重組竹材料技術(shù)創(chuàng)新與面臨的關(guān)鍵問(wèn)題

楊 娜 張亞慧

(1 國(guó)家林業(yè)和草原局機(jī)關(guān)服務(wù)局 北京 100714；2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

竹材具有巨大的生態(tài)、產(chǎn)業(yè)和文化價(jià)值。中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)自1991 年興起，至今已發(fā)展30 年之久，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中綠色富民、低碳、可持續(xù)發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，2019 年中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值接近3000 億元。2017 年中國(guó)全面停止天然林商業(yè)性采伐，由此導(dǎo)致木材資源供給嚴(yán)重不足，同時(shí)人民對(duì)木材產(chǎn)品及優(yōu)美生態(tài)產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)，尋找木材替代品和提高木材利用率成為迫切需要解決的問(wèn)題。中國(guó)是竹資源大國(guó)，竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平位居全球首位，竹子生長(zhǎng)快、周期短、材質(zhì)優(yōu)，是替代木材的最佳選擇，因此發(fā)揮中國(guó)竹資源優(yōu)勢(shì)、創(chuàng)新竹材利用方式是解決木材資源短缺的有效途徑。

竹材人造板作為實(shí)現(xiàn)竹材工業(yè)化、規(guī)模化和高值化利用的有效途徑之一，主要產(chǎn)品包括竹膠合板[1－3]、竹刨花板[4－5]、竹 纖維板[6]、竹集成材[7]、竹層積材[8]和重組竹[9]等6 大產(chǎn)品。其中，重組竹在總結(jié)傳統(tǒng)重組材技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，攻克了竹材青黃難以膠合和竹材單板化利用的技術(shù)瓶頸，大大提高了竹材人造板的附加值[10]，實(shí)現(xiàn)了竹材的高值化和高效利用，并已成為中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品之一。本文總結(jié)了重組竹材料技術(shù)研究取得的重要進(jìn)展，分析了重組竹材料在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中尚需解決的技術(shù)問(wèn)題，以期為今后的高性能木質(zhì)重組材料的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 重組竹材料技術(shù)取得的重要進(jìn)展

重組竹是由竹束或竹束片為構(gòu)成單元，按順紋組坯、經(jīng)膠合壓制而成的板方材。中國(guó)已自主研發(fā)出重組竹制造關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

1.1 壓制工藝持續(xù)優(yōu)化，“結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)聯(lián)研究不斷深入

在宏觀方面，探討了基本單元、浸漬工藝、固化工藝、壓縮力度等因素對(duì)重組材物理力學(xué)性能的影響[11－14]。研究結(jié)果表明，上述因素影響膠合過(guò)程中樹(shù)脂的流變性，進(jìn)而決定膠合界面的性能，最終反映為材料產(chǎn)品性能的差異；在微觀結(jié)構(gòu)方面，木質(zhì)基材的薄壁組織、導(dǎo)管和纖維等細(xì)胞均發(fā)生了不同程度的密實(shí)，細(xì)胞壁出現(xiàn)褶皺甚至壓潰等現(xiàn)象，同時(shí)酚醛樹(shù)脂在濕熱—高壓的作用下，與基材的裂紋以及導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞的細(xì)胞腔之間均形成了膠合界面；在化學(xué)組分方面，細(xì)胞壁的纖維素發(fā)生結(jié)晶化和晶區(qū)出現(xiàn)規(guī)整化，但結(jié)晶度無(wú)明顯變化，浸漬用低分子量的酚醛樹(shù)脂發(fā)生了固化，并與細(xì)胞壁的活性基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成疏水基團(tuán)[15]。目前，已經(jīng)完成剛竹(Phyllostachys sulphureavar.viridis)、淡竹 (P.glauca)、雷竹(P.praecoxf.pervernalis)、毛竹(P.pubescens)、紅殼竹(P.iridescens)、白夾竹(P.bissetii)、壽竹(P.bambusoidesf.shouzhu)、臺(tái)灣桂竹 (P.makinoi)、慈竹 (Neosinocalamus affinis)、綠竹(Dendrocalamopsis oldhamii)、梁山慈竹 (Dendrocalamus farinosus)、麻竹 (D.latiflorus)、巨龍竹 (D.sinicus)、白節(jié)竹 (D.albonudus)、毛龍竹 (D.tomentosus)、緬竹(Bambusa burmanica)、料慈竹(B.distegia)、粉單竹 (B.chungii)、撐綠雜交竹 (Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis) 等19 種竹材的重組竹壓制工藝優(yōu)化，不同竹種解剖特征的差異最終影響材料性能[16－20]。

1.2 夯實(shí)基礎(chǔ)理論研究，謀求重組技術(shù)進(jìn)一步突破

針對(duì)重組材料具有尺寸穩(wěn)定性較好、強(qiáng)耐腐、力學(xué)性能高等特點(diǎn)，重點(diǎn)從單板分離、力學(xué)性能增強(qiáng)和耐水性能改善等機(jī)理、機(jī)制方面進(jìn)行全面解析。研究表明:單板分離的機(jī)理主要是基材細(xì)胞在摩擦力、擠壓力和切割力的作用下發(fā)生脫落和破壞，從而實(shí)現(xiàn)分離，并最大限度地保留了纖維的強(qiáng)度，使其不受損傷；力學(xué)性能增強(qiáng)的機(jī)理包括基本組織和導(dǎo)管等細(xì)胞的壓縮密實(shí)增強(qiáng)和酚醛樹(shù)脂膠黏劑與基材微觀結(jié)構(gòu)形成界面增強(qiáng)2 個(gè)方面；耐水性改善的機(jī)制包括竹纖維束的表面酚醛樹(shù)脂膠膜層憎水膠膜層的形成和酚醛樹(shù)脂膠黏在細(xì)胞腔內(nèi)膠釘?shù)墓潭╗21]。同時(shí)，在重組竹環(huán)境作用基礎(chǔ)理論研究方面，基于Grotthus-Draper 和Stark-Einstein 定律的光化學(xué)原理為重組竹光老化降解原理提供了理論支撐，同時(shí)重組竹濕熱老化降解作用遵循Fick 擴(kuò)散定律。上述作用機(jī)理使材料最終發(fā)生可逆的物理或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能發(fā)生改變，從過(guò)程上看，是對(duì)竹材、酚醛樹(shù)脂及其膠合界面的復(fù)雜作用；從效果上看，是材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的衰減；從本質(zhì)上看，是對(duì)竹材、酚醛樹(shù)脂及其膠合界面結(jié)構(gòu)與性能的降解作用。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，推動(dòng)產(chǎn)品多樣化、功能化

針對(duì)重組材料具有性能可控、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、尺寸規(guī)格可調(diào)整的特性，克服了速生材的瓶頸，促進(jìn)重組材料產(chǎn)品多樣化、系列化。重點(diǎn)從以下方面取得突破。1) 相關(guān)學(xué)者提出了重組竹材料力學(xué)性能的可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)[22－23]，重點(diǎn)表征了材料的強(qiáng)度指標(biāo)[24－27]、應(yīng)力應(yīng)變[28－29]、斷裂特性[30－34]和粘彈性[35－38]，研究了梁柱構(gòu)件[39－46]和連接設(shè)計(jì)[47－50]優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重組材料在建筑建構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。2) 通過(guò)研發(fā)膠合技術(shù)，生產(chǎn)功能重組材料，改善材料使用性能，拓展重組材料產(chǎn)品使用領(lǐng)域。重點(diǎn)集成竹材重組單元物理化學(xué)手段預(yù)處理優(yōu)化工藝、染料體系篩選、上染可控工藝以及復(fù)合壓制耦合工藝等技術(shù)手段[51－52]，形成竹材重組染色復(fù)合技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)重組竹色彩調(diào)控；采用分子組裝、尺度調(diào)控和共混復(fù)配等技術(shù)手段，完成了材料表面紫外屏蔽系統(tǒng)的構(gòu)建，達(dá)到重組竹表觀的長(zhǎng)效防護(hù)；基于重組竹表面浸漬紙飾面與漆面涂飾的工藝優(yōu)化[53－55]，實(shí)現(xiàn)了重組竹裝飾性能的改良；采用不同添加方式和處理工藝完成對(duì)重組竹產(chǎn)品的物理填充，提高藥劑的固著率和抗流失性，達(dá)到良好的霉菌防治作用[56－61]；通過(guò)優(yōu)化無(wú)機(jī)礦物質(zhì)[62]、氮磷系、硼系以及氮磷硼復(fù)合系阻燃劑[63－65]添加工藝，達(dá)到阻燃抑煙功能。通過(guò)上述研究，極大促進(jìn)了重組竹產(chǎn)品的多樣化、系列化。目前，竹材重組材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)地板、家具[66－67]、集裝箱底板[68]到風(fēng)電葉片[69]、建筑結(jié)構(gòu)[70]、戶(hù)外材料[71]等領(lǐng)域拓展。

2 重組竹產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要解決的科學(xué)問(wèn)題

雖然重組竹材料技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，但作為一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)重組竹材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究相對(duì)較少，限制了以該種材料為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。因此，有必要借鑒傳統(tǒng)復(fù)合材料的先進(jìn)理論和研究方法對(duì)重組竹材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而進(jìn)一步促進(jìn)材料的推廣與應(yīng)用。

2.1 微觀結(jié)構(gòu)變化

重組竹的成型有冷成型熱固化工藝和熱壓工藝2 種，其區(qū)別在于熱壓工藝壓縮過(guò)程伴隨著濕熱的傳遞過(guò)程，細(xì)胞壁組織有一個(gè)逐漸受熱軟化的過(guò)程，而冷成型熱固化工藝則沒(méi)有此過(guò)程。因此，將木質(zhì)重組材料壓縮至同樣的密度，熱壓工藝過(guò)程所需要的壓力只有冷成型工藝過(guò)程的十分之一左右。初步研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在重組竹成型過(guò)程中，基材的薄壁組織幾乎處于完全閉合狀態(tài)，而微管束組織中的空隙也幾乎被壓縮了90%以上。但由于基材細(xì)胞的細(xì)胞壁厚度不同，如竹纖維是厚壁細(xì)胞，基本組織和導(dǎo)管是薄壁細(xì)胞，從而導(dǎo)致在壓縮過(guò)程中各細(xì)胞受到的損害程度可能有較大差異，對(duì)于特定的材種來(lái)講，其極限壓潰值依據(jù)不同的成型工藝有所不同，不同材種的微觀結(jié)構(gòu)變化所呈現(xiàn)出的“結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)聯(lián)性，有待于進(jìn)一步研究確認(rèn)。

2.2 力學(xué)性能變化

重組竹通過(guò)壓縮密實(shí)和界面增強(qiáng)使力學(xué)性能得到大幅度增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為密度和施膠量的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，但這種協(xié)同效應(yīng)并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，不同力學(xué)性能指標(biāo)呈現(xiàn)的變化規(guī)律不同，同時(shí)竹種的差異對(duì)木質(zhì)重組材料力學(xué)性能影響很大。材種的差異對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)制以及不同材種力學(xué)性能變化規(guī)律與極限力學(xué)性能需要進(jìn)一步研究。

2.3 材料耐候性

重組竹作為一種戶(hù)外用新型產(chǎn)品，其耐久性是評(píng)價(jià)產(chǎn)品在使用和存放過(guò)程中能否長(zhǎng)期保持其性能的技術(shù)指標(biāo)之一?，F(xiàn)階段雖然對(duì)重組材料的老化性能進(jìn)行了一些探索性的研究，發(fā)現(xiàn)其在自然老化環(huán)境下重組材的顏色會(huì)逐漸加深，力學(xué)性能發(fā)生變化，在不同人工老化條件下重組材性能呈現(xiàn)不同程度的變化[72－73]；但缺乏木質(zhì)重組材料在光輻射—濕熱協(xié)同作用下微觀層面的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)聯(lián)研究，對(duì)其氣候老化機(jī)理的研究尚待進(jìn)一步深入，同時(shí)在根據(jù)人工加速老化規(guī)律提出的自然老化壽命預(yù)測(cè)方法的研究還很欠缺，而這些研究對(duì)重組竹的可靠性的評(píng)價(jià)非常重要。

2.4 其他問(wèn)題

重組竹材作為一種新型建筑材料，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的整體框架內(nèi)，規(guī)定重組竹材料及構(gòu)件加工制作時(shí)的基本要求和生產(chǎn)制作質(zhì)量控制要求，并進(jìn)一步確定重組竹產(chǎn)品的強(qiáng)度等級(jí)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，規(guī)定膠合木構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。同時(shí)，重組竹作為新開(kāi)發(fā)的一種生物質(zhì)基復(fù)合材料，除了上述所提到的部分科學(xué)問(wèn)題，其他如熱處理?xiàng)l件下材料的強(qiáng)度化學(xué)變化機(jī)理，熱處理對(duì)樹(shù)脂滲透性能的影響規(guī)律，材料的阻燃、防霉、防腐機(jī)理，重組材料的表面性能等，都需要進(jìn)一步研究探索，以期更好地促進(jìn)其技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。

同時(shí)對(duì)于成型制造工藝來(lái)說(shuō)，工藝裝備是其研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段，相關(guān)流程設(shè)備主要存在因無(wú)法連續(xù)化、銜接性差而造成生產(chǎn)效率低以及信息化水平偏低等技術(shù)難題，后續(xù)單機(jī)還是成套設(shè)備都將圍繞高效率、高品質(zhì)、節(jié)能降耗、提高可靠性、簡(jiǎn)化操作和提高適宜性等方面進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)向零部件、裝置和功能等的模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展，并采用精良的制造工藝。另外，高效利用、節(jié)約能耗、設(shè)計(jì)人性化也將成為關(guān)注的重點(diǎn)，最終為實(shí)現(xiàn)重組竹整線的連續(xù)化生產(chǎn)提供設(shè)備基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

重組竹是中國(guó)自主研發(fā)的高附加值竹材，為中國(guó)竹材加工產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了強(qiáng)有力的科技支撐，在同類(lèi)研究中處于國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著中國(guó)大力發(fā)展生物質(zhì)建材及木竹結(jié)構(gòu)建筑，重組竹的推廣和應(yīng)用將進(jìn)入高速發(fā)展期。