，由于橫向曲率半徑減少率越大刨切竹單板的橫向柔韌性能越好，由此可認為刨切竹單板的CH4N2O軟化效果的工藝條件優(yōu)選順序為軟化溫度>CH4N2O質(zhì)量分數(shù)>軟化時間。但是，刨切竹單板經(jīng)CH4N2O軟化后都產(chǎn)生了變色現(xiàn)象，其中軟化溫度80 ℃、CH4N2O質(zhì)量分數(shù)3%時的刨切竹單板都產(chǎn)生了少量的開裂，因而刨切竹單板軟化時的溫度不能過高、CH4N2O質(zhì)量分數(shù)不能過高。綜合考慮各方面的因素，認為刨切竹單板的CH4N2O軟化的適宜工藝參數(shù)應(yīng)為軟化溫度65 ℃、軟化時間90 min、CH4N2O質(zhì)量分數(shù)2%。

2.2 軟化劑種類對刨切竹單板軟化效果的影響

以氫氧化鈉(NaOH)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、尿素(CH4N2O)為軟化劑，采用相同的軟化工藝：軟化溫度65 ℃、軟化時間60 min、軟化劑質(zhì)量分數(shù)2%對刨切竹單板進行軟化處理，對比分析軟化劑種類對刨切竹單板軟化后的橫向曲率半徑減少率的影響，結(jié)果見圖10。從圖10可知：采用不同種類的軟化劑對刨切竹單板進行軟化處理，軟化處理后刨切薄的橫向曲率半徑減少率不同，由小到大的順序為NaHCO3CH4N2O>NaHCO3?？梢姡?種軟化劑中，NaOH對刨切竹單板的軟化效果最好，CH4N2O次之，NaHCO3相對較差。此外，采用NaOH、CH4N2O和NaHCO33種軟化劑，在軟化溫度65 ℃、軟化時間60 min、軟化劑質(zhì)量分數(shù)2%的工藝參數(shù)下，分別對刨切竹單板進行軟化處理，刨切竹單板軟化后都產(chǎn)生了變色現(xiàn)象，但沒有出現(xiàn)刨切竹單板開裂的情況，因而此工藝為刨切竹單板軟化時的較佳工藝。

3 結(jié)論

NaOH、NaHCO3和CH4N2O的軟化工藝對刨切竹單板的軟化效果有較大影響。隨著軟化溫度的升高、軟化時間的延長、軟化劑質(zhì)量分數(shù)的增大，刨切竹單板軟化后的橫向曲率半徑減少率逐漸增大，因而刨切竹單板的橫向柔韌性能逐漸增大。

刨切竹單板的NaOH軟化的適宜工藝參數(shù)為：軟化溫度65 ℃、軟化時間60 min、NaOH質(zhì)量分數(shù)2%；刨切竹單板的NaHCO3和CH4N2O軟化的適宜工藝參數(shù)均為：軟化溫度65 ℃、軟化時間90 min、NaHCO3和CH4N2O的質(zhì)量分數(shù)2%；在軟化溫度、軟化時間、軟化劑質(zhì)量分數(shù)3個因素中，影響刨切竹單板軟化效果的優(yōu)選順序為軟化溫度>軟化劑質(zhì)量分數(shù)>軟化時間。

采用不同種類的軟化劑對刨切竹單板進行軟化處理后，刨切薄的橫向曲率半徑率和橫向柔韌性能不同；橫向曲率半徑減少率由小到大的順序為NaHCO3CH4N2O>NaHCO3；其中，NaOH對刨切竹單板的軟化效果最好。