縱向無(wú)刻痕一體化竹展平技術(shù)解析?

張秀標(biāo) 劉煥榮 張方達(dá) 姜應(yīng)軍 費(fèi)本華

（1.國(guó)際竹藤中心，國(guó)家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102； 2.龍竹科技集團(tuán)股份有限公司，福建 南平 354200）

竹展平板是竹筒或弧形竹片經(jīng)軟化、展開(kāi)、定型而成的片狀材料[1]，是圓竹高效加工利用的一種新形式。竹展平板保留了竹材天然的紋理和竹節(jié)結(jié)構(gòu)，在砧板和地板等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。竹展平技術(shù)的關(guān)鍵在于克服竹材自身中空、壁薄、具有尖削度，且內(nèi)、外周長(zhǎng)不一致的結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)高溫高濕軟化及機(jī)械外力的作用使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦谓孛娴钠秸宀摹?/p>

我國(guó)竹展平技術(shù)和裝置的研發(fā)始于20 世紀(jì)80 年代，經(jīng)歷了簡(jiǎn)單熱壓板機(jī)械展平[2-4]、損傷（扎眼和刻線槽）展平[5-17]、縱向無(wú)刻痕一體化展平[18-20]等三代技術(shù)的發(fā)展。目前，工業(yè)化應(yīng)用較多的是點(diǎn)損傷（扎眼）和線損傷（刻線槽）竹展平技術(shù)。這類(lèi)竹展平技術(shù)通過(guò)帶有突起或刺棱的機(jī)械輥對(duì)剛軟化出爐的竹筒或弧形竹片的竹黃面進(jìn)行扎眼或刻線槽，以達(dá)到釋放竹材內(nèi)部生長(zhǎng)應(yīng)力，縮小竹材內(nèi)外壁周長(zhǎng)差的目的，再借助機(jī)械外力作用將其展開(kāi)。與熱壓板直接壓平技術(shù)相比，點(diǎn)損傷和線損傷竹展平技術(shù)采用橫向或縱向竹展平設(shè)備對(duì)竹筒或弧形竹片進(jìn)行展平，取代絕大部分手工操作，竹展平機(jī)械化程度和生產(chǎn)效率有了較大提升，竹展平成功率和竹展平板質(zhì)量顯著提高，并實(shí)現(xiàn)了整竹展平。然而，扎眼或刻線槽會(huì)在竹黃面形成加工缺陷，導(dǎo)致板材表觀質(zhì)量差，還會(huì)降低竹展平板的物理力學(xué)性能[21-23]，進(jìn)而對(duì)其膠合性能產(chǎn)生一定的影響[24]。為了滿足加工需求，去除部分扎眼或刻線槽的痕跡會(huì)進(jìn)一步降低板材的出材率。此外，在竹材預(yù)處理階段的去竹青、去竹黃和去內(nèi)、外節(jié)等各工序分開(kāi)進(jìn)行，勞動(dòng)力密集，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率偏低。因此，開(kāi)發(fā)一種優(yōu)質(zhì)高效的竹展平技術(shù)勢(shì)在必行。

基于扎眼和刻線槽等有損傷竹展平技術(shù)，國(guó)內(nèi)研發(fā)了縱向無(wú)刻痕一體化竹展平技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)對(duì)竹筒進(jìn)行科學(xué)定段，壁厚、徑級(jí)分級(jí)，鋸切剖分，等弧定厚微整形，一體化展平、定型以及分段式干燥和噴蒸等多個(gè)工序的集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了竹材縱向無(wú)刻痕一體化快速展平，獲得了高性能、高出材率的竹展平板。本文重點(diǎn)解析該技術(shù)及其創(chuàng)新性，并結(jié)合該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況，提出該技術(shù)今后改進(jìn)和完善的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 縱向無(wú)刻痕一體化竹展平技術(shù)流程

縱向無(wú)刻痕一體化竹展平主要分為三個(gè)階段：圓竹的預(yù)處理、展平和后處理。其中，圓竹預(yù)處理主要包括竹稈定段，壁厚和徑級(jí)分選，竹段鋸切剖分和軟化等工序；展平階段主要包括去內(nèi)、外節(jié)，定弧定厚微整形，逐級(jí)擴(kuò)弧展平，二次展平和冷卻定型；后期處理主要包括堆垛，干燥，銑邊，精刨，陳放等工序，最終形成具有一定規(guī)格和尺寸的竹展平板。其中，竹稈定段，分級(jí)，鋸切剖分，分段軟化，無(wú)刻痕一體化展平和多段干燥是該展平技術(shù)的重要技術(shù)創(chuàng)新。其工藝流程如圖1 所示。

2 縱向無(wú)刻痕一體化竹展平關(guān)鍵技術(shù)

2.1 竹稈定段、分級(jí)與剖分

2.1.1 竹稈合理定段

竹稈定段是基于竹材在高度方向上具有一定尖削度，且其直徑、節(jié)間長(zhǎng)度和壁厚呈梯度變化[25]。以胸徑為10.0 cm的竹稈為例，在0.0 m（根部）至11.0 m（近梢部）范圍內(nèi)，尖削度呈明顯下降趨勢(shì)，即從2.8降至1.2；在0.0～0.9 m段內(nèi)，其直徑從14.0 cm急速下降至10.0 cm，而在高度為11.0 m處，其直徑僅有4.3 cm；而節(jié)間長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)則與直徑和尖削度相反，靠近根部的節(jié)間長(zhǎng)度由下至上快速增大，在0.0～0.9 m段內(nèi)其節(jié)間長(zhǎng)度從8.0 cm增至16.0 cm，1.0 m以上則緩慢增加，到竹材梢部后呈下降趨勢(shì)；在0.0～0.9 m段內(nèi)其壁厚從1.4 cm下降至1.1 cm，1.0 m以上緩慢下降，在高度為11.0 m處僅有4 mm。

為了科學(xué)合理地使用竹材，需根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品尺寸要求將一定長(zhǎng)度的竹稈鋸成不同長(zhǎng)度的竹段，竹稈定段方法如表1 所示。

表1 竹稈定段方法Tab.1 The segmentation method of bamboo culm

竹稈定段的具體做法是將竹稈分為根部、中部和梢部等三個(gè)部分，自竹稈根部向上依次截取一定長(zhǎng)度的竹段，分別標(biāo)記為第一段，第二段，第三段等，以此類(lèi)推。竹段常規(guī)長(zhǎng)度為1.05 m。當(dāng)竹段大頭直徑≤6.0 cm時(shí)，則截取2.05 m竹段，可用于制備長(zhǎng)2.05 m、厚度為4～5 mm的竹展平板。

2.1.2 竹材壁厚分級(jí)

竹材壁厚沿生長(zhǎng)高度方向呈梯度減小趨勢(shì)。據(jù)此，通過(guò)人工或分級(jí)設(shè)備將竹段分成不同厚度等級(jí)；在后續(xù)工序中，可根據(jù)壁厚等級(jí)調(diào)整圓竹或弧形竹片的軟化溫度和時(shí)間，從而提高軟化質(zhì)量，減少展平過(guò)程中開(kāi)裂，同時(shí)還可以有效控制炭化溫度，保證板材色澤的均勻性。圓竹壁厚分級(jí)方法及所對(duì)應(yīng)的板材厚度如表2 所示。

表2 圓竹壁厚分級(jí)及相應(yīng)竹展平板厚度Tab. 2 Grading of bamboo wall thickness and corresponding thickness of bamboo flattened sheet

2.1.3 圓竹定寬剖分

圓竹剖分采用鋸切剖分的方式，即采用多片圓盤(pán)鋸片對(duì)一組相同徑級(jí)的竹筒（通常4～6根）進(jìn)行同步剖分，剖分方法如圖2所示。圓竹筒通常被鋸切成3～5片寬度相同或部分寬度不相同的弧形竹片。采用該方法使竹筒的鋸切剖分更加精準(zhǔn)和高效，所得弧形竹片側(cè)邊平整，可有效減少展平后板材的刨切量，提高竹材綜合出材率。而傳統(tǒng)撞竹剖分方式得到的弧形竹片側(cè)面不規(guī)則，且竹片寬度不均一，在后續(xù)的展平和裁邊過(guò)程中需要去除多余不規(guī)則部分，降低了板材出材率，兩種方法獲得的弧形竹片如圖3所示。

同一圓竹段有多種剖分方式，需要結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)品的寬度進(jìn)行選擇。以直徑為120 mm的竹段為例，其理論周長(zhǎng)為376.8 mm（假定截面為標(biāo)準(zhǔn)圓），去除鋸路約8 mm后，可有如下幾種剖分方案供選擇：1）4 片9 cm寬弧形竹片；2）3 片8 cm寬弧形竹片，1 片10 cm寬弧形竹片；3）4 片7 cm寬弧形竹片，1 片8 cm寬弧形竹片。

通過(guò)圓竹定段，壁厚分級(jí)及鋸切剖分等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施，有效減少了竹材尖削度及自身尺寸對(duì)加工利用的不利影響，避免了不必要的刨切和裁邊，與傳統(tǒng)竹展平工藝相比，竹展平板出材率提高至55%～65%[23]。

圖2 圓竹剖分示意圖Fig.2 Schematics of bamboo culm splitting

圖3 撞竹剖分和鋸切剖分弧形竹片側(cè)邊對(duì)比圖Fig.3 The comparison of two bamboo splits prepared by impacting and sawing respectively

2.2 分段式軟化工藝

水分和溫度是影響竹材軟化效果的兩個(gè)重要因素，可通過(guò)提高含水率和溫度來(lái)降低竹材的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，進(jìn)而降低竹材的彈性模量[21-22]。縱向無(wú)刻痕一體化竹展平技術(shù)以高溫飽和蒸汽為介質(zhì)，采用分段軟化法對(duì)竹材進(jìn)行軟化，可以有效避免因蒸汽壓力較大導(dǎo)致竹材水分散失過(guò)快，造成竹片軟化不均勻。通常第一階段軟化壓力和溫度分別為0.5 MPa和140 ℃，第二階段軟化壓力和溫度分別為1.1 MPa和180 ℃。此外，不同竹壁厚度的弧形竹片其軟化時(shí)間也不盡相同，具體工藝參數(shù)如表3 所示。

表3 不同壁厚弧形竹片軟化工藝參數(shù)Tab. 3 Softening process parameters of bamboo splits with different wall thickness

2.3 一體化展平工藝

縱向無(wú)刻痕一體化竹展平主要包括三大部分：輥壓去內(nèi)節(jié)、定弧定厚微整形和展開(kāi)及二次壓平[18-20]。第一部分輥壓去內(nèi)節(jié)，軟化后的弧形竹片（竹黃面朝上，圖4a）由多組球形壓輥傳動(dòng)進(jìn)料。球形壓輥的下壓輥為啞鈴型，表面光滑，而上壓輥為橢球型，表面帶有突出的定位針（針狀突起），上下壓輥之間形成球面半徑相同的間隙?；⌒沃衿膬?nèi)節(jié)在球形壓輥的連續(xù)作用下被壓潰并脫落，初步去除內(nèi)節(jié)；第二部分定弧定厚微整形，去除內(nèi)節(jié)的弧形竹片在表面光滑的球形輥傳送過(guò)程中，通過(guò)上、下相鄰的多組弧形刨刀（圖4b），實(shí)現(xiàn)下表面去竹青（外刨刀）、上表面去竹黃（內(nèi)刨刀）。上下相鄰的內(nèi)刨刀和外刨刀之間形成弧面半徑相同的間隙，可保證加工后的弧形竹片兩端厚度和弧面半徑相同，即定弧定厚（圖4c）；第三部分展平，定厚定弧的弧形竹片在依次通過(guò)幾組由球形壓輥逐漸變成圓柱壓輥的傳動(dòng)裝置時(shí)從中間向兩邊被逐漸展平（圖4d）。由于竹材生長(zhǎng)應(yīng)力尚未完全消除，剛展開(kāi)的竹片會(huì)有小弧度的彎曲回彈，此時(shí)采用連續(xù)輥壓的方法將其二次壓平并冷卻定型，具體做法是將展平后彎曲回彈的弧形竹片（竹青面或竹黃面向上，圖4e）送入一臺(tái)由多組圓柱形輥輪構(gòu)成的連續(xù)長(zhǎng)冷壓輥壓機(jī)，在連續(xù)壓輥的作用下對(duì)其進(jìn)行二次壓平并冷卻定型，最終形成較為平整的竹展平板（圖4f）。

圖4 弧形竹片縱向無(wú)刻痕一體化展平流程圖Fig.4 Procedure process of integrated bamboo flattening technology

縱向無(wú)刻痕竹展平技術(shù)在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了竹片去內(nèi)節(jié)、去竹青、去竹黃，定弧定厚微整形，擴(kuò)弧、展平等，與傳統(tǒng)展平技術(shù)相比，勞動(dòng)力減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)過(guò)程更安全。據(jù)生產(chǎn)企業(yè)測(cè)算，新技術(shù)使勞動(dòng)力成本下降5%～10 %，材料的出材率提高10%～15%左右。

此外，新技術(shù)對(duì)竹材表面無(wú)破壞，且在高溫軟化后通過(guò)擴(kuò)弧輥壓一次展平和連續(xù)輥壓二次展平，在一定程度上對(duì)板材進(jìn)行了密實(shí)化處理。通過(guò)對(duì)新技術(shù)制備的竹展平板部分物理和力學(xué)性能測(cè)試，得出如下結(jié)果：氣干密度為0.65～0.76 g/cm3, 弦向氣干干縮率為6.1%～7.5%，徑向氣干干縮率為3.4%～6.8%，靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為142.62～177.25 MPa, 8.34～14.34 GPa，壓縮強(qiáng)度55.47～104.23 MPa，順紋剪切強(qiáng)度16.35～22.45 MPa，拉伸強(qiáng)度126.91～145.46 MPa?？梢钥闯?，新技術(shù)制備的竹展平板保留了竹材優(yōu)良的物理力學(xué)性能。楊曉夢(mèng)[23]系統(tǒng)比較了不同展平工藝制備的竹展平板物理力學(xué)性能的差異，研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)果。

2.4 一體化干燥技術(shù)

干燥工藝對(duì)竹展平板的表觀質(zhì)量有決定性影響。合理的干燥工藝和堆垛方式，不僅有利于縮短干燥時(shí)間、減少能耗，更有利于提高板材質(zhì)量。竹展平板與木材不同，前者是將弧形竹片通過(guò)高溫高濕軟化后再經(jīng)機(jī)械加壓展成平整的板材，展開(kāi)后其剩余內(nèi)應(yīng)力在干燥過(guò)程中如果不能完全釋放，會(huì)導(dǎo)致竹展平板開(kāi)裂和翹曲變形。針對(duì)弧形竹片在展平過(guò)程中受壓、干燥過(guò)程中回彈以及竹材水分主要沿縱向排出等特點(diǎn)，創(chuàng)新提出了一種適用于竹展平板干燥技術(shù)，即干燥—噴蒸—平衡技術(shù)。

竹展平板干燥以過(guò)熱蒸汽為介質(zhì)，采用三段式干燥法：1）一次干燥階段：采用低溫、低濕條件干燥，然后逐漸提高溫度和濕度并保持一定時(shí)間，之后保持高溫條件進(jìn)行排濕處理，保持較高溫度和在一定濕度條件下悶窯進(jìn)行排濕干燥；2）噴蒸階段：采用更高的溫度并進(jìn)行噴蒸處理，并在此高溫高濕條件下保持8～20 h。噴蒸處理的目的是使竹展平板重新獲得水分，以恢復(fù)板材原有體積；3）平衡干燥階段：在高溫、低濕條件下進(jìn)行二次干燥，干燥時(shí)間24 h以上，當(dāng)板材含水率干燥至10%～12%時(shí)，停止干燥，板材冷卻出窯。干燥工藝溫濕度曲線如圖5所示。

竹展平板干燥周期約8～10 d，板材含水率為10%左右。干燥階段的梯度升溫、增濕和噴蒸，使竹展平板在干燥過(guò)程中充分釋放內(nèi)應(yīng)力，減少了變形和開(kāi)裂，板材表面平整，有效減少了刨切量，進(jìn)一步提高了竹材出材率。

圖5 竹展平板干燥工藝Fig.5 The drying procedure of bamboo flattened sheet

3 結(jié)論

縱向無(wú)刻痕一體化竹展平技術(shù)是竹材加工利用領(lǐng)域一次重要的技術(shù)創(chuàng)新。該技術(shù)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和核心設(shè)備研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了竹材縱向無(wú)刻痕一體化快速展平，提高了竹材的綜合利用率；將多個(gè)加工工序融為一體，減少了勞動(dòng)力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本；采用新技術(shù)制備的板材保留了竹材天然的紋理特征和優(yōu)良的力學(xué)性能，板材表面無(wú)損傷，外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良；新技術(shù)拓展了竹材加工利用的領(lǐng)域，為竹家具和竹質(zhì)包裝等[26-27]材料的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

但該竹展平技術(shù)在降低板材缺陷、提升出材率，提高生產(chǎn)效率等方面仍有一定的提升空間。由于其工藝流程中竹筒預(yù)處理，軟化，二次展平、冷卻定型以及干燥等工序單獨(dú)進(jìn)行，而且在實(shí)際生產(chǎn)中各工序的加工設(shè)備比較簡(jiǎn)陋，自動(dòng)化程度低，竹材軟化與展平不能有效銜接，導(dǎo)致軟化后的竹材在較高溫條件下不能快速展平，增加了板材開(kāi)裂率，因此，縮短軟化與展平時(shí)間，提高各工序之間的銜接能力與自動(dòng)化連續(xù)化加工水平將是今后竹材展平技術(shù)改進(jìn)和研究的重點(diǎn)。同時(shí)，竹展平板干燥堆垛方式及干燥工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。