弧形竹片無刻痕展平生產(chǎn)技術

李延軍，婁志超，姜應軍，王新洲，袁天成，楊發(fā)明

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.龍泉市大展竹科技有限責任公司，浙江 龍泉 323700)

竹制品在日常生活中的使用非常廣泛，深受人們的喜愛。傳統(tǒng)竹制品在制造時需要整塊式的竹原料，由于原竹不易展平的特性，生產(chǎn)應用中多將原竹剖分成弧度較小的弧形竹條來制作，刨削量大，鋸縫多，工序繁瑣，利用率一般為25%～45%[1]。而竹展平板的出現(xiàn)將竹材加工單元轉變?yōu)橹癜宀?，可有效提高竹材利用率[2-3]。

竹展平板是指由竹筒或弧形竹片經(jīng)軟化、展平、干燥、定型制成的片狀材料。最初采用“高溫軟化展平”技術利用竹展平板制造竹材膠合板，主要應用于車廂底板，但因其表面有裂隙，展平質量不高難以用于裝飾材料，附加值偏低。如果讓竹展平板走向高端，就需要對其進行高品質的無裂紋展平，而竹材因剛度較大，壁層結構復雜，在展平過程中極易出現(xiàn)應力分布不均而產(chǎn)生裂縫。針對展平技術中存在的問題，筆者團隊[4-9]前期開展對竹筒無裂紋展平生產(chǎn)技術研究，提出了竹材“高溫高濕軟化展平”技術，為企業(yè)生產(chǎn)制造無裂縫竹展平板提供理論支持?，F(xiàn)有的竹筒展平工藝需要在竹黃面扎眼和刻痕，影響了竹材資源的利用率和材料的強度，僅適用于寬幅竹展平板制品加工。經(jīng)過不斷地探索和改進，根據(jù)竹制品對原料單元的要求，筆者團隊力求進一步提高竹材資源利用率和降低生產(chǎn)成本，適時地提出弧形竹片高溫高濕軟化無刻痕展平竹裝飾板生產(chǎn)技術[10]，為竹材高效利用提供技術支持。

弧形竹片展平板生產(chǎn)過程包括弧形竹片制備、竹片高溫高濕軟化處理、竹片刨削展平處理、竹展平板后期處理等步驟。其生產(chǎn)工藝流程如下：原竹→截斷→分選→開片→高溫高濕軟化→刨削展平→冷卻定型→干燥→刨削→成品。

1 弧形竹片制備

1.1 截斷

截斷使用的設備為原竹截斷鋸。原竹截斷工序不僅要將長7～9 m的長條原竹按產(chǎn)品的尺寸要求截成一定長度的竹段，并且根據(jù)原竹的其他缺陷，如尖削度和彎曲度等來合理確定從何處開始截斷，做到按材取料，提高竹材利用率。原竹截斷應注意以下幾點。

(1)先截去在砍伐原竹時所造成不可避免的歪斜端頭。

(2)截斷應從原竹的根部開始，然后依次向梢部進行。竹材從根部起到1.5 m的范圍內，隨著高度的增加，竹壁厚度變薄和竹材直徑變小的程度逐漸變大。直至2.0 m以后，這種厚度和直徑變化趨勢隨著高度的增加而減緩。因此，為了提高竹材利用率，要做到合理下料，通常原竹的第1段應截成芯板用短竹筒，第2、3段可截成面、背板用長竹筒，第4段以后再繼續(xù)截芯板用短竹筒。

(3)截斷彎度較大的原竹時，應多鋸芯板用的短竹段，對于彎曲特別嚴重的短彎竹筒應加以剔除，力求鋸出的竹筒通直或彎度小。

(4)截斷時要保留合理的加工余量。余量過大，增加各種原輔助材料的消耗，增加了生產(chǎn)成本并降低竹材利用率；余量過小增加加工難度，導致殘次品出現(xiàn)概率增加。一般來說，長度上竹筒的加工余量為50～60 mm。

1.2 分選

根據(jù)竹筒的長度和壁厚，將截斷后的竹筒進行分類堆放。同一類竹筒的壁厚公差為0.5 mm，且遵循四舍五入原則，例如壁厚為13.5 mm的竹筒歸類于14 mm一類。另外，由于同一厚度的竹筒存在密度差異，為了保證后期的軟化效果，應將分選好的竹筒按照竹材截斷的次序和壁厚分別進行堆放。

1.3 開片

利用圓鋸機或開片鋸對竹筒進行縱向定寬或剖分處理，即在竹筒上沿纖維方向呈直線至少開2片以上貫通槽或者按照2個圓鋸機或開片鋸上定位控制系統(tǒng)的間距將竹筒實行定寬加工成弧形竹片，縫寬同鋸片厚度為2～4 mm。

在生產(chǎn)中，根據(jù)加工產(chǎn)品的幅面要求，也可以在竹筒上開設兩條軸向縫隙，這兩條縫隙可以在竹筒的徑向上彼此相對，從而將竹筒分成兩個半圓形竹筒。同樣也可以在竹筒上開設三條或四條的軸向縫隙，開設的軸向縫隙越多，展開后的竹板材幅面寬度越小。龍泉市大展竹科技有限責任公司目前主要根據(jù)竹筒直徑大小，采用開片鋸在竹筒上定寬制成2～3個弧形竹片來生產(chǎn)竹展平板。

2 竹片高溫高濕軟化

竹材的直徑較小、曲率較大，要將弧形甚至半圓形的竹材展平，解決竹材外表面受的壓應力和內表面受的拉應力是關鍵。展平時弧形竹片的拉伸應力大大超過竹材橫向纖維的結合力，竹材展平時的應力大小與竹材的彈性模量E和壁厚S成正比，與竹材的直徑d成反比。竹材的彈性模量和竹材自身的溫度、含水率、表面狀態(tài)等因素有關，減少E值是減少竹材展平時反向應力的有效手段，從而可以減少展平時竹材內表面裂縫的寬度和深度。因此，除了竹材的壁厚和直徑是難以改變的，減少竹材彈性模量是切實可行的方法，即竹材軟化。提高竹材的塑性是改變竹材自身力學性能，減小E值的有效方法。主要方法為：①化學藥劑處理；②提高竹材含水率；③提高竹材溫度；④改變竹材的表面結構或狀態(tài)。

針對毛竹材直徑小、壁薄中空，有尖削度、彎曲度、不平度等天然屬性，毛竹材無裂紋展平的首要前提是竹材展平時要保持較高的塑性，而較高的塑性來源于竹材的溫度和濕度。因此，竹材展平前要進行軟化處理且保持較高的溫度，軟化處理后還必須保持竹材含水率在纖維飽和點以上，這樣才有利于竹板材展平的效果和質量。

竹材中纖維素的含量比一般木材高，試驗表明[11]，半纖維素在80 ℃、木素在100 ℃即可具有一定的塑性，而纖維素需要在130～150 ℃的條件下才具有一定的塑性，因此單靠常壓水煮的方法來提高竹材的溫度無法達到提高塑性的效果，通常要將竹材的溫度提高到140～150 ℃才能使竹材具有較好的塑性。這和木材加工中膠合板生產(chǎn)木段旋切前的木材熱處理溫度有很大的差別，提高竹筒展平時的溫度稱為“高溫軟化”。竹材軟化一般采用水煮、高頻、導熱油加熱或者化學軟化等方法，采用化學軟化方法易污染環(huán)境、成本高，且竹材顏色發(fā)黑、發(fā)黃；水煮軟化溫度在100 ℃以下效果一般；高頻和導熱油等接觸加熱軟化會導致竹材水分快速散失；經(jīng)過實踐和改進，最后采用了高壓飽和蒸汽“高溫高濕軟化”方法，即利用竹材在壓力罐內，經(jīng)過高溫高壓飽和蒸汽處理，泄壓后在竹材內部溫度處于80～100 ℃左右的狀態(tài)下快速展平，效果較好。經(jīng)過反復試驗，在滿足竹材軟化后含水率高于纖維飽和點前提下，得到最佳的軟化工藝，即竹材150～190 ℃、3～15 min的高溫飽和蒸汽快速軟化方法，具體處理工藝要根據(jù)竹片的厚度和密度進行調整和確定。

3 竹片刨削展平

當壓力容器保溫階段結束后，停止蒸汽處理，逐步釋放壓力罐內的蒸汽，降溫至常壓打開壓力罐罐蓋，將軟化處理后的弧形竹片立即取出，移至展平裝置上進行展平處理。目前弧形竹片展開方式主要為縱向展開。

目前采用刨削展平一體機進行弧形竹片的展開。弧形竹片展平時，先將高溫高濕軟化后仍處于80 ℃以上的弧形竹片放入刨削展平一體機的壓刨機構中，在壓刨機構中，弧面整形裝置的上輸送輥和下輸送輥之間形成與竹材相適應的弧形整形間隙，弧形整形裝置不僅能輸送竹材還能夠調整竹材的弧度，可趁熱對竹材的弧度進行微調成圓弧形，然后在多組弧形整形裝置之間依次設有刨削竹黃和竹青的銑刀，在弧形竹片微調成圓形竹片之時趁熱快速地刨去竹黃、竹青，除去展平時易開裂的竹黃部位和密度最大的竹青部位利于展平，同時減少竹片傳統(tǒng)的去青去黃工序，提高生產(chǎn)效率。經(jīng)過去黃去青的圓形竹片接著輸送到刨削展平一體機的展開機構，展開機構由多組漸平弧輥和至少一組壓平輥組成，漸平弧輥用于逐級展開竹材，壓平輥用于壓平竹材，漸平弧輥和壓平輥均設置有上壓輥和下壓輥，壓平弧輥的上壓輥和下壓輥之間形成與竹材相適應的弧形展開間隙，弧形展開間隙的弧度逐級減小，壓平輥的上壓輥和下壓輥之間形成的間隙為平面。圓形竹片在展開機構中進行逐級展開，直至完全壓平。在使用該刨削展平一體機時，不需要在竹材上刻槽，無需導裂線就能展開竹子，所需的工序較少，成本低，且竹子在展開時不容易開裂，成品率高。

4 竹展平材后期處理

竹材展平后由于內應力、生長應力、密度梯度以及吸濕解濕性等會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，因此需要在展平處理完成以后對其進行定型處理，消除其內應力，防止竹材在冷卻時出現(xiàn)反彈彎曲?？刹捎靡韵聝煞N方式進行定型處理：①將展平后的竹板立即取出，放入多層壓具內并固定送入干燥窯進行干燥處理，干燥溫度為(50±5)℃，時間為96～120 h，然后取出在常溫自然環(huán)境下進行含水率平衡處理，平衡后的展平竹板從壓具內取出，即可進行表面砂光或刨光工序，制得可以再加工使用的無裂紋展平竹板材產(chǎn)品；②采用輥筒冷卻定型機將展平后的竹板進行冷卻定型處理，定型后的竹展平板采用黃面對黃面的方式進行堆垛，并在跺體的上部壓制重物防止板材的翹曲變形，最后送入干燥窯進行干燥處理，經(jīng)過干燥養(yǎng)生等工序制得無裂紋竹展平板，可用于多層板膠合、竹木復合等二次加工。目前龍泉市大展竹科技有限責任公司采用后者進行生產(chǎn)，生產(chǎn)實踐表明，可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

5 結束語

將長1 200 mm、寬100 mm的若干弧形竹片放入180 ℃壓力罐飽和蒸汽高溫高濕處理4～6 min，經(jīng)刨削展平可制得厚度為6～7 mm的無裂縫竹展平板，竹材資源利用率達到55%以上。目前該技術已經(jīng)用于竹材企業(yè)的生產(chǎn)中，可獲得2 500 mm×100 mm的大幅面無裂紋竹展平板。生產(chǎn)實踐表明，利用該技術制造竹板材及其產(chǎn)品，可提高竹材資源利用率，降低膠黏劑用量，降低能耗，在降低產(chǎn)品成本的同時提高了產(chǎn)品質量。無裂縫竹展平板物理力學性能佳，色澤美觀，可應用于竹展平地板、竹展平刨切單板、竹展平家具以及建筑裝飾裝修材料，應用前景廣闊。