初期干燥對(duì)竹展平板變形的影響

趙文愷，劉煥榮，王雪花

（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京210037；2.國(guó)際竹藤中心，北京100102）

木材是人類(lèi)生產(chǎn)生活中最重要的材料之一。近年來(lái)，因木材消耗量大，砍伐嚴(yán)重，很多國(guó)家都制定出臺(tái)了限制商業(yè)性采伐木材的政策，嚴(yán)重影響了中國(guó)市場(chǎng)上木材的供給［1］。與木材資源貧乏的現(xiàn)狀不同，中國(guó)素有“竹子王國(guó)”之稱(chēng)，竹產(chǎn)品產(chǎn)量和貿(mào)易量均居世界第一位。以竹材作為中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的新興材料，對(duì)竹資源進(jìn)行科學(xué)的管理與經(jīng)營(yíng)，適合當(dāng)前國(guó)情發(fā)展需求，并能最大化創(chuàng)造竹資源相應(yīng)副產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值，可持續(xù)化利用竹資源，讓這些資源成為我們?nèi)≈槐M、用之不竭的重要生物資源［2］。

在眾多竹制產(chǎn)品中，竹展平板可實(shí)現(xiàn)圓竹的整張化利用，具有材料利用率高、加工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在竹展平板的加工過(guò)程中，干燥是極其重要的一環(huán)。竹展平板干燥效果的好壞直接影響竹產(chǎn)品的物理力學(xué)性能及其附加值［3］。目前竹展平板干燥中最常用的技術(shù)是窯干，此法具有能耗低、熱效高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但制出的展平竹片存在大量的貫穿或不貫穿的裂紋，質(zhì)量較差，合格率較低，極大地影響了消費(fèi)者的使用體驗(yàn)［4］。

為提高竹展平板的使用效率，相關(guān)研究人員就竹展平板的制備及干燥工藝方面取得一定的進(jìn)展，例如：邵迎濤等［5］的研究表明在170℃軟化工藝下，竹展平板的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能較好；劉紅征等［6］的研究則表明竹展平板在展平過(guò)程中竹黃面施以交叉狀線槽刻痕，更易于獲得無(wú)裂紋的平面竹板材等。但總體上，對(duì)于竹展平板開(kāi)裂變形控制的干燥工藝的研究并不多。目前竹展平板干燥主要參照木材的干燥工藝，未能充分依據(jù)竹展平板特性制訂適于竹展平板的干燥工藝，關(guān)于竹展平板的研究尚處于起步階段。

針對(duì)有關(guān)竹展平板的研究相對(duì)較少以及竹展平板容易出現(xiàn)干燥質(zhì)量缺陷的問(wèn)題［7］，研究以實(shí)驗(yàn)室用恒溫恒濕箱為處理設(shè)備，制定了4種不同的初期（24 h）溫濕度狀態(tài)，并就表面刻痕、板材尺寸等竹展平板外部形態(tài)的變化對(duì)干燥度的影響進(jìn)行了測(cè)試分析，以期為竹展平板干燥工藝制訂、工業(yè)化加工提供前期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持［8］。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用產(chǎn)于浙江安吉壁厚約10 mm的4年生新鮮毛竹，將其經(jīng)170℃高溫高壓蒸汽軟化展平后得到含水率約77%的竹展平板。竹展平板經(jīng)平刨刨削掉1 mm厚的竹青后，用橫截鋸將其鋸切成不同長(zhǎng)度、寬度、厚度共8種不同尺寸的試件（表1），刻痕組設(shè)置1個(gè)對(duì)照組，試件重復(fù)數(shù)4。

表1 竹展平板尺寸Tab.1 Flattened bamboo board size

2 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)采用FR-1204可程式恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)（上海發(fā)瑞儀器科技有限公司）為處理設(shè)備，其他輔助設(shè)備包括截鋸、刨光機(jī)、精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺、精度為0.01 g的電子天平、精度為0.001 mm的千分尺、記號(hào)筆等。

3 試驗(yàn)方法

3.1 初期干燥

試驗(yàn)設(shè)置4組干燥工藝，以24 h為一個(gè)周期，每6 h調(diào)整1次處理箱內(nèi)溫濕度（表2）。選取預(yù)處理后的展平竹組，在干燥箱提前預(yù)熱完成后放入恒溫恒濕干燥箱內(nèi)并施以重物，每?jī)蓪又裾蛊桨彘g用3條橫截面大小為15 mm×20 mm的隔條分隔以保證氣體暢通。試驗(yàn)過(guò)程中每6 h測(cè)量一次試件平衡含水率及尺寸。

表2 不同干燥工藝各階段對(duì)應(yīng)溫濕度Tab.2 Temperature and humidity of each stage in various drying processes

3.2 測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)過(guò)程中，每6 h對(duì)試件的長(zhǎng)度、寬度、厚度及拱高進(jìn)行測(cè)試，其具體測(cè)試位置如圖1，取其所測(cè)數(shù)值的代數(shù)平均值作為最終測(cè)定值。

圖1 尺寸測(cè)量位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of size measurement position

3.3 結(jié)果表征

試驗(yàn)以竹展平板干燥處理前后的長(zhǎng)度、寬度、厚度干縮率及拱高變化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

式中，DR－試件尺寸干縮率（長(zhǎng)／寬／厚）／干縮率（拱高），%；Da－干燥后的尺寸（長(zhǎng)／寬／厚／拱高），mm；Db－干燥后的尺寸（長(zhǎng)／寬／厚／拱高），mm。

4 結(jié)果與分析

4.1 竹展平板含水率變化情況

表3為不同尺寸竹展平板在4種初期干燥工藝12 h及24 h時(shí)的平衡含水率。

表3 不同尺寸竹展平板4種干燥工藝下對(duì)應(yīng)的平衡含水率Tab.3 Equilibrium moisture content under four drying processes of flattened bamboo boards with different sizes

平衡含水率隨干燥時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，0～12 h平衡含水率變化較小，與初含水率相比平衡含水率下降在5%以內(nèi)；12～24 h平衡含水率下降顯著，約為15% ～20%。由于A組干燥過(guò)程中溫度改變量較大（6 h時(shí)為43.4℃，12 h時(shí)升至82.2℃），該組竹展平板24 h平衡含水量較B、C、D組低。

試件不同長(zhǎng)、寬、厚度尺寸對(duì)平衡含水率的影響，從表3中看，不同長(zhǎng)度和寬度尺寸對(duì)竹展平板干燥速率的影響很小，而厚度對(duì)干燥速率有著顯著的影響，當(dāng)竹展平板厚度小于或等于7.5 mm時(shí)，干燥速率明顯快于厚度大于7.5 mm的竹展平板。這是由于竹展平板的厚度尺寸較小，干燥過(guò)程中竹展平板內(nèi)部的水分主要沿厚度方向蒸發(fā)［9］，竹展平板厚度較小時(shí)可加速水分蒸發(fā)，提高平面竹板材的干燥效率。

4.2 干燥工藝及刻痕對(duì)竹展平板拱高變化率的影響

拱高是表征竹展平板干燥質(zhì)量的最直接指標(biāo)，圖2所示為4種干燥工藝下竹展平板有無(wú)刻痕情況下的拱高變化率。

圖2 刻痕及干燥工藝對(duì)竹展平板拱高的影響Fig.2 Effect of nicking and drying process on arch height of flattened bamboo boards

由圖2可知，不同干燥工藝對(duì)竹展平板的拱高變化率影響明顯不同，以無(wú)刻痕竹展平板為例，4種干燥工藝的拱高變化率分別為92.02%、134.38%、22.22%、100.96%，C組干燥工藝的拱高變化率明顯低于A、B、D組。造成C組拱高變化率較低的原因，可能是由于C組在初期干燥的24 h內(nèi)僅隨時(shí)間延長(zhǎng)降低了處理箱內(nèi)濕度，而維持了同一溫度（表1），使處理箱內(nèi)環(huán)境變化較緩和，從而有效避免了竹展平板尺寸發(fā)生劇烈變化［10］。

刻痕對(duì)竹展平板拱高變化有明顯改善作用。從圖中可以看到，四組竹展平板的拱高變化率，有刻痕組均遠(yuǎn)低于無(wú)刻痕組：無(wú)刻痕竹展平板的拱高變化率分別為92.02%、134.38%、22.22%、100.96%，有刻痕組則分別降低至34.00%、45.38%、11.11%、92.59%。出現(xiàn)這種情況的原因是竹黃面加工出的刻痕可以分散竹展平板干燥過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，使其變形程度減?。?1］；此外，展平竹黃面的刻痕使竹青面受到擠壓，竹青層密度增大，減小了空氣中OH－接觸交換的通道，從而增加了竹展平板的尺寸穩(wěn)定性［12］。

雖然刻痕處理可以有效提高竹展平板的尺寸穩(wěn)定性，但因刻痕而造成竹黃層凹坑較多導(dǎo)致板材力學(xué)性能下降顯著［13］。在具體生產(chǎn)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇是否對(duì)竹展平板進(jìn)行刻痕處理。

4.3 尺寸對(duì)竹展平板長(zhǎng)、寬、厚度干縮率及拱高變化率的影響

以C組初期干燥工藝為例，分析竹展平板尺寸對(duì)長(zhǎng)度、寬度、厚度干縮率及拱高變化率的影響，見(jiàn)圖3、4、5、6。

圖3 尺寸（長(zhǎng)、寬、厚）對(duì)竹展平板長(zhǎng)度干縮率的影響Fig.3 Effect of size（length，width，thickness）on length dry shrinkage rate of flattened bamboo boards

圖4 尺寸（長(zhǎng)、寬、厚）對(duì)竹展平板寬度干縮率的影響Fig.4 Effect of size（length，width，thickness）on width dry shrinkage rate of flattened bamboo boards

圖5 尺寸（長(zhǎng)、寬、厚）對(duì)竹展平板厚度干縮率的影響Fig.5 Effect of size（length，width，thickness）on thickness dry shrinkage rate of flattened bamboo boards

圖6 尺寸（長(zhǎng)、寬、厚）對(duì)竹展平板拱高變化率的影響Fig.6 Effect of length，width and thickness on change rate of arch height of bamboo flattened boards

由圖可知，不同尺寸下竹展平板的長(zhǎng)度方向干縮率基本接近于0%（圖3），寬度和厚度方向干縮率均在0～2%（圖4、5）。竹展平板長(zhǎng)／寬／厚度對(duì)寬度及厚度干縮率的影響有所不同。竹展平板長(zhǎng)度、寬度對(duì)寬度干縮率的影響無(wú)明顯規(guī)律，3種長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的寬度干縮率分別為1.21%、0.68%、1.39%，3種寬度下對(duì)應(yīng)的寬度干縮率分為0.75%、1.39%、1.08%；隨厚度增加，竹展平板的寬度干縮率呈增大趨勢(shì)，3種厚度下的寬度干縮率分別為0.86%、1.13%、1.39%（圖4）。竹展平板的厚度干縮率隨竹展平板長(zhǎng)、寬、厚度尺寸增加呈增大趨勢(shì)，3種長(zhǎng)度下的厚度分別為0.36%、0.68%、1.48%，3種寬度下分別為1.29%、1.48%、1.83%，3種厚度下分別為1.08%、1.26%、1.48%（圖5）。

上述數(shù)據(jù)表明，寬度對(duì)竹展平板尺寸，特別是厚度干縮率的影響明顯，這可能是由于竹展平板的寬度在一定程度上代表了圓竹展平過(guò)程中所需克服的彎曲應(yīng)力。竹展平板在長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向的干縮差異，從材料結(jié)構(gòu)的角度解釋?zhuān)鹬癫母煽s的主要原因是竹材維管束中的導(dǎo)管失水后發(fā)生干縮，維管束分布的疏密情況是決定干縮率大小的重要因素，其分布越密集的地方，干縮率越大，反之干縮率越小。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，竹材的干縮以弦向（寬度）最大，徑向（厚度）次之，縱向（長(zhǎng)度）最小［14］，從而使其表現(xiàn)出3個(gè)方向干縮不一致的現(xiàn)象。

拱高變化率數(shù)值較長(zhǎng)／寬／厚度變化率大，隨長(zhǎng)度、寬度及厚度增大而增大，3種長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的竹展平板拱高變化率分別為－11.9%、－3.84%、27.78%，3種寬度對(duì)應(yīng)的拱高變化率分別為23.98%、27.78%、35.19%；3種厚度對(duì)應(yīng)的拱高變化率分別為22.22%、26.44%、27.78%（圖6）。在長(zhǎng)度較小時(shí)，拱高變化率出現(xiàn)負(fù)值（圖6，長(zhǎng)度為400 mm、500 mm時(shí)），說(shuō)明竹展平板在干燥處理后較干燥前的拱高有所減小，竹展平板有變平整的趨勢(shì)，即采用較小長(zhǎng)度的竹展平板可獲得較平整的竹展平板。

從數(shù)值上看，拱高變化率是長(zhǎng)度、寬度、厚度干縮率的10倍以上（圖3、4、5、6），是影響竹展平板干燥質(zhì)量及使用性能的最重要指標(biāo)，為簡(jiǎn)化測(cè)試，若選用1個(gè)指標(biāo)對(duì)干燥質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定時(shí)，可選拱高變化率作為評(píng)價(jià)竹展平板干燥質(zhì)量的指標(biāo)。

5 結(jié)論

采用4種初期干燥工藝，對(duì)刻痕以及不同長(zhǎng)、寬、厚度的竹展平板進(jìn)行初期干燥（24 h），測(cè)試其對(duì)竹展平板的長(zhǎng)度、寬度、厚度干縮率及拱高變化率的影響，得到以下結(jié)論：（1）平衡含水率隨干燥時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，前12 h平衡含水率下降較小，在5%以內(nèi)，該階段可能主要用于對(duì)物料升溫。（2）刻痕對(duì)竹展平板變形有明顯抑制作用。四組竹展平板的拱高變化率從無(wú)刻痕竹的92.02%、134.38%、22.22%、100.96%分別降低至34.00%、45.38%、11.11%、92.59%。（3）試件長(zhǎng)、寬、厚度尺寸中，厚度對(duì)干燥速率的影響較大。竹展平板厚度小于7.5 mm時(shí)，干燥速率加快，但當(dāng)厚度從9.5 mm降低至8.5 mm時(shí)，干燥速率變化不大。（4）初期干燥（24 h）保持處理箱內(nèi)溫度不變而持續(xù)降低濕度，可使處理箱內(nèi)環(huán)境變化較緩和，從而有效避免竹展平板尺寸發(fā)生劇烈變化。（5）寬度對(duì)竹展平板厚度干縮率的影響明顯，長(zhǎng)度較小時(shí)，可在一定程度上減小竹展平板起拱，采用較小物料更易可獲得較平整的竹展平板。