毛竹筒展平板微觀結(jié)構(gòu)和基本性能初步研究

張 芊 梁廣元 黃夢雪 張曉春 張文標(biāo)(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院浙江臨安311300)

毛竹筒展平板微觀結(jié)構(gòu)和基本性能初步研究

張 芊 梁廣元 黃夢雪 張曉春 張文標(biāo)
(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院浙江臨安311300)

為了拓展竹展平板后續(xù)加工應(yīng)用，對毛竹筒高溫軟化前后及展平板的顯微構(gòu)造及基本力學(xué)性能進(jìn)行了觀測與測試。結(jié)果表明:竹材軟化后的薄壁細(xì)胞變形較小，展平后的薄壁細(xì)胞變形較大。對比原竹材與展平板的物理力學(xué)性能，展平板的密度和抗彎彈性模量分別比原竹材增大4.40%和6.76%，靜曲強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和順紋抗拉強(qiáng)度分別降低4.35%、4.32%和20.52%。除順紋抗拉強(qiáng)度指標(biāo)外，其他物理力學(xué)性能指標(biāo)在展平前后變化不大，基本不影響其后續(xù)的加工利用。

毛竹筒；展平板；顯微構(gòu)造；物理力學(xué)性能

國內(nèi)外在竹片展平技術(shù)方面進(jìn)行了大量探索。當(dāng)前，生產(chǎn)展平竹板材的方法主要有去除竹青、竹黃和在竹黃加工線槽或?qū)Я蜒鄣?，展平生產(chǎn)工藝有介質(zhì)加熱軟化展平法和加壓展平法等[1]。謝力生等[2]采用半竹筒展平的方法將剖成兩半的竹塊去除節(jié)隔、竹青和竹黃，使其厚度及外表面的周長為定值，再將竹塊加熱、加壓展平成平板狀。吳勇為等[3]研制出一種在保留竹青、竹黃層基礎(chǔ)上，不改變竹材纖維整體特性、竹材展平不開裂的方法，即在竹材的竹黃表面加工導(dǎo)裂眼，竹材內(nèi)徑在展平的同時，分散加工的導(dǎo)裂眼將展平時產(chǎn)生的分裂作用力分散和吸收，從而有效阻止了竹黃面上裂縫的開裂。丁定安等[4]提出了原竹弧形竹片 “剖黃聯(lián)青”展開工藝。錢俊等[5]研究發(fā)現(xiàn)，將竹材劈分成一定圓周弧度的竹片，進(jìn)行軟化后展平，其圓周弧度越小竹片展平率越高，且無節(jié)竹片比有節(jié)竹片易展平。利用帶有可調(diào)側(cè)壓機(jī)構(gòu)的熱壓機(jī)對原竹弧狀竹片進(jìn)行展平，可得到表面裂縫較少或無裂縫的竹片[6]。此外，采用高壓水蒸汽法也可對竹材進(jìn)行展平和定型處理[7]。總體來看，目前竹材展平大多為將圓竹截斷后剖分為多片再進(jìn)行展平，其展平幅面小、生產(chǎn)效率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。若能將圓筒形竹材通過簡單的方法和設(shè)備展平成平直狀，保證展平板裂紋少、不破裂、力學(xué)性能不受影響，將為竹材的工業(yè)化利用開辟新的途徑[8]。本文探討了毛竹筒高溫軟化展平對毛竹材及展平板的顯微構(gòu)造和力學(xué)性能的影響，以期為展平板的后續(xù)加工利用提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)原材料選取5年生的新鮮毛竹材，產(chǎn)地浙江麗水，由浙江德長竹木有限公司提供。竹材含水率為33%～45%，直徑壁厚8～12 mm，竹筒彎曲度≤1.5%，無明顯缺陷。毛竹材試件的軟化條件為軟化溫度180℃、時間6 min；毛竹材展平后的展平板。

試驗(yàn)儀器有:MJ6113圓鋸機(jī)、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、AS971含水率測定儀 (深圳市富蘭克電子有限公司生產(chǎn))、AG204固體密度計、SS-550掃描電子顯微鏡(日本島津公司生產(chǎn))、精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺等。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 掃描電鏡

將毛竹材各試件制成極薄小試塊，分別制取橫、弦、徑3個切面，放入抽真空噴金設(shè)備中進(jìn)行噴金，使其均勻地覆蓋在試件的表面。然后將試件放入掃描電鏡樣品托上放大500倍進(jìn)行觀察。

2.2 毛竹材及展平板物理力學(xué)性能測試

將同竹齡、同部位的毛竹材、軟化后毛竹材試件及展平板制成規(guī)定尺寸，分別測量其順紋抗拉強(qiáng)度、弦向靜曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度和密度。力學(xué)性能具體測試方法依據(jù)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。密度測定采用AG204型排液法固體密度測定儀、以酒精為介質(zhì)、進(jìn)行12次平行測量，取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹材及展平板顯微結(jié)構(gòu)

采用切片法用SEM對毛竹材及展平板進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察 (圖1—圖3)?？梢钥闯?，毛竹原材維管束之間主要由薄壁細(xì)胞組成，竹材薄壁細(xì)胞主要是長圓形或短圓形 (圖1)；當(dāng)毛竹材經(jīng)過高溫蒸汽軟化處理后，一部分薄壁細(xì)胞發(fā)生輕微變形，圓形發(fā)生扭曲，但基本形狀并未發(fā)生變化 (圖2)；將軟化后的毛竹材展平，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，毛竹材中原本呈圓形的基本組織出現(xiàn)了壓縮變形，變形較為嚴(yán)重，且竹材維管束組織中的孔隙在展平后也觀測不到了 (圖3)。這是因毛竹材受到展平過程的應(yīng)力所致。

3.2 毛竹材及展平板物理力學(xué)性能

毛竹材的力學(xué)性能是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，靜曲強(qiáng)度表征竹材承受橫向載荷的能力，彈性模量表征竹材抵抗變形能力的大小，抗壓強(qiáng)度表征竹材受到外力的最大程度，抗拉強(qiáng)度表征竹材受拉斷裂前的最大應(yīng)力。經(jīng)過軟化處理前后毛竹材及展平板的物理力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。由表1可見，毛竹材在經(jīng)過軟化處理后，竹材試件的各個物理力學(xué)性能均發(fā)生降低，且降低幅度較大。對軟化后的毛竹材進(jìn)行展平后，其物理力學(xué)性能又呈現(xiàn)增加。在高溫和過熱蒸汽的軟化作用下，竹材的化學(xué)成分會發(fā)生變化，對竹材具有一定的增塑作用，同時竹材中的抽提物會部分抽提出，因此經(jīng)過軟化的竹材試件物理力學(xué)性能發(fā)生降低。將其置于展平機(jī)中展平，受到展平機(jī)對毛竹筒的展平力，竹材維管束受到擠壓，其密度及力學(xué)性能等又會發(fā)生增大。

圖1 毛竹原材的顯微結(jié)構(gòu) (左圖為橫切、中圖為弦切、右圖為徑切，下同)

圖2 軟化后毛竹材的顯微結(jié)構(gòu)

圖3 毛竹展平板的顯微結(jié)構(gòu)

表1 毛竹材物理力學(xué)性能測試結(jié)果

與原竹材的物理力學(xué)性質(zhì)相比，毛竹展平板的密度和抗彎彈性模量分別增加4.40%和6.76%，靜曲強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和順紋抗拉強(qiáng)度分別降低4.35%、4.32%和20.52%。原竹材在軟化展平后，竹材大部分受到壓縮，內(nèi)部空隙發(fā)生變形，纖維薄壁細(xì)胞被密實(shí)化，宏觀上可以看到展平板的密度大于原竹材的密度。靜曲強(qiáng)度和彈性模量這2個性能特征對展平板的加工利用較為重要，可以看到展平板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量相對于原竹材變化不大，不影響展平板的后續(xù)加工利用。竹材展平后的順紋抗拉強(qiáng)度發(fā)生較大幅度的降低，表明在對展平板的后續(xù)加工利用中應(yīng)盡量避免在順紋拉伸上的應(yīng)用。

4 小結(jié)

研究顯示，竹材經(jīng)過軟化后，薄壁細(xì)胞變形較小，軟化對竹材的增塑作用使其物理力學(xué)性能發(fā)生大幅度降低。軟化后的竹材經(jīng)過展平后，其薄壁細(xì)胞之間相互擠壓，變形較大。除順紋抗拉強(qiáng)度外，相對于原竹材，展平板的物理力學(xué)性能變化不大，基本不影響其后續(xù)的加工利用。

[1] 黃夢雪，張文標(biāo)，張曉春，等.竹材軟化展平研究及其進(jìn)展[J].竹子研究匯刊，2015，34(1):31-36.

[2] 謝力生，張昭霖.新型竹平板制造技術(shù)[J].木材加工機(jī)械，2000(2):10-13.

[3] 吳勇為，匡鵬，楊忱，等.用于將留竹青竹簧圓弧狀的竹材的展平步驟、用該展平步驟的展平方法及展平裝置[P].中國專利:200710025460.x.2008-1-9.

[4] 丁定安，孫曉東，涂佳，等.弧形竹片 “剖黃聯(lián)青”展開工藝研究[J].湖南林業(yè)科技，2012，39(4):25 -28.

[5] 錢俊，葉良明，李文珠.毛竹展平的初步研究[J].竹子研究匯刊，1999，18(1):23-26.

[6] Liu J，Zhang H Y，Chrusciel L，et al.Study on a bamboo stressed flattening process[J].European Journal of Wood and Wood Products，2013，71(3):291-296.

[7] 薩如拉，中村晉平，葭谷耕三，等.高圧水蒸気処理による丸竹の新規(guī)平板展開法の開発[J].Mokuzai Gakkaishi，2012，58(4):193-200.

[8] 黃夢雪.毛竹筒軟化生產(chǎn)工藝及展平板性能研究[D].浙江臨安:浙江農(nóng)林大學(xué)，2016.

A Preliminary Study on Microstructure and Basic Properties of Bamboo Flattened Board

Zhang Qian Liang Guangyuan Huang Mengxue Zhang Xiaochun Zhang Wenbiao
(School of Engineering，Zhejiang Agriculture and Forestry University，Lin'an 311300，Zhejiang，China)

In order to expand the subsequent processing and application of bamboo flattened board，Phyllostachys edulis was used in this study for the observation of microstructure and the testing basic mechanic properties.The results indicated that the parenchyma cell of bamboo showed less deformation after the softening treatment，while it had obvious deformation after flattening treatment.Compared with the unprocessed bamboo in physic and mechanic properties，the flattened boards had higher density and modulus of elasticity of 4.40%and 6.76%respectively，while the bend strength，longitudinal compressive strength and longitudinal tensile strength were reduced 4.35%，4.32% and 20.52%respectively.The physical and mechanical properties had little change except longitudinal tensile strength before and after flattening，which had little impact on their follow-up processing and utilization.

Phyllostachys edulis，flattened board，microstructure，physical and mechanical property

10.13640/j.cnki.wbr.2016.06.003

浙江省重大科技專項(xiàng) (編號:2014C02018；2014C02004)。

張芊，在讀碩士，研究方向?yàn)橹癫墓I(yè)化利用。E-mail:805272371＠qq.com。

張文標(biāo)，博士，教授，主要從事竹材加工與利用研究。E-mail:zwb＠zafu.edu.cn。