展平竹/人工林木材正交復(fù)合技術(shù)研究進(jìn)展?

張方達(dá) 張秀標(biāo) 劉煥榮 馬欣欣 方長華 費(fèi)本華

（國際竹藤中心，北京 100102）

我國竹類資源豐富，竹林面積、蓄積量、竹材產(chǎn)量均居世界首位。我國竹林面積為641.16 萬hm2，占森林面積的2.94%，其中毛竹林467.78 萬hm2，占竹林面積的72.96%[1]。近十年我國大徑竹和毛竹產(chǎn)量及國產(chǎn)木材產(chǎn)量和進(jìn)口量都處于增長趨勢（圖1）。2018 年，全國可采伐竹材約1.5 億t，大徑竹產(chǎn)量為31.55 億根，比2017 年增長15.99%，其中毛竹產(chǎn)量為16.95 億根[2]。我國在竹質(zhì)工程材的原料選擇、制造關(guān)鍵技術(shù)、質(zhì)量控制和檢驗(yàn)方法等方面形成了較為完整和成熟的制造和評價(jià)體系，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但目前竹材利用率仍然不高[3]，二產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)材、半成品產(chǎn)業(yè)鏈極其微弱。

圖1 2009—2018 年我國木、竹材產(chǎn)量及木材（原木、鋸材）進(jìn)口量[2, 4-5]Fig.1 China's yield of wood and bamboo, and imports of wood (logs, sawn timber) from 2009 to 2018

我國是世界上人工林面積最大的國家，擁有人工林面積8 003 萬hm2，蓄積量為33.88 億m3[1]，主要有杉木、楊樹、桉樹、落葉松、馬尾松等樹種。人工林木材具有速生、豐產(chǎn)、生態(tài)好的優(yōu)點(diǎn)，但材質(zhì)疏松、強(qiáng)度小，易開裂、變形、易腐，這些缺陷限制了其應(yīng)用范圍。目前主要用作人造板工業(yè)和造紙工業(yè)原料，木材附加值較低。

我國還是世界最大的木質(zhì)產(chǎn)品消費(fèi)國，但人均年消費(fèi)量只有世界人均水平的65%[6]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，木質(zhì)材料作為低碳、環(huán)保、可再生的綠色材料，受到消費(fèi)者的青睞，人們對木制品的需求量逐年增加。2018年，我國商品木材貿(mào)易量達(dá)到2 億m3，其中進(jìn)口木材1.12 億m3。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，我國必須建立穩(wěn)定的國產(chǎn)商品材市場體系，到2030 年，實(shí)現(xiàn)人均年木質(zhì)材料消耗量達(dá)到0.7 m3，年木質(zhì)材料的流通量達(dá)10 億m3的目標(biāo)。為此，可充分利用我國豐富的竹材和人工林木材資源，采用正交復(fù)合工藝為產(chǎn)業(yè)主線，發(fā)展展平竹/速生材正交復(fù)合材等竹木復(fù)合產(chǎn)品，打造我國自主的商品木質(zhì)材料市場和產(chǎn)供銷機(jī)制，為緩解我國木材供需矛盾、維護(hù)木材戰(zhàn)略安全提供保障。

2 展平竹工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀概述

2.1 展平竹工藝

2.1.1 第一代竹展平工藝

20 世紀(jì)80 年代，張齊生率先開展半圓形竹筒的軟化和展平研究。初期竹展平技術(shù)采用的軟化工藝較為復(fù)雜，通過在內(nèi)表面刻溝槽或去青去黃的方式減小表面應(yīng)力，得到表面帶有裂縫的展平竹產(chǎn)品。再經(jīng)過刨削加工成一定厚度和寬度的竹片，用以制備竹材膠合板[7]。竹材的直徑較小、曲率較大，竹材壁層不同組織結(jié)構(gòu)性能差異大，在展平過程中的開裂問題一直是制約竹展平的重要因素。

2.1.2 第二代竹展平工藝

第二代竹展平技術(shù)采用整竹展平方式，即采用具有不同形狀釘齒的軋輥在竹材內(nèi)壁輥軋出密集的凹槽，以釋放展平過程中竹材內(nèi)部的應(yīng)力，使竹材不易開裂，整竹展平提高了展平竹寬度。

如圖2 所示，整竹展平方式包括橫向展平和縱向展平。

橫向展平：將圓竹鋸切成長度為30～80 cm的竹筒，去除內(nèi)、外竹節(jié)和中間隔斷后在一側(cè)縱向切口。然后將開口的竹筒在190 ℃，飽和蒸氣壓為1.25 MPa的環(huán)境中軟化處理5～10 min。接著將軟化后的竹筒以橫向展平方式輥壓展開，如圖2 所示。其中上部鋼輥表面光滑，下部鋼輥表面帶有許多釘齒，輥壓時(shí)竹黃側(cè)朝向帶有釘齒的一端。最后使用雙面刨對展平竹進(jìn)行刨平處理，同時(shí)去除竹青。然而，由于長竹筒竹壁的厚度不同，這種方式不能用于制備較長展平竹[8]。

縱向展平：這種方式可制備較長展平竹板。其前處理過程與橫向展平方式一致，主要差異在于竹筒展開工序。縱向展平設(shè)備有一組表面帶有斜刀片的輥軸，輥軸寬度從小到大依次遞增。展開時(shí)第一個(gè)滾軸輥壓軟化竹筒的中心位置，隨著竹筒向前移動(dòng)不斷展開，并在內(nèi)表面輥壓出交叉平行的凹槽。壓痕與紋理角度為10～60 °，以避免內(nèi)表面出現(xiàn)較大裂紋。

圖2 竹筒軟化展平流程示意圖Fig.2 Flow sheet of bamboo culm softening and flattening

目前，這兩種展平方式均已成功在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但兩種展平方式均采用在竹筒內(nèi)表面輥壓凹槽釋放應(yīng)力的工藝，這會割斷竹材纖維，且難以控制凹槽深度，導(dǎo)致展平后的竹板單元強(qiáng)度減弱。如凹槽的分布密度和長度控制不好，展平竹干燥后還會出現(xiàn)明顯的瓦形翹曲變形。且展平竹內(nèi)表面存在明顯壓痕，并伴有端裂，影響產(chǎn)品外觀與膠合性能，限制其應(yīng)用范圍。此外，后期加工中竹板刨削量增加，降低了竹材利用率[9]。因此，第二代竹展平技術(shù)仍具有一定局限性。

2.1.3 第三代竹展平工藝

隨著竹展平設(shè)備不斷升級換代，第三代竹展平技術(shù)實(shí)現(xiàn)了表面無壓痕展平竹板的制備，且提高了竹材利用率。圖3是展平竹工藝流程圖和新一代竹展平設(shè)備圖。與之前展平竹生產(chǎn)工藝相比，新一代展平竹設(shè)備能夠同時(shí)進(jìn)行竹青去除、展平和刨切處理，減少了3個(gè)環(huán)節(jié)，大大提升生產(chǎn)效率。目前該技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，展平竹制造工藝逐漸成熟。

圖3 第三代竹展平技術(shù)工藝流程圖Fig.3 Production process of flattened bamboo panel

2.2 展平竹應(yīng)用現(xiàn)狀

由于早期竹展平技術(shù)不成熟，展平竹板材表面和端部裂紋難以控制，多用作集裝箱底板的面板和底板，或僅底板采用帶有竹青的展平竹，芯層多為木質(zhì)板材[10-11]。然而受制于較低的材料利用率和較高的生產(chǎn)成本，用展平竹制備集裝箱底板未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前徑向竹篾/木單板復(fù)合板材是集裝箱底板領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品，但其結(jié)構(gòu)規(guī)整性差，竹材強(qiáng)度未得以完全發(fā)揮。竹展平技術(shù)的不斷發(fā)展使得展平竹板材成本越來越低，該板種有望替代徑向篾/木單板復(fù)合板材，用于集裝箱底板工業(yè)化生產(chǎn)。

將展平竹用作裝飾板材和室外結(jié)構(gòu)材，以及用于家具、建筑模板等，也取得了研究進(jìn)展。林海等[12-14]將兩塊展平竹竹黃側(cè)膠合，或在其中添加一層網(wǎng)格狀中層板制備裝飾板材。俞先祿等[15]發(fā)明專利嘗試將展平竹用作戶外鋪板，以解決重組竹戶外地板存在的膠黏劑用量大、耗材多、成本高、竹絲脫膠等問題。何斌[16]進(jìn)行了展平竹家具設(shè)計(jì)研究，目前竹展平技術(shù)可以制得 2 500 m m×380 mm的大幅面無裂紋竹展平材，漆膜附著力等級為2級。

胡良兵等[17]對展平竹脫木質(zhì)素和半纖維素處理后，進(jìn)行密實(shí)化處理，制備出拉伸強(qiáng)度為1 GPa，沖擊韌性為9.74 MJ/ m3的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。該材料比強(qiáng)度為777 MPa cm3/g，遠(yuǎn)高于其他竹質(zhì)材料以及鋼鐵、合金等大部分結(jié)構(gòu)材料。

因受竹材直徑、長度和利用率的限制，現(xiàn)有展平竹復(fù)合材的幅面較小，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍。目前，竹展平材相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)較少，在家居領(lǐng)域的應(yīng)用局限于廚房砧板等小件家具，附加值較低。研究展平竹復(fù)合材大幅面化，提高尺寸穩(wěn)定性，拓寬其在建筑結(jié)構(gòu)材、家具板材、車廂底板和室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域的應(yīng)用勢在必行。

3 展平竹/速生材正交復(fù)合技術(shù)

3.1 竹木正交復(fù)合研究

張齊生于2010 年提出用三層或五層的正交竹木復(fù)合材制作預(yù)制組合板或梁。該結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)高強(qiáng)、環(huán)保、抗震能力強(qiáng)、價(jià)格適宜、房子搭建快速便利等優(yōu)點(diǎn)[18]。衛(wèi)佩行等[19]發(fā)明了一種三層竹木正交復(fù)合板材用作家具和裝飾材料，以展平竹作為上下表面，鐵杉木材為芯層，或表面為鐵杉木材，芯層為展平竹。這兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能相近，靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為34～37 MPa、8 500～8 777 MPa。柴 源 等[20]用750 mm× 60 mm×7.5 mm無刻痕展平竹和2 mm厚楊木單板復(fù)合制備規(guī)格材，試件靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）平均值分別為128 MPa和11 140 MPa。

Munis等[21]用竹條縱向排列作為松木CLT（正交膠合木）的面板，使得CLT順紋抗壓強(qiáng)度明顯提升，有望作為獨(dú)立墻使用。Barreto等[22]使用松木和竹條制備CLBT（竹木正交膠合材），并對比研究了3 種膠黏劑MUF（三聚氰胺-尿素-甲醛共聚樹脂），IPE（異氰酸酯聚合物乳液）和COR（蓖麻油基樹脂）的膠合性能。發(fā)現(xiàn)使用MUF制備的板材竹、木層間順紋剪切強(qiáng)度最高。用該膠黏劑制備三層結(jié)構(gòu)CLBT，以竹條做表板、背面板，彈性模量和靜曲強(qiáng)度分別為13 310 MPa和65 MPa。然而，竹條單元的竹材利用率和加工效率均較低，制約了此類CLBT的規(guī)?；a(chǎn)。Wei等[23]嘗試用竹篾層積材（Bamboo PSL）作表層，鐵杉-冷杉作為芯層制備正交竹木復(fù)合板材（CCLT）。該板材的剪切強(qiáng)度和木破率略低于鐵杉-冷杉CLT，且彎曲時(shí)，CCLT容易從竹木結(jié)合面發(fā)生破壞。此類板材可以利用小徑級竹材，但竹篾層積板的結(jié)構(gòu)規(guī)整性差，與木材的膠合強(qiáng)度較弱。

肖巖[24]設(shè)計(jì)了一種可作為墻體和樓板的竹木復(fù)合厚板，其邊緣設(shè)有凹凸錯(cuò)位開槽，相鄰連接構(gòu)件的凹凸邊緣對齊咬合，并通過自攻螺栓固定。Fang等[25]應(yīng)用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）-竹材-泡桐組合板制備橫梁，并借助有限元模型優(yōu)化板材結(jié)構(gòu)。Darzi等[26]則用較短的圓形竹筒作為芯層，膠合板作為面板制備超輕竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)材（Bamboo core sandwich，BCS），其重量比CLT輕40%。測試相同厚度的BCS和CLT的彎曲性能發(fā)現(xiàn)，BCS的單向剛度僅為CLT的17%，但其雙向彎曲剛度比CLT高20%。

3.2 展平竹/速生材正交復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于逐漸成熟的展平竹技術(shù)與現(xiàn)有竹木復(fù)合技術(shù)的相關(guān)研究成果，利用我國豐富的竹資源和人工林速生材資源，設(shè)計(jì)研制的展平竹/速生材正交復(fù)合產(chǎn)品，可有效發(fā)揮竹材和木材各自的優(yōu)良特性，獲得既降低成本，又保證產(chǎn)品內(nèi)在和外觀質(zhì)量的雙重效果[27-28]。其結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)和層合板理論，借助有限元分析軟件，圍繞建筑材、家具材、地板材和裝飾材等目標(biāo)產(chǎn)品的性能需求展開。運(yùn)用展平竹單元最大限度保持了竹材的“原態(tài)利用”，減少了膠黏劑用量。產(chǎn)品輕質(zhì)高強(qiáng)、材質(zhì)原態(tài)、美觀、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、低膠黏劑特點(diǎn)將使竹木正交復(fù)合材料的適用范圍得以進(jìn)一步拓展。

圖4 展平竹/速生材鋸材正交復(fù)合材結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of cross laminated flattened bamboo and timber

圖4 所示為展平竹/速生材鋸材正交復(fù)合材結(jié)構(gòu)。圖4a為常見的三層結(jié)構(gòu)CLBT，利用竹材強(qiáng)度高、硬度大、紋理美觀的特點(diǎn)，將展平竹置于表層。木單板可以根據(jù)年輪方向，交替鋪裝，采用中間層木單板雙面施膠，而竹材不施膠的工藝，與展平竹竹黃側(cè)膠接，結(jié)構(gòu)對稱，尺寸穩(wěn)定性好。圖4b所示為另一種常見的組合方式，將兩塊展平竹置于木單板之間，兩塊展平竹靠近竹青側(cè)相連接。圖4 中a、b兩種基材均為密度梯度結(jié)構(gòu)。

展平竹/速生材鋸材正交復(fù)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)如圖5 所示。三、四層CLBT結(jié)構(gòu)單元（圖5a、b）可用作強(qiáng)度要求不高的家具、門窗和裝飾材料。通過對CLBT結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行指接和側(cè)拼，則可制備大幅面板材。以大幅面結(jié)構(gòu)板為基材，可設(shè)計(jì)生產(chǎn)增厚產(chǎn)品、構(gòu)件、預(yù)制件等，用于建筑領(lǐng)域（圖5c、d、e、f）。

圖5 竹筒軟化展平流程示意圖Fig.5 Flow sheet of bamboo culm softening and flattening

正交復(fù)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得CLBT產(chǎn)品，特別是作為梁或樓板使用時(shí)，橫向?qū)尤菀装l(fā)生平面（滾動(dòng)）剪切破壞，導(dǎo)致構(gòu)件失效。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使用速生材作為芯層，由于木材橫切面的剪切模量很低，早、晚材抵抗剪切變形的能力不同，當(dāng)CLBT中鋸材橫切面受到平面剪切發(fā)生剪切變形時(shí)，容易在早晚材過渡區(qū)域產(chǎn)生裂縫[29]。因此，可根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品性能需求，對速生材進(jìn)行增強(qiáng)改性，再與展平竹復(fù)合。若將展平竹置于芯層，如何使竹質(zhì)材料的力學(xué)性能充分發(fā)揮，這些問題仍有待進(jìn)一步研究[30]。

由于展平竹生產(chǎn)特殊性，整個(gè)生產(chǎn)過程不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化，存在用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、能耗大等問題。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)該注重智能化、自動(dòng)化的高端設(shè)備研發(fā)，徹底改變“作坊式”生產(chǎn)模式，加快推進(jìn)竹材工業(yè)化利用進(jìn)程。

4 結(jié)語

展平竹/速生材正交復(fù)合板材，具有紋理清新、色澤自然、平整光滑、韌性好、強(qiáng)度高、成本低等特點(diǎn)，其生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)簡單、施膠量少、智能化程度高；二次加工產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)大幅面、無限接長、無限加厚、大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品具有良好抗震、保溫隔熱和隔聲性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能，是墻板、樓板、梁柱、家具、門窗等優(yōu)良用材，具有廣闊的市場前景。展平竹/速生材正交復(fù)合材等竹木復(fù)合產(chǎn)品的開發(fā)與推廣應(yīng)用，為竹材和速生材的工業(yè)化應(yīng)用開辟了新途徑，有助于緩解我國木材供需矛盾，促進(jìn)我國林產(chǎn)工業(yè)政策創(chuàng)新，對于推動(dòng)人工林可持續(xù)經(jīng)營、林農(nóng)保富增收，維護(hù)國家木材安全具有重要意義。