基于毛竹材的竹重組材關(guān)鍵技術(shù)研究

林海青

(永安市林業(yè)局 福建永安 366000)

基于毛竹材的竹重組材關(guān)鍵技術(shù)研究

林海青

(永安市林業(yè)局 福建永安 366000)

以毛竹為實(shí)驗(yàn)材料，研究了竹重組材在生產(chǎn)過程中冷壓工藝和熱壓工藝的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)竹重組材性能的影響。結(jié)果表明：1)采用冷壓工藝時(shí)，用膠量對(duì)產(chǎn)品的膠合強(qiáng)度和膨脹率影響明顯，用膠量為10%時(shí)生產(chǎn)的竹重組材具有較好膠合強(qiáng)度和吸水膨脹性能；竹束含水率為12%時(shí)其產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度最好；竹重組材的密度越高，其各項(xiàng)性能指標(biāo)就越好；加熱溫度為135 ℃時(shí)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能最佳；加熱時(shí)間選擇15 h較為合適。2)采用熱壓工藝時(shí)，較優(yōu)熱壓工藝條件為單位壓力2.0 MPa、熱壓溫度145 ℃、熱壓時(shí)間1.7 min/mm；此工藝流程大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)能耗。

竹重組材；冷壓工藝；熱壓工藝；毛竹

竹重組材是一種以竹材為主要原料，經(jīng)過碾壓、干燥、施膠、后干燥、組坯成型等加工工藝熱壓而成的板狀或其他形式的新型竹基材料[1]。竹重組材的最大特征是竹材單元橫向松解、縱向相連，單一方向鋪裝，充分利用了竹材纖維材料的固有特性，既保證了竹材的高利用率，又保留了竹材原有的物理力學(xué)性能[2-3]。重組材的壓制是竹重組材生產(chǎn)的核心技術(shù)。根據(jù)加壓與加熱的順序，壓制工藝分為冷壓工藝和熱壓工藝2種。冷壓工藝是將浸膠干燥后的竹材先加壓固定在模具內(nèi)，然后再進(jìn)行加熱固化，從而使不規(guī)則的竹束充分膠合成板材。冷壓工藝的局限性在于密度過大、內(nèi)應(yīng)力過大，造成原材料浪費(fèi)和應(yīng)力平衡時(shí)間延長(zhǎng)；同時(shí)由于生產(chǎn)工藝需要很大的單位面積壓力，生產(chǎn)出的板材規(guī)格受到限制，影響板材的二次加工。熱壓工藝是將浸膠后的竹材直接放入模具內(nèi)，邊加壓邊加熱進(jìn)行固化。毛竹分布廣、面積大、產(chǎn)量高，是生產(chǎn)竹重組材的理想原料。本文以毛竹(Phyllostachysedulis)為主要材料試驗(yàn)研究了竹重組材冷壓和熱壓工藝的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，以期為毛竹重組材連續(xù)化、規(guī)模化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

毛竹采自福建永安市郊區(qū)，為3～7年生毛竹。竹材胸徑70～100 mm，壁厚5.0～12 mm。

膠粘劑為酚醛樹脂膠，由福建永林竹業(yè)有限公司生產(chǎn)，固含量為50%，pH值9.0，使用時(shí)用水稀釋成固含量為25%。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

竹材碾壓機(jī)，由福建省永林竹業(yè)有限公司研制，用于將竹條分解成橫向松散、縱向相連的網(wǎng)狀竹束；冷壓機(jī)，為下壓式冷壓機(jī)，最大壓力為2 000 t，由青島國(guó)森公司生產(chǎn)；模具，由福建省永林竹業(yè)有限公司研制；加熱固化窯，規(guī)格為300 cm × 300 cm × 300 cm，采用蒸汽散熱片加熱；竹材干燥設(shè)備，由福建省永林竹業(yè)有限公司研制，干燥能力為1 t/h，溫度55～85 ℃，連續(xù)進(jìn)料；萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，由濟(jì)南碩通電子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)LLF，量程10 kN，可測(cè)量產(chǎn)品彈性模量、靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等物理力學(xué)性能[4]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 竹材預(yù)處理

1) 竹材剖分。將不同部位、不同胸徑的竹子用不同的剖分刀切成竹片，寬度通常為20 mm或25 mm，再將竹青和竹黃去除，竹片厚度分2～4 mm、5～7 mm、8～10 mm 3種。

2) 竹材疏解。即將竹條分解成橫向松散、縱向相連的過程，采用2.0～2.5 mm厚的碾壓片滾壓而成。

3) 竹材炭化。根據(jù)不同的色度要求采用的蒸汽壓力有0.2～0.5 MPa，炭化周期為2～5 h/次。

4) 竹材干燥。采用窯干法，可以實(shí)現(xiàn)高溫(80 ℃)快速干燥，最終含水率達(dá)到8%時(shí)，干燥周期為14 h。

1.3.2 冷壓生產(chǎn)工藝

包括竹材的稱重、裝料、壓制、緊固、加熱固化、冷卻、拆模和平衡8道工序。

采用單因素試驗(yàn)法，試驗(yàn)施膠量、竹束含水率、密度、加熱溫度、加熱時(shí)間(試驗(yàn)設(shè)計(jì)當(dāng)施膠量10%、竹束含水率15%、密度1.05 g/cm3、加熱溫度135 ℃時(shí)，加熱固化時(shí)間分別為10、12、14、16、18、20 h)等因素對(duì)竹重組材性能的影響。壓制產(chǎn)品規(guī)格為1 880 mm × 105 mm × 140 mm。

1.3.3 熱壓生產(chǎn)工藝

采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)熱壓溫度(130～160 ℃)、熱壓壓力(1.5～2.5 MPa)和熱壓時(shí)間(1.5～1.9 min/mm)對(duì)竹重組材的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能的影響。壓制產(chǎn)品規(guī)格為500 mm × 500 mm × 20 mm。

1.4 檢測(cè)方法

參照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》、GB 18580-2001《室內(nèi)裝飾裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量》和GB/T 13942.1-1992《木材天然耐久性試驗(yàn)方法木材天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》檢測(cè)竹重組材的密度、含水率、縱向靜曲強(qiáng)度(MOR)、縱向彈性模量(MOE)、耐磨性(磨耗量)、耐化學(xué)腐蝕性、甲醛釋放量和天然耐腐性等各項(xiàng)性能。參照GB/T 17657-1999中4.5的方法檢測(cè)吸水厚度膨脹率(TS)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷壓生產(chǎn)工藝對(duì)竹重組材性能的影響

2.1.1 施膠量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

施膠量是指每1 000 kg絕干竹材所添加的膠粘劑的固含量，試驗(yàn)采用烘干后的本色竹束進(jìn)行不同施膠量的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，竹重組材的MOR和MOE隨著施膠量的增加而提高，但施膠量超過10%后其影響程度逐漸減緩。當(dāng)施膠量為10%時(shí)，生產(chǎn)的竹重組材其MOR及MOE超過混凝土模板用膠合板這2項(xiàng)性能的最大指標(biāo)值，完全能夠滿足室內(nèi)裝修用材如家具、門、門框、室內(nèi)隔板、工藝品等用材要求，對(duì)于戶外用材則選11%～12%的施膠量為佳。施膠量越大，產(chǎn)品的TS越小，主要是由于隨著施膠量的增加，竹束膠結(jié)面積增大，板材內(nèi)部間隙減小，水分難以進(jìn)入，防水效果越好。但施膠量也不宜過大，在增大膠粘劑用量的同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本[5]。

2.1.2 含水率對(duì)產(chǎn)品性能的影響

含水率是指浸膠后的竹束經(jīng)干燥后，水分占竹束浸膠后絕干質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。含水率的高低對(duì)膠合強(qiáng)度和固化后的尺寸穩(wěn)定性有決定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)竹束含水率從4%升高到12%時(shí)，產(chǎn)品的MOR和MOE隨著竹束含水率的升高而提高；當(dāng)竹束含水率由12%上升到20%時(shí)，產(chǎn)品的MOR與MOE則會(huì)降低，這主要是由于竹纖維強(qiáng)度本身會(huì)隨著吸著水的增加而下降，在達(dá)到纖維飽和點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最低值。竹束含水率越高，其傳熱效果越好，使得酚醛膠固化程度越高，因此其TS越低[5]。

2.1.3 板材密度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

竹重組材的密度是指壓制后竹重組材單位體積的絕干質(zhì)量。竹重組材的密度高低對(duì)材料的膠合強(qiáng)度和固化后的尺寸穩(wěn)定性具有決定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，竹重組材的密度對(duì)產(chǎn)品的MOR和MOE影響顯著。MOR和MOE隨著密度的增大而提高，TS隨著密度的增大而降低，這是由于密度增大后不僅增加了單位體積內(nèi)的竹材組織實(shí)質(zhì)質(zhì)量，同時(shí)也增加了竹束之間相互膠合的機(jī)會(huì)[5]。但當(dāng)密度大于1.1 g/cm3時(shí)，對(duì)產(chǎn)品性能的提高逐漸減弱，因此產(chǎn)品的適宜密度為0.9～1.0 g/cm3，密度太高則浪費(fèi)原料，密度過低又達(dá)不到所要求的強(qiáng)度。

2.1.4 加熱溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

加熱溫度是指對(duì)浸膠后竹束經(jīng)壓制后進(jìn)行加熱的溫度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，竹束的塑性在105～135 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，膠粘劑固化程度也越好，因而產(chǎn)品的MOR和MOE越好，TS在135 ℃時(shí)達(dá)到最佳值。當(dāng)加熱溫度為135～155 ℃時(shí)，產(chǎn)品的物理力學(xué)性能逐漸下降，這是由于后期隨著溫度的持續(xù)升高，竹材中的化學(xué)成分如纖維素、半纖維素、木素和其他一些碳水化合物在高溫下發(fā)生降解，以及酚醛樹脂膠過度固化變脆，因此產(chǎn)品的MOR和MOE逐漸降低。

2.1.5 加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響

加熱時(shí)間是指對(duì)浸膠干燥后的竹束進(jìn)行加熱的時(shí)間，決定了膠粘劑的固化程度和生產(chǎn)效率，影響著膠合強(qiáng)度和固化后的尺寸穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，產(chǎn)品的MOR與MOE在前16 h內(nèi)隨著加熱時(shí)間的增加而提高，其TS在14 h時(shí)最小。當(dāng)加熱時(shí)間在14～16 h時(shí)，該因子影響程度逐漸減小，超過16 h后MOR和MOE反而降低。加熱時(shí)間對(duì)竹重組材的TS影響直接，若低于14 h，則板坯內(nèi)的酚醛樹脂膠未能充分固化，導(dǎo)致產(chǎn)品的TS過高，不能滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求；超過16 h時(shí)又會(huì)導(dǎo)致酚醛樹脂膠熱解，TS變大。因此，加熱時(shí)間選擇15 h較為合適。

2.2 熱壓生產(chǎn)工藝對(duì)重組竹材性能的影響

2.2.1 熱壓壓力對(duì)產(chǎn)品性能的影響

熱壓壓力主要是克服竹纖維束的反彈力，進(jìn)一步排擠出竹重組材中的空氣、水分，增大竹纖維束之間的接觸面積，以達(dá)到產(chǎn)品厚度和密度的要求。熱壓壓力的大小直接影響竹纖維束之間的接觸面積、竹重組材厚度等。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)壓力1.5～2.5 MPa范圍內(nèi)，當(dāng)壓力小于2.0 MPa時(shí)，產(chǎn)品的耐酸性、耐堿性、浸漬剝離率和MOE等性能指標(biāo)隨著壓力的增大而增強(qiáng)；當(dāng)壓力大于2.0 MPa時(shí)，這些性能指標(biāo)隨著壓力的繼續(xù)增大而減弱；隨著壓力的增大，產(chǎn)品吸水厚度膨脹率、耐沸水性、耐鹽性、耐磨性和MOR等性能指標(biāo)逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)壓力大于2.0 MPa時(shí)，這些性能指標(biāo)隨著壓力的繼續(xù)增大而增強(qiáng)的趨勢(shì)變緩[4]。

2.2.2 熱壓溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

熱壓時(shí)采用溫度的高低直接影響了竹纖維束的熱軟化、熱固性酚醛樹脂的流動(dòng)性、熱固性酚醛樹脂固化速度等。為保證竹重組材完全固化，必須強(qiáng)化傳熱，從而縮短熱壓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，故在生產(chǎn)中常選用較高熱壓溫度。在試驗(yàn)熱壓溫度130～160 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，產(chǎn)品的MOR、MOE、耐沸水性和耐磨性等指標(biāo)逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)溫度高于145 ℃時(shí)，產(chǎn)品的這些性能指標(biāo)變化逐漸成平緩趨勢(shì)。

2.2.3 熱壓時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響

熱壓時(shí)采用的壓力和溫度都需要一定的時(shí)間，才能保證壓力的傳遞和熱量的傳導(dǎo)。熱壓時(shí)間的長(zhǎng)短影響直接影響著竹纖維束的軟化程度、酚醛樹脂固化程度等，進(jìn)而影響產(chǎn)品的物理化學(xué)等強(qiáng)度指標(biāo)；另一方面，從產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)上看，時(shí)間過長(zhǎng)，增加了能耗，增加了生產(chǎn)成本，從而降低了生產(chǎn)效益。在保證最佳產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，熱壓時(shí)間宜短[6]。在試驗(yàn)的熱壓時(shí)間1.5～1.9 min/mm范圍內(nèi)，當(dāng)熱壓時(shí)間小于1.7 min/mm時(shí)，產(chǎn)品的MOR、MOE、耐沸水性、耐鹽性、耐酸性和浸漬剝離率等性能指標(biāo)隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)；但當(dāng)熱壓時(shí)間超過1.7 min/mm時(shí)，隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，產(chǎn)品的MOE、耐沸水性、耐酸性和浸漬剝離率等性能指標(biāo)逐漸減弱，而MOR、耐鹽性、吸水厚度膨脹率和浸漬剝離率等性能指標(biāo)變化呈變緩趨勢(shì)[4]。

2.2.4 熱壓工藝綜合選擇

熱壓壓力對(duì)竹重組材MOE和MOR影響都是顯著的，熱壓時(shí)間對(duì)竹重組材MOR影響顯著。竹重組材的MOE和MOR隨著熱壓3個(gè)要素的增加而增強(qiáng)，在壓力為2.0 MPa、溫度為145 ℃、時(shí)間為1.7 min/mm時(shí)，竹重組材彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較好。因此，以竹重組材的MOE和MOR為平衡指標(biāo)，較優(yōu)熱壓工藝條件為：壓力2.0 MPa，溫度145 ℃，時(shí)間1.7 min/mm。熱壓壓力對(duì)竹重組材耐酸性影響也是顯著的。竹重組材耐酸性隨著溫度的提高而減弱，在壓力為2.0 MPa、溫度為130 ℃、時(shí)間為1.7 min/mm時(shí)，竹重組材耐酸性試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)其他水平較好。因此，以竹重組材耐酸性為平衡指標(biāo)，較優(yōu)化熱壓工藝條件為：壓力2.0 MPa，溫度130 ℃，時(shí)間1.7 min/mm。熱壓3個(gè)要素對(duì)竹重組材其他性能影響均不顯著，故從竹重組材強(qiáng)度和耐酸性方面考慮，竹重組材綜合的較優(yōu)熱壓工藝條件為：壓力2.0 MPa，溫度145 ℃，時(shí)間1.7 min/mm。

3 小結(jié)

采用冷壓工藝時(shí)，用膠量對(duì)產(chǎn)品的膠合強(qiáng)度和膨脹率影響明顯，用膠量為10%時(shí)生產(chǎn)的竹重組材具有較好膠合強(qiáng)度和吸水膨脹性能；竹束含水率為12%時(shí)其產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度最好；竹重組材的密度越高，其各項(xiàng)性能指標(biāo)就越好；加熱溫度為135 ℃時(shí)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能最佳；加熱時(shí)間選擇15 h較為合適。

采用熱壓工藝時(shí)，綜合考慮熱壓壓力、溫度和時(shí)間等3個(gè)要素對(duì)竹重組材各種性能的影響，較優(yōu)熱壓工藝條件為：壓力2.0 MPa，溫度145 ℃，時(shí)間1.7 min/mm。采用這一生產(chǎn)工藝可使壓制時(shí)間大大縮短，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗。

[1] 朱一辛, 饒文彬, 關(guān)明杰, 等. 木竹重組材研究進(jìn)展及開發(fā)前景[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2003, 17(6): 6-7.

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Research on the Key Techniques of Recombined Bamboo Materials Based onPhyllostachysedulis

Lin Haiqing

(FujianYong’an forest bureau，Yong’an，F(xiàn)ujian 366000，China)

The effects of key technical parameters produced by cold-pressing and hot-pressing processes on the performance of recombined bamboo materials were explored by usingPhyllostachysedulisas materials．The results indicated that the glue consumption had significant effect on the bonding strength and expansion rate of the products, in which 10% glue consumption produced the recombined bamboo materials with better mechanical properties and waterproofing effect. The products had the best mechanical properties when the moisture content of bamboo was 12%. The higher the density of bamboo heavy components, the better the performance indicators, the best mechanical properties were achieved when the temperature was 135 ℃,and the suitable heating time was 15 h．The optimum hot-pressing process for recombined bamboo materials ofPh.eduliswas 2.0 MPa at 145 ℃ for 1.7 min/mm. This process improved the production efficiency and reduced the energy consumption significantly.

recombined bamboo materials, cold-pressing process, hot-pressing process,Phyllostachysedulis

林海青，林業(yè)高級(jí)工程師，主要從事竹林培育和筍竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作。E-mail: l13605989676@163.com。

10.13640/j.cnki.wbr.2017.03.004