弧形竹材膠合成型工藝研究進展*

陳 林 方長華 劉煥榮 馬欣欣 費本華

（國際竹藤中心，北京 100102)

竹子是廣泛分布于亞洲、歐洲和美洲等地區(qū)的一種可再生自然資源[1]，具有生長周期短、更新速度快和固碳能力強等優(yōu)勢[2]，可作為家具、建筑結(jié)構(gòu)用材和生產(chǎn)生活原料[3-4]。以竹材發(fā)展利用為基礎形成的綠色產(chǎn)業(yè)，其巨大的經(jīng)濟、生態(tài)和文化價值日漸受到人們的重視[5]。

我國是竹資源最豐富的國家，竹種植面積約占全球竹林面積的20%。近年來，我國竹產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，竹類產(chǎn)品不斷豐富，產(chǎn)值逐年增加[6]。但竹材資源利用率低及其產(chǎn)業(yè)化滯后等問題制約著我國竹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。圓竹具有中空壁薄的天然筒體結(jié)構(gòu)[7]，也存在尖削度大和力學性能差異大等缺陷[8]，在使用過程中易產(chǎn)生蟲蛀[9]、開裂[10]、發(fā)霉[11]等劣變現(xiàn)象，限制了其使用范圍。竹材人造板材是圓竹的利用方式之一，也是竹材產(chǎn)業(yè)化的主要方式[12]。在傳統(tǒng)的竹材人造板制備過程中，竹材通常被分為細小單元后再重新膠合[13]。這種拆分后再組合的方式破壞了竹子的顏色、紋理和結(jié)構(gòu)等原始形態(tài)。竹材在細化過程中，存在利用率低、工序復雜等問題，增加了竹材人造板的生產(chǎn)成本[14]。此外，膠黏劑的過多使用會引發(fā)環(huán)境問題?；⌒卧瓚B(tài)重組竹是一種新型竹材人造板產(chǎn)品，能夠在盡可能減少竹子本身顏色、紋理和基本結(jié)構(gòu)損失的前提下，保證弧形竹片系統(tǒng)的完整性，達到原態(tài)、低膠、低成本的技術目標要求，滿足建筑、家具、交通、裝飾和日用品等領域使用需要。

竹材的基本特性是生產(chǎn)弧形竹材原態(tài)膠合板材的基礎，組坯熱壓膠合是必要的生產(chǎn)工藝，力學性能及彎曲破壞形式是評估其性能的重要指標。本文以竹材特性為切入點，對弧形竹片膠合板材生產(chǎn)工藝和性能評估結(jié)果進行綜述，以期為弧形原態(tài)重組竹材規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 竹材特性

竹子垂直挺拔，生長高度和直徑各異。斯里蘭卡和印度的印度麻竹[Dendrocalamopsis beecheyana(Munro)Keng var.pubescens(P. F. Li) Keng f.]，生長高度超過35 m[15]。云南的巨龍竹（Dendrocalamus sinicusChia et J. L. Sun）是現(xiàn)今世界上最大的竹子，最大直徑可達25.2 cm[16]。作為竹子的主要利用部位，圓柱形的竹竿具有尖削度，從竹子根部到頂部的直徑差異較大[17]。同時，尖削度也帶來了竹竿竹壁的厚度差異。一般而言，竹壁厚度從竹子根部到頂端逐步變小，如巨龍竹的竹壁厚度變化范圍為0.2 ～5.5 cm[16]。竹子結(jié)構(gòu)中空，節(jié)間長度各異，慈竹（Neosinocalamus affinis）的節(jié)間長度最大可達60 cm。竹子的圓柱形特性決定了其在生產(chǎn)中無法如木方材一樣直接拼接膠合，通常需要做切削或細化處理才能滿足成板要求。在竹質(zhì)人造板生產(chǎn)過程中，由于竹子生長高度和直徑的差異，需要對竹子進行規(guī)格化和標準化處理，處理過程體現(xiàn)了竹質(zhì)人造板生產(chǎn)工藝的特殊性。

如圖1 所示，竹子表面的蠟質(zhì)層主要成分為烷烴類物質(zhì)。我國南方熱帶地區(qū)的牡竹屬、簕竹屬竹青表層蠟主要由正構(gòu)烷烴組成[19]。同時，蠟質(zhì)層在竹青表面能夠形成點狀凸起物[20]。蠟質(zhì)層覆蓋和點狀突起是疏水結(jié)構(gòu)的必要條件[21]，此疏水結(jié)構(gòu)對水溶性膠黏劑也具有疏拒作用，導致竹材膠合困難。為了保證膠合強度，在竹質(zhì)人造板生產(chǎn)過程中，竹青和竹黃往往被去除，但該過程工序復雜，能源消耗大，降低了竹材利用率，增加了生產(chǎn)成本。

圖1 毛竹表層SEM圖片[18]及疏水效果Fig.1 SEM image of the surface layer of Moso bamboo[18] and its hydrophobic effect

在竹質(zhì)人造板生產(chǎn)中，由于竹子結(jié)構(gòu)和表層特性，無法直接使用圓竹進行生產(chǎn)利用。為滿足成板要求，通常對竹子進行細小化處理，制得規(guī)格和性狀一致的單元以便拼接膠合。按照單元尺寸和性狀可分為纖維單元、碎料單元和塊狀單元以及竹片單元。單元尺寸越小，生產(chǎn)工序越復雜，能源消耗越大。同時單元尺寸越小，比表面積越大，膠合工序中膠黏劑的使用量越多，造成的環(huán)保和成本壓力更為顯著?；⌒沃衿瑔卧鳛榛⌒卧瓚B(tài)重組竹的生產(chǎn)原料，具有尺寸大、比表面積小等特點，銑削后拼接緊密，在充分利用竹子特性的基礎上，能夠有效克服傳統(tǒng)竹質(zhì)人造板部分缺點。

2 弧形原態(tài)重組竹生產(chǎn)工藝

2.1 弧形竹片制備

竹材弧形原態(tài)重組是將圓竹弧形竹片直接拼合后膠接成板[22]。如圖2所示，竹子采伐后截斷成竹段，再將竹段破成弧形竹片[23]，同時需要去除竹節(jié)以保證弧形竹片貼合緊密[24]?；⌒沃衿钠浦窆に囀菦Q定竹子整體利用率的關鍵。竹筒分片弧長段越小，分片徑級數(shù)越小，竹材利用率越高[25]。然而在竹片加工過程中，過多的切削鋸路，會導致原料損失，同時增加加工能耗，因此需根據(jù)竹子的直徑進行適當切割?；⌒沃衿?jīng)干燥后可進行銑削膠合，干燥工藝主要影響弧形竹片的形態(tài)。原態(tài)毛竹橫向收縮為向心收縮，且竹青收縮大于竹黃，導致竹壁變薄[26]。作為原態(tài)竹材產(chǎn)品，弧形竹片在高含水率時干燥速度快，尺寸變化大，含水率低于5%時趨于穩(wěn)定，竹青側(cè)干縮率大于竹黃側(cè)[27]。此外，干燥溫度也會對弧形竹片的形態(tài)產(chǎn)生影響。在干燥過程中，干燥溫度超過70 ℃時弧形竹片易發(fā)生翹曲變形；大于80 ℃時，還會發(fā)生皺縮現(xiàn)象；超過100 ℃時，竹材會同時發(fā)生翹曲、皺縮和開裂現(xiàn)象[28]。弧形竹片與方形竹片除了形狀上不同，在干燥過程中應力變化也有區(qū)別，因此干燥工藝也異于方形竹片。在高頻加熱條件下，弧形竹片寬度為20～30 mm，含水率保持12%，干燥極板電壓設定為4 kV時，干燥的速度和質(zhì)量更穩(wěn)定[29]。弧形竹片干燥后，使用銑削設備將竹片銑削為內(nèi)壁和外壁直徑相等的竹片以便在組坯中能夠保證竹片單元間的緊密貼合。毛竹在60～70 ℃的溫水中軟化后，旋切成同圓心圓柱體，再將旋圓的竹段縱向等分為3個弧形竹片，弧形竹片夾持在夾具內(nèi)銑削，直至內(nèi)、外弧面的曲率半徑相同[30]。

圖2 弧形竹片加工流程[22]Fig.2 Curved bamboo sheet processing flow [22]

與傳統(tǒng)方形竹片的重組技術相比，銑削后的弧形竹片尺寸更寬、材料的利用率更高[31]，同時能耗更少。銑削后，弧形竹片的寬度最大可達40 mm，而方形竹片寬度最大僅為20 mm，竹材利用率較方形竹片提升30%[32]。在弧形竹片制備過程中，可以通過測量竹條外圓弧半徑和竹片厚度以選擇弧形刀，將竹條外表面劈出弧形橫截面，形成弧形竹片[33]。然而竹子的內(nèi)外徑各異，每次劈裂時需要選擇不同的弧形刀，加大了工作量，因此固定刀具銑削設備應運而生。使用平行對中的兩立銑刀將竹片兩側(cè)表面加工為相互平行的光滑平面，再用曲率半徑相同的凸凹圓銑刀將內(nèi)外表面加工成曲率半徑相同的光滑圓弧面，銑削后弧形竹片的竹材利用率是矩形竹片的1.5～2倍，能夠有效節(jié)約竹材資源和能源[34]。由于竹子的天然厚度和弧度不均，弧形竹片生產(chǎn)中需銑削成定厚和定弧，造成材料的浪費。使用一種非等弧、等寬、等厚的弧形竹片熱壓工藝，減少弧形竹片銑削過程中竹材磨削量，能夠提升弧形竹材利用率[35]?；⌒沃衿纳a(chǎn)質(zhì)量將影響最終原態(tài)弧形重組竹的質(zhì)量，因此單個弧形竹片質(zhì)量控制尤為重要。針對弧形重組竹研制的竹材定型弧銑機，能夠在去除竹青竹黃的同時使弧形竹片內(nèi)壁和外壁具有同等的曲率，同時保持竹片的完整性，可有效提升竹材利用率，降低銑削加工中的能耗[36]。

2.2 弧形竹片膠接

將制備好的弧形竹片以不同方式進行拼接，組成板坯。如圖3a所示，弧向相同和相對的拼接方式[37]能夠有效分散內(nèi)部應力，減少應力集中[38]，而使用指接的方式可以擴大幅面，滿足更多使用要求。膠合是竹質(zhì)人造板主要成板方式。竹青和竹黃均為疏水結(jié)構(gòu)，因而膠黏劑和板面不能有效結(jié)合[39]?；⌒沃衿娤鞑粌H保證了等弧，也去除了竹青竹黃，并且在竹中的兩面形成了具有一定粗糙度的表面。與粗銑削竹片相比，精銑弧形竹片表面潤濕性更好，更適合弧形規(guī)格竹材膠合[40]?；⌒沃衿z合本質(zhì)上也是竹子內(nèi)部維管束與基本組織之間的膠合，其膠黏劑的選擇要求與傳統(tǒng)竹材人造板相似。從成本和生產(chǎn)工序考慮，對比PF（酚醛樹脂）、P-MDI（聚二苯甲烷二異氰酸酯）和API（水性高分子-異氰酸酯）3種膠黏劑，PF涂膠量為250 g/m2時，制備的弧形原態(tài)重組竹吸水厚度膨脹率為0.87%，膠合強度為1.40 MPa，靜曲強度和彈性模量分別達到了111.6 MPa和4 497 MPa，各項性能良好，能夠較好地適用于工業(yè)生產(chǎn)[37]。由于形狀差異，弧形竹片在施膠工藝上與方形竹片存在區(qū)別[41]。在施膠過程中，應使用與弧形竹片弧度對應的施膠輥對竹片內(nèi)壁和外壁進行施膠，在保證施膠均勻性的同時能夠節(jié)省膠黏劑[42]。此外，與方形竹片相比，弧形竹片膠合膠黏劑的使用量更低，在同等的膠層厚度下，弧形竹片施膠量僅為方形竹片的56%～60%[37]。

圖3 弧形竹片組坯和熱壓 [32,38,43]Fig.3 Curved bamboo chip assembly and hot pressing [32,38,43]

2.3 弧形竹片重組竹熱壓

如圖3b所示，對比傳統(tǒng)方形竹片重組工藝，由于弧形竹片的特殊形狀，單獨水平方向施加壓力可能導致受壓不均甚至竹片破裂，因此需要專用的熱壓設備對其進行熱壓。根據(jù)竹子中水分分布和施膠工藝[44]開發(fā)的弧形原態(tài)重組竹高頻熱壓成型設備，可對組坯后的板材進行垂直、側(cè)向、縱向3個方向同時加壓。使用高頻熱壓設備，設定單位壓力為2.0 MPa，屏極電壓為4 200 V，屏極電流為1.5 A，熱壓時間為每毫米厚度熱壓30 s[45]，可提高弧形原態(tài)重組材的生產(chǎn)效率[43]。CGPB-65SP多功能竹材弧形重組高頻拼板機，可將熱壓周期從20 h縮短至15 min，加工厚度可達60 mm以上[46]。

3 弧形原態(tài)重組竹性能評估

3.1 力學性能

弧形竹片最大程度上保留了竹子的天然弧形結(jié)構(gòu)，具有特殊力學承載結(jié)構(gòu)特征，因此使用弧形竹片制備的弧形原態(tài)重組竹力學性能與方形竹片重組竹也存在差異。根據(jù)數(shù)學模型計算，與方形竹片重組竹對比，弧形原態(tài)重組竹具有更小的曲率半徑，單元強度更高，能夠承受更大的載荷，且在承受同等載荷的情況下不易發(fā)生變形和斷裂[47]?；⌒卧瓚B(tài)重組竹結(jié)構(gòu)優(yōu)良，力學性能較好，靜曲強度可達95.9～126.9 MPa，彈性模量為4 214～6 240 MPa，可作為結(jié)構(gòu)材用于承重場合[45]。

3.2 彎曲破壞

弧形原態(tài)重組竹的破壞是評估使用條件的重要依據(jù)。含水率是影響弧形原態(tài)重組竹產(chǎn)生竹破壞的重要因素。對于原態(tài)竹材而言，含水率及其關聯(lián)變化會導致竹材各部位應力不均勻和開裂[48]。膠層破壞則是弧形原態(tài)重組竹整體破壞的重要原因[49]。此外，弧形竹片的銑削工藝也會影響弧形原態(tài)重組竹的力學性能。粗銑的目的是去除弧形竹片毛坯內(nèi)外面上的竹青和竹黃，同時去除內(nèi)外竹節(jié)，將弧形竹片加工成表面光滑且內(nèi)、外弧半徑相等的光毛坯，然后將內(nèi)、外弧對應的扇形夾角加工成30～120°。粗銑弧形竹片，因干燥脫水、粗銑機的加工精度不高留有竹青竹黃等因素導致竹片形變較大，尺寸規(guī)格不均勻，達不到組坯膠合竹片精確的要求，需要對干燥的弧形竹片進行精銑加工。在垂直彎曲加載中，粗銑和精銑弧形竹材最大彎曲破壞載荷分別為2 523.29 MPa和5 390.19 MPa，對應的位移分別為2.84 mm和6.28 mm；平行彎曲加載中，粗銑和精銑弧形竹材最大彎曲破壞載荷分別為7 093.43 MPa和7 634.14 MPa，對應的位移分別為3.99 mm和5.64 mm。精銑的竹材比粗銑的竹材能夠承受更大的載荷和撓度；垂直和平行于竹青面加載時，精銑弧形竹片在斷裂前承受載荷的時間比粗銑弧形竹片的長，且精銑弧形竹片在斷裂時位移大。膠黏劑種類也會影響弧形原態(tài)重組竹的性能。實驗表明：垂直加載時，使用P-MDI和UF（脲醛樹脂）的弧形竹材竹青面斷裂時間分別為27.81 s和27.06 s，水平加載時使用P-MDI和UF的弧形竹材竹青面斷裂時間分別為34.63 s和23.85 s，使用P-MDI膠黏劑承受載荷的時間比使用UF膠黏劑的長[50]。

4 弧形原態(tài)重組竹的應用

弧形原態(tài)重組竹是在保持竹子原有形態(tài)下使竹材成板。弧形竹片膠合成板后，竹子的原始形態(tài)和力學性能得以保存，同時還具有板面寬、尺寸穩(wěn)固、強度大、耐磨損、變形小、剛度好、易加工等特點，可進行鋸裁、刨削、鏤銑、開榫、鉆孔、砂光、裝配及裝飾等加工方式，能夠應用于眾多領域。如圖4可見，弧形原態(tài)重組竹的弧形竹片組合契合樹木年輪結(jié)構(gòu)，既保留了竹子的質(zhì)感，又兼具木材的美感。在徑切面上，弧形原態(tài)重組竹具有清晰的肌理，表現(xiàn)出竹絲的紋理效果；而在橫切面上，又展現(xiàn)出弧形紋理，與木材的肌理形態(tài)極為相似。因此在弧形原態(tài)重組竹利用中，可以借鑒木材的加工方式，通過調(diào)整切削方式獲得諸如年輪、山形紋路等木紋圖案，具有極佳的裝飾效果，可用于家具制造、室內(nèi)外裝飾裝修以及制造薄竹裝飾貼面等[51]。在以弧形原態(tài)重組竹為材料設計的茶藝家具中，弧形原態(tài)重組的形態(tài)、色彩表現(xiàn)力和肌理都得以詮釋[52]。除了結(jié)構(gòu)和外形帶來的優(yōu)異質(zhì)感和形制，優(yōu)良的力學性能也表明了弧形原態(tài)重組竹具有極佳的應用潛力，其靜曲強度及彈性模量基本達到60E優(yōu)等品結(jié)構(gòu)用單板層積材、C級結(jié)構(gòu)用竹木復合板和B類50型竹膠合板要求，可作為結(jié)構(gòu)材用于承重場合[45]。

圖4 弧形原態(tài)重組竹產(chǎn)品[51]Fig.4 Curved original restructuring bamboo products[51]

5 結(jié)語

弧形原態(tài)重組竹是竹材高效利用方式之一，能夠最大限度保留竹子的原態(tài)結(jié)構(gòu)特征。與方形竹片重組竹相比，弧形原態(tài)重組竹提升了竹材利用率，減少了膠黏劑的使用，制成的板材具有優(yōu)異的力學性能。弧形竹片的特殊排列結(jié)構(gòu)使其具有特殊的外觀和質(zhì)感。然而，在弧形竹片制備過程中，竹青和竹黃去除也會造成竹材浪費，同時PF等膠黏劑使用還會帶來環(huán)境風險。此外，竹片組坯熱壓工藝需要特殊的設備，前期投入較高。因此，如何在保持竹子原態(tài)下提升利用率，改進弧形竹片膠合工藝，優(yōu)化生產(chǎn)設備等仍是當前需要解決的問題。