弧形竹片無刻痕展平生產(chǎn)技術(shù)

李延軍，婁志超，姜應(yīng)軍，王新洲，袁天成，楊發(fā)明

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.龍泉市大展竹科技有限責(zé)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(shí)需要整塊式的竹原料，由于原竹不易展平的特性，生產(chǎn)應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)橹癜宀模捎行岣咧癫睦寐蔥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(shù)利用竹展平板制造竹材膠合板，主要應(yīng)用于車廂底板，但因其表面有裂隙，展平質(zhì)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(duì)其進(jìn)行高品質(zhì)的無裂紋展平，而竹材因剛度較大，壁層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在展平過程中極易出現(xiàn)應(yīng)力分布不均而產(chǎn)生裂縫。針對(duì)展平技術(shù)中存在的問題，筆者團(tuán)隊(duì)[4-9]前期開展對(duì)竹筒無裂紋展平生產(chǎn)技術(shù)研究，提出了竹材“高溫高濕軟化展平”技術(shù)，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(qiáng)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(jìn)，根據(jù)竹制品對(duì)原料單元的要求，筆者團(tuán)隊(duì)力求進(jìn)一步提高竹材資源利用率和降低生產(chǎn)成本，適時(shí)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(shù)[10]，為竹材高效利用提供技術(shù)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?cái)唷诌x→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?cái)?/h3>

截?cái)嗍褂玫脑O(shè)備為原竹截?cái)噤?。原竹截?cái)喙ば虿粌H要將長(zhǎng)7～9 m的長(zhǎng)條原竹按產(chǎn)品的尺寸要求截成一定長(zhǎng)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?cái)?，做到按材取料，提高竹材利用率。原竹截?cái)鄳?yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)先截去在砍伐原竹時(shí)所造成不可避免的歪斜端頭。

(2)截?cái)鄳?yīng)從原竹的根部開始，然后依次向梢部進(jìn)行。竹材從根部起到1.5 m的范圍內(nèi)，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(shì)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(yīng)截成芯板用短竹筒，第2、3段可截成面、背板用長(zhǎng)竹筒，第4段以后再繼續(xù)截芯板用短竹筒。

(3)截?cái)鄰澏容^大的原竹時(shí)，應(yīng)多鋸芯板用的短竹段，對(duì)于彎曲特別嚴(yán)重的短彎竹筒應(yīng)加以剔除，力求鋸出的竹筒通直或彎度小。

(4)截?cái)鄷r(shí)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(dǎo)致殘次品出現(xiàn)概率增加。一般來說，長(zhǎng)度上竹筒的加工余量為50～60 mm。

1.2 分選

根據(jù)竹筒的長(zhǎng)度和壁厚，將截?cái)嗪蟮闹裢策M(jìn)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(yīng)將分選好的竹筒按照竹材截?cái)嗟拇涡蚝捅诤穹謩e進(jìn)行堆放。

1.3 開片

利用圓鋸機(jī)或開片鋸對(duì)竹筒進(jìn)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(gè)圓鋸機(jī)或開片鋸上定位控制系統(tǒng)的間距將竹筒實(shí)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(shè)兩條軸向縫隙，這兩條縫隙可以在竹筒的徑向上彼此相對(duì)，從而將竹筒分成兩個(gè)半圓形竹筒。同樣也可以在竹筒上開設(shè)三條或四條的軸向縫隙，開設(shè)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(zé)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(gè)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(yīng)力和內(nèi)表面受的拉應(yīng)力是關(guān)鍵。展平時(shí)弧形竹片的拉伸應(yīng)力大大超過竹材橫向纖維的結(jié)合力，竹材展平時(shí)的應(yīng)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(guān)，減少E值是減少竹材展平時(shí)反向應(yīng)力的有效手段，從而可以減少展平時(shí)竹材內(nèi)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(shí)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(xué)性能，減小E值的有效方法。主要方法為：①化學(xué)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(jié)構(gòu)或狀態(tài)。

針對(duì)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(shí)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(jìn)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(diǎn)以上，這樣才有利于竹板材展平的效果和質(zhì)量。

竹材中纖維素的含量比一般木材高，試驗(yàn)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(dá)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(shí)的溫度稱為“高溫軟化”。竹材軟化一般采用水煮、高頻、導(dǎo)熱油加熱或者化學(xué)軟化等方法，采用化學(xué)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(dǎo)熱油等接觸加熱軟化會(huì)導(dǎo)致竹材水分快速散失；經(jīng)過實(shí)踐和改進(jìn)，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(nèi)，經(jīng)過高溫高壓飽和蒸汽處理，泄壓后在竹材內(nèi)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(fù)試驗(yàn)，在滿足竹材軟化后含水率高于纖維飽和點(diǎn)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(jìn)行調(diào)整和確定。

3 竹片刨削展平

當(dāng)壓力容器保溫階段結(jié)束后，停止蒸汽處理，逐步釋放壓力罐內(nèi)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(jìn)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(jī)進(jìn)行弧形竹片的展開?；⌒沃衿蛊綍r(shí)，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(jī)的壓刨機(jī)構(gòu)中，在壓刨機(jī)構(gòu)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(yīng)的弧形整形間隙，弧形整形裝置不僅能輸送竹材還能夠調(diào)整竹材的弧度，可趁熱對(duì)竹材的弧度進(jìn)行微調(diào)成圓弧形，然后在多組弧形整形裝置之間依次設(shè)有刨削竹黃和竹青的銑刀，在弧形竹片微調(diào)成圓形竹片之時(shí)趁熱快速地刨去竹黃、竹青，除去展平時(shí)易開裂的竹黃部位和密度最大的竹青部位利于展平，同時(shí)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(jī)的展開機(jī)構(gòu)，展開機(jī)構(gòu)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(jí)展開竹材，壓平輥用于壓平竹材，漸平弧輥和壓平輥均設(shè)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(yīng)的弧形展開間隙，弧形展開間隙的弧度逐級(jí)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(jī)構(gòu)中進(jìn)行逐級(jí)展開，直至完全壓平。在使用該刨削展平一體機(jī)時(shí)，不需要在竹材上刻槽，無需導(dǎo)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(shí)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(nèi)應(yīng)力、生長(zhǎng)應(yīng)力、密度梯度以及吸濕解濕性等會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，因此需要在展平處理完成以后對(duì)其進(jìn)行定型處理，消除其內(nèi)應(yīng)力，防止竹材在冷卻時(shí)出現(xiàn)反彈彎曲?？刹捎靡韵聝煞N方式進(jìn)行定型處理：①將展平后的竹板立即取出，放入多層壓具內(nèi)并固定送入干燥窯進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為(50±5)℃，時(shí)間為96～120 h，然后取出在常溫自然環(huán)境下進(jìn)行含水率平衡處理，平衡后的展平竹板從壓具內(nèi)取出，即可進(jìn)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(jī)將展平后的竹板進(jìn)行冷卻定型處理，定型后的竹展平板采用黃面對(duì)黃面的方式進(jìn)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(jìn)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(fù)合等二次加工。目前龍泉市大展竹科技有限責(zé)任公司采用后者進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

將長(zhǎng)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(dá)到55%以上。目前該技術(shù)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(shí)踐表明，利用該技術(shù)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(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。無裂縫竹展平板物理力學(xué)性能佳，色澤美觀，可應(yīng)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(yīng)用前景廣闊。