竹材展平技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

李延軍，婁志超

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京林業(yè)大學(xué)竹材工程研究中心，南京 210037)

與木材不同，竹材具有強(qiáng)度大、韌性好、清新自然等特點(diǎn)，作為工程結(jié)構(gòu)材料或者家居裝飾材料具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。中國(guó)是世界最大的竹資源利用和竹制品生產(chǎn)國(guó)。根據(jù)全國(guó)第九次森林資源最新調(diào)查結(jié)果，目前我國(guó)竹林面積已達(dá)641.16萬(wàn)hm2[4]，約占全世界竹林面積的l/4[5]。同時(shí)，工業(yè)化利用價(jià)值最高的毛竹90%產(chǎn)在中國(guó)，2018年我國(guó)的竹產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到2 456億元，產(chǎn)品1萬(wàn)余種[6]。竹產(chǎn)業(yè)在發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對(duì)氣候變化、精準(zhǔn)扶貧和促進(jìn)農(nóng)民就業(yè)增收等方面發(fā)揮了重要作用，為“以竹代木”作出了重要的示范和推動(dòng)作用[7-10]。

長(zhǎng)期以來(lái)，利用我國(guó)豐富資源毛竹材直接加工成大幅面裝飾板材的技術(shù)一直處于空白。毛竹直徑小、壁薄中空的特殊結(jié)構(gòu)，它的主要工業(yè)利用途徑是將竹筒通過(guò)剖分、刨削等系列工序加工成矩形竹片，再通過(guò)涂膠、組坯、熱壓等工序加工成板材。在竹片制造過(guò)程中存在著竹材刨削量大、鋸縫多、工序多等缺陷，大大降低了竹材的利用率與生產(chǎn)效率，出材率為35%左右。針對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)的竹片加工方式存在原料利用率低，機(jī)械化程度不高等瓶頸問(wèn)題，竹產(chǎn)業(yè)急需開(kāi)發(fā)一種新型的竹材加工技術(shù)，用較簡(jiǎn)便的方法在不改變竹材厚度和寬度原有結(jié)合形式的基礎(chǔ)上，制備具有較高強(qiáng)度、較好剛性和耐候性的，以及最大限度厚度和寬度的竹片，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低勞動(dòng)力成本和施膠量，提高竹材利用率和附加值。

將竹筒或弧形竹片經(jīng)過(guò)軟化、展平、干燥、定型等工藝處理，制成平直狀的竹片，該技術(shù)稱為“竹展平技術(shù)”[11]。該技術(shù)由張齊生院士團(tuán)隊(duì)于20世紀(jì)80年代首先提出，并將制備得到的帶有裂縫的展平竹片經(jīng)刨削加工成一定厚度和寬度的竹片后，按照膠合板的構(gòu)成原理制成強(qiáng)度較高、剛性較好的結(jié)構(gòu)用竹材膠合板，主要應(yīng)用于車廂底板[12]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)竹材改性認(rèn)識(shí)的逐漸深入，竹展平技術(shù)也從原先只能對(duì)弧度較小、幅面較窄的竹塊進(jìn)行無(wú)縫展平發(fā)展到對(duì)弧度較大的竹筒和弧形竹片的無(wú)裂縫展平。筆者以公開(kāi)發(fā)表的論文和專利為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹科研人員在竹展平技術(shù)方面取得的進(jìn)展，著重解析竹展平技術(shù)中竹材軟化和展平這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，為竹材加工企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。

1 原料制備

研究表明，竹齡為4～6 a的毛竹(moso bamboo)材材性和加工性能最好，且此階段的竹材中半纖維素含量較高、木質(zhì)素含量穩(wěn)定，有利于竹材的軟化和展平[13-14]。因此，工業(yè)上目前主要選用4～6年生、竹梢部直徑達(dá)到10 cm以上的新鮮毛竹或含水率較高毛竹材進(jìn)行展平板制造。由于毛竹根部彎曲度較大，自根部起向上1 m長(zhǎng)竹段不宜制備展平竹板材，可加工成竹條，作為竹集成材或者竹工藝品的原料。剩余部分竹材，根據(jù)竹展平板產(chǎn)品的尺寸要求，將毛竹截?cái)喑?.5～2.0 m長(zhǎng)的竹筒；為了提高出材率，內(nèi)徑在12 cm左右的毛竹材根據(jù)尖削度差異，取其一部分可截?cái)喑砷L(zhǎng)1 m左右的竹筒，剩余內(nèi)徑較小部分可用作長(zhǎng)板加工。根據(jù)不同的展平工藝和用途，竹筒在后續(xù)處理中會(huì)進(jìn)行去內(nèi)節(jié)去青和開(kāi)槽[15]，或者縱向剖分成2～4片弧形竹片備用[16]。

如圖1a為竹材橫切面顯微照片，從圖中可以看出，根據(jù)縱向維管束分布密度以及化學(xué)成分的不同，竹材分為竹青、竹肉和竹黃三部分。其中，靠近竹壁外側(cè)，維管束小而密，基本組織含量較少的為竹青；從竹青到竹肉再到竹黃，維管束逐漸變大，但其數(shù)量減少且分布逐漸稀疏，相應(yīng)的基本組織數(shù)量逐漸變多。因此，竹材的力學(xué)強(qiáng)度從外到內(nèi)逐漸降低：竹青層密度大，硬度高，不易壓縮；而竹黃層松軟，易被拉伸，發(fā)生開(kāi)裂。圖1b所示為竹展平技術(shù)的示意圖。從圖中可以看出，在展平過(guò)程中竹材的外表面將受到擠壓應(yīng)力，而內(nèi)表面則受到拉伸應(yīng)力。通過(guò)減小竹材的彈性模量可以減小內(nèi)表面拉伸應(yīng)力，從而可以減小展平時(shí)竹材內(nèi)表面裂縫的寬度和深度，避免出現(xiàn)貫穿性的裂縫或者直接避免裂縫的產(chǎn)生[17]。

圖1 竹材橫切面顯微圖(a)和竹展平示意圖(b)

2 竹材軟化處理

目前，生物質(zhì)材料軟化處理的方法主要包括化學(xué)軟化處理和物理協(xié)助軟化處理,化學(xué)軟化處理又分為直接化學(xué)試劑浸漬軟化處理[18]和熱化學(xué)軟化處理[19-20]兩種。其中，由于竹材不同于木材，其中空壁薄，表面有硬質(zhì)且呈蠟狀的竹青，化學(xué)試劑不易浸漬到竹材內(nèi)部,同時(shí)化學(xué)試劑的軟化處理伴隨著較劇烈的竹材化學(xué)成分改變，影響處理材質(zhì)量，且對(duì)環(huán)境不友好。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)化學(xué)試劑處理實(shí)現(xiàn)竹材的軟化、展平的方法基本沒(méi)有使用，而熱化學(xué)軟化處理的方法使用較多。

竹材作為非均相高聚物，是一類含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合物，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)在軟化過(guò)程中起關(guān)鍵作用：在軟化過(guò)程中，竹材應(yīng)力-應(yīng)變會(huì)隨軟化處理時(shí)間的變化而變化，從而產(chǎn)生黏彈性變形，在溫度達(dá)到Tg時(shí)，非結(jié)晶區(qū)中的纖維素和半纖維素等無(wú)定形非晶態(tài)聚合物會(huì)發(fā)生熱軟化，從而從玻璃態(tài)向黏彈態(tài)、高彈態(tài)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致竹材的物理力學(xué)性能驟變，作為剛性特征指標(biāo)的彈性模量迅速下降，竹材軟化，塑性增強(qiáng)[21-25]。研究較多的熱化學(xué)軟化處理方法主要為高溫軟化和飽和蒸汽熱軟化。

2.1 高溫軟化

相比水煮，高溫軟化處理可以提高試材處理溫度，從而提高軟化效率[26]。但是，Starke等[27]對(duì)非洲高山竹的研究表明，當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，竹材的質(zhì)量損失與強(qiáng)度下降太多，并且處理時(shí)間較處理溫度對(duì)竹材的影響不大。李文勛和蔣身學(xué)等[28-29]均通過(guò)過(guò)熱的空氣對(duì)竹筒進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)軟化效果較好，有利于展平的進(jìn)行。程瑞香等[30]先將毛竹筒浸入水池中8 h，再將其放入密閉容器中升溫至120 ℃軟化處理30 min，發(fā)現(xiàn)軟化后竹材的彈性模量下降至6.42 GPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降至88 ℃，且近青面和近黃面的硬度分別下降42.0%和54.7%，軟化效果明顯。高溫處理過(guò)程中，竹材中的半纖維素會(huì)發(fā)生較大程度的降解，產(chǎn)生的乙酸會(huì)進(jìn)一步催化纖維素分子羥基間的脫水縮聚，使游離羥基的數(shù)量明顯減少，同時(shí)木質(zhì)素在高溫下穩(wěn)定性較高，從而使得處理材尺寸穩(wěn)定性提高、吸濕性降低[31]。高溫軟化速率快，軟化效果好，處理材綜合性質(zhì)提高，可處理長(zhǎng)圓竹筒，適合企業(yè)大批量生產(chǎn)。但是，處理材彈性模量的降低是處理材含水率和溫度的共同作用效果，因此在高溫處理前，往往需要對(duì)竹材進(jìn)行含水率提高預(yù)處理；同時(shí)，在高溫軟化處理過(guò)程中，伴隨著水分的蒸發(fā)，竹材逐漸變干，軟化效果逐漸變差，甚至發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致在工業(yè)化制造竹展平板生產(chǎn)中也失去技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2 飽和蒸汽熱軟化

在前人研究的基礎(chǔ)上，李延軍等[15-16,32-33]開(kāi)展了對(duì)竹材無(wú)裂紋軟化展平生產(chǎn)工藝的研究，在借鑒竹集成材竹片飽和蒸汽炭化處理工藝，提出了竹材“高溫高濕軟化展平”技術(shù)。研究表明，使用飽和蒸汽軟化代替水煮軟化的方法，不僅可以高效率地實(shí)現(xiàn)竹材的熱改性，還可以有效改善竹材物理力學(xué)性能并減少污染[34-36]。更重要的是，飽和蒸汽軟化可以使竹材在高溫軟化過(guò)程中一直保持較高的含水率。水分的存在不僅提高軟化過(guò)程中熱量在竹材中的傳輸效率，還會(huì)對(duì)軟化過(guò)程中竹材化學(xué)組分的變化規(guī)律產(chǎn)生影響。水分的存在會(huì)加劇纖維素和半纖維素的熱解反應(yīng)[37]。如圖2為工廠生產(chǎn)中的飽和蒸汽軟化竹筒和弧形竹片的照片。從圖中可以看出，無(wú)論是竹筒還是竹片，為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)于較大的壓力罐放置處理材時(shí)可以考慮排布2～4層；上下兩層處理材之間保留一定間距，使得蒸汽順利到達(dá)每個(gè)處理材，降低處理材之間軟化效果的差異性。同時(shí)，對(duì)于弧形竹片來(lái)說(shuō)，統(tǒng)一采用竹青向上、竹黃向下的擺放方式，避免在處理材表面發(fā)生冷凝的蒸汽水在弧形竹片溝槽中聚集，使處理材表面產(chǎn)生顏色差異。

圖2 竹筒(a)和弧形竹片(b)飽和蒸汽熱處理現(xiàn)場(chǎng)

2.3 物理協(xié)助軟化處理

2.3.1 微波協(xié)助軟化

日本學(xué)者Norimoto等[38]首先提出通過(guò)微波技術(shù)軟化木材。微波軟化的效率與生物質(zhì)材料的初始含水率密切相關(guān)，提高初始含水率可以加快微波軟化速率，在相同的微波功率和處理時(shí)間條件下，隨著初始含水率的增加，處理材彈性模量下降越厲害，脆性降低，軟化效果越好[39]。研究結(jié)果顯示，在微波軟化處理前竹材中需保持一定的初始含水率才能保證軟化效果，且微波功率、處理時(shí)間以及初始含水率對(duì)軟化效果的影響程度遞增；相反地，微波處理對(duì)竹材有干燥作用[40-41]。

2.3.2 竹材表面狀態(tài)改變協(xié)助軟化

由于竹材的竹青、竹黃面至竹材壁厚的中心，存在含水率和化學(xué)成分梯度，竹材的維管束體積分?jǐn)?shù)從竹青側(cè)至竹黃逐漸減小。竹青和竹黃的結(jié)構(gòu)和材性差異會(huì)影響軟化的效果，同時(shí)，由于竹青側(cè)和竹黃側(cè)硬而脆，其橫向彈性模量比竹肉部分大，也影響展開(kāi)效果。為了解決這一問(wèn)題，前人進(jìn)行了許多嘗試。謝力生等[42]提出將半圓形竹筒去內(nèi)節(jié)、去青后，再通過(guò)加熱加壓將厚度和外表面周長(zhǎng)已經(jīng)調(diào)整成定值的竹塊展平成平板狀。由于在軟化展平過(guò)程中，竹青的干縮率是竹黃的1.34倍，竹黃更容易發(fā)生開(kāi)裂[43]。陳崇正、丁定安等[44-45]為中斷展平過(guò)程中竹黃部位的裂隙發(fā)展，在去除內(nèi)節(jié)的竹片內(nèi)壁上增加斜線淺槽或者縱向?qū)蛄鸭y，從而降低應(yīng)力集中，提高竹材展平質(zhì)量。該方法中竹青層是沒(méi)有破解的完整體，基本上保留竹青、竹黃，最大程度保留竹材的有效實(shí)物量,同時(shí)發(fā)現(xiàn)竹筒分片弧長(zhǎng)越小，弧度越大，竹材利用率越高。

目前，工業(yè)上比較常見(jiàn)的軟化展平前竹材內(nèi)外表面預(yù)處理技術(shù)是使用竹筒去內(nèi)節(jié)機(jī)和去青機(jī)，分別采用“先破竹筒節(jié)隔后浮動(dòng)銑削內(nèi)節(jié)”和“浮動(dòng)銑削去除竹青和竹節(jié)”等技術(shù)去除竹材內(nèi)外節(jié)和竹青。圖3為去內(nèi)節(jié)機(jī)和去青機(jī)實(shí)物圖[46]。去內(nèi)節(jié)機(jī)由芯軸、沖頭、多齒銑刀和限位環(huán)等構(gòu)成[47]。工作時(shí)，組合銑刀插入竹筒，沖頭首先沖破節(jié)隔，然后竹筒由布置在兩處的3個(gè)橡膠摩擦輪支撐并驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與銑刀相反。由于兩個(gè)方向氣缸的不對(duì)稱加壓，使竹筒內(nèi)壁緊貼限位環(huán)外圓周，以竹筒內(nèi)壁為基準(zhǔn)進(jìn)行銑削，解決了竹筒的尖削度、不圓度、彎曲度等生長(zhǎng)缺陷的影響。隨著組合銑刀的旋轉(zhuǎn)，銑刀對(duì)竹筒內(nèi)壁殘余內(nèi)節(jié)進(jìn)行銑削，使其與竹筒內(nèi)壁平齊，從而實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)去除竹筒內(nèi)壁殘余內(nèi)節(jié)的目的。去青機(jī)工作時(shí)，竹筒通過(guò)錐形卡頭從兩端卡緊并驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，銑削工作頭從一端沿竹筒軸向移動(dòng)到另一端，完成銑削加工。通過(guò)控制氣壓調(diào)節(jié)銑刀作用于竹筒上的徑向壓力，限位環(huán)緊貼已銑削竹筒的外壁，使銑削工作頭隨竹筒輪廓的變化而上下浮動(dòng)，能適應(yīng)竹筒的尖削度、不圓度、彎曲度的變化[48-49]。

圖3 去內(nèi)節(jié)機(jī)(a)和去青機(jī)(b)實(shí)物圖

3 竹材展平

竹材的展平主要是依靠壓力作用將竹筒展成平直狀竹片，軟化后竹材的展平效果受竹材弧度和外徑的影響較大[50-51]。傳統(tǒng)的展平技術(shù)是將軟化后的半圓形竹筒通過(guò)鏈條輸送的方式放在平板式熱壓機(jī)，在上下壓板的溫度和壓力作用下一次加壓展平。為了提高生產(chǎn)效率，可以設(shè)計(jì)多層平板式熱壓機(jī)代替單層壓機(jī)。這種方法設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，但竹材在展平過(guò)程中應(yīng)力大，容易產(chǎn)生貫穿且連續(xù)的裂縫。黃河浪等[52]提出一種原竹弧狀竹片的展平方法，將多塊帶有竹青和竹黃并具有等寬度平行邊的弧形竹片平行排列于帶有可調(diào)側(cè)壓機(jī)構(gòu)的熱壓機(jī)中，側(cè)壓機(jī)構(gòu)方向與竹片纖維方向平行，之后通過(guò)逐漸增加熱壓壓力實(shí)現(xiàn)竹片展平。這樣得到的展平竹片表面裂縫較少或沒(méi)有裂縫，但難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，只適合小規(guī)模、低成本生產(chǎn)。李延軍等[15]設(shè)計(jì)出一種竹材展平的設(shè)備和工藝，將去青去黃并且開(kāi)槽和軟化后的竹筒置于如圖4a所示的展平設(shè)備中。該展平設(shè)備由一對(duì)軸向相互平行的輥組成，其中一個(gè)輥表面光滑，另一個(gè)輥表面設(shè)置有分散且呈錐形、長(zhǎng)方體形或短“V”形凸起的釘輥。在竹材受到上下輥壓力展平的同時(shí)，竹材表面在釘輥的作用下形成導(dǎo)裂眼，釋放竹黃面展平時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而使得竹材表面不開(kāi)裂。該方法成功的關(guān)鍵在于開(kāi)槽后的竹筒需要在160～180 ℃的飽和蒸汽環(huán)境中軟化4～20 min，并趁熱進(jìn)入展平設(shè)備。飽和蒸汽軟化可以使得竹材中半纖維素部分迅速降解，纖維素和木質(zhì)素達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，實(shí)現(xiàn)竹筒的高效軟化;同時(shí)，在飽和蒸汽熱處理過(guò)程中，槽口會(huì)變寬，便于進(jìn)入展平設(shè)備。根據(jù)不同的竹筒壁厚，需要調(diào)整軟化溫度和軟化時(shí)間。圖4b為通過(guò)該設(shè)備和方法展平后得到的竹板材，竹黃面有明顯的釘眼。在實(shí)際使用前需要根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行一定厚度的刨削，達(dá)到表面光潔的目的，但該過(guò)程降低了原材料利用率。另外，由于受限于竹材有大小頭、尖削度、彎曲度等因素，竹筒長(zhǎng)度在80 cm左右為宜，展平后竹板材幅面有限。這類產(chǎn)品目前主要用作竹砧板的制作。

圖4 橫向展平機(jī)(a)和展平后得到的竹板材(b)

針對(duì)大弧度竹材一次展平過(guò)程中應(yīng)力大、裂縫深、質(zhì)量較差等問(wèn)題，開(kāi)始嘗試使用逐級(jí)加壓展平代替一次展平方法：在連續(xù)加壓的展平機(jī)內(nèi)，竹筒沿圓弧切線方向進(jìn)給的同時(shí)進(jìn)行加壓展平。這種方法能夠滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)所使用的漸變壓輥組的不同，分為有刻痕竹展平和無(wú)刻痕竹展平兩種技術(shù)。

3.1 有刻痕竹展平技術(shù)

林海[53]設(shè)計(jì)了一種竹材縱向展平方法及相應(yīng)設(shè)備，如圖5所示。如圖5a，該設(shè)備根據(jù)其不同部位上下輥輪的形態(tài)不同主要分為展開(kāi)軋輥區(qū)域(區(qū)域1)、壓平區(qū)域(區(qū)域2)以及反曲輥區(qū)域(區(qū)域3)等3個(gè)區(qū)域。首先是展開(kāi)軋輥區(qū)域，該區(qū)域中裝備有刻線展開(kāi)輥，其圓周表面斜向設(shè)置一組相互平行的刻線刀(圖5b)，刻線刀與輥的軸向方向呈25°～40°，相鄰刻線展開(kāi)輥上的刻線刀方向呈交叉設(shè)置。另外，縱向設(shè)置的相鄰兩個(gè)刻線展開(kāi)輥之間的軸向厚度差為2～4 cm。去內(nèi)節(jié)、去青、開(kāi)槽、180 ℃飽和蒸汽軟化后的竹筒沿著導(dǎo)向輥經(jīng)過(guò)展開(kāi)軋輥區(qū)域。隨著竹筒展開(kāi)弧度逐漸加大，該區(qū)域的有刻線展開(kāi)輥圓周兩側(cè)表面仍然設(shè)置相互平行的刻線刀，但中部表面為光滑的結(jié)構(gòu)(圖5c)。圖5d為輥與竹筒之間的相互作用示意圖，隨著輥的軸向?qū)挾鹊脑黾?，竹筒逐漸展開(kāi)，接著竹筒進(jìn)入壓平區(qū)域，該區(qū)域由各壓平托輥圓周面的上表面和壓輥圓周面的下表面構(gòu)成。竹板材經(jīng)過(guò)壓平托輥和對(duì)應(yīng)壓輥的相互擠壓，從而被壓緊壓實(shí)，不僅能保證最終處理后的竹板材平整結(jié)實(shí)，而且大大提高了工作效率。最后，展平后的竹板材進(jìn)入反曲輥區(qū)域，其裝備的輥與前兩個(gè)區(qū)域完全不同(圖5e)，表面光滑，主要是使得展平后的竹板向竹青方向稍微彎曲，強(qiáng)制其進(jìn)一步展平定型。制備得到的竹展平板如圖5f所示，其竹黃面形成菱形線槽，線槽的寬度一般為1.5～2 mm，深度為2～4 mm，相鄰線槽間距為5～8 mm。這些線槽的存在，有利于分散竹筒竹黃面在展平過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。以該方法制備得到的展平板幅面較大，選取的竹筒長(zhǎng)度可達(dá)到2～3 m，產(chǎn)品可適用于竹地板、竹結(jié)構(gòu)材等。該方法同樣存在竹黃面有明顯的刻痕，在實(shí)際使用前，需要根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行一定厚度的刨削，竹材利用率降低等問(wèn)題。同時(shí)，竹黃面的刻痕也在一定程度上影響了竹展平板的力學(xué)性能。

a)縱向展平機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；b、c)兩種不同的有刻線展開(kāi)輥；d)兩種不同的有刻線展開(kāi)輥?zhàn)饔糜诓煌归_(kāi)程度竹筒的示意圖；e)反曲輥實(shí)物圖；f)黃面帶有刻線的竹展平板；g)縱向展平機(jī)實(shí)物圖。

3.2 無(wú)刻痕竹展平技術(shù)

基于已有的竹材展平工藝需要在竹黃面扎眼或刻痕，影響了竹材資源的利用率和材料的強(qiáng)度，此方式適合用于寬幅竹展平板制品加工。經(jīng)過(guò)不斷地探索和改進(jìn)，李延軍等[54]提出弧形竹片高溫高濕軟化無(wú)刻痕展平竹裝飾板生產(chǎn)新技術(shù)，為竹材高效利用提供了一個(gè)新思路。不同于竹筒需要進(jìn)行去節(jié)去青預(yù)處理，弧形竹片展平板生產(chǎn)過(guò)程只包括弧形竹片制備、竹片高溫高濕軟化處理和竹片刨削展平一體化處理，其中竹片去青去黃和去內(nèi)節(jié)處理均在無(wú)刻痕刨削展開(kāi)一體機(jī)上進(jìn)行(圖6)，與竹片展開(kāi)處理同時(shí)進(jìn)行。展平前，竹材首先根據(jù)尖削度、彎曲度和應(yīng)用需求等進(jìn)行截?cái)?，之后在竹段上延纖維方向呈直線至少開(kāi)2個(gè)以上貫通槽，實(shí)現(xiàn)開(kāi)片。開(kāi)片數(shù)量由竹段小頭周長(zhǎng)和所需展平板寬度共同決定。開(kāi)片后得到的弧形竹片同樣需要經(jīng)過(guò)飽和蒸汽進(jìn)行軟化，軟化溫度和時(shí)間主要由選取竹段的離地高度和厚度共同決定。軟化后的弧形竹片需要立即進(jìn)入刨削展平一體機(jī)中進(jìn)行處理，間隔時(shí)間太久，弧形竹片溫度下降太大，會(huì)導(dǎo)致竹片硬度提高而塑性降低，進(jìn)行展平時(shí)就容易發(fā)生開(kāi)裂。如圖6a所示為無(wú)刻痕展平一體機(jī)示意圖，其分整形區(qū)、逐級(jí)展開(kāi)區(qū)以及壓平區(qū)三部分。由于竹材壁薄中空，橫斷面呈不規(guī)則圓形，使得弧形竹片弧度不規(guī)整，因此，需要首先在整形區(qū)將軟化后的弧形竹片碾壓整形，對(duì)竹材的弧度進(jìn)行微調(diào)，將不同弧度的竹材均通過(guò)碾壓整形至預(yù)設(shè)的弧度，使原本形狀不同的竹材修整成統(tǒng)一的形狀。如圖6b為整形區(qū)一開(kāi)始的4個(gè)定型輥實(shí)物圖，從圖中可以看出，這4個(gè)輥成球形，輥表面均勻設(shè)置有分散且呈長(zhǎng)方體形小凸起，用來(lái)釋放整形時(shí)竹黃面產(chǎn)生的應(yīng)力。緊接著，采用多組刨青切削機(jī)構(gòu)(圖6c)和刨黃切削機(jī)構(gòu)(圖6d)去青去黃，除去展平時(shí)易開(kāi)裂的竹黃部位和密度最大的竹青部位利于展平，同時(shí)去除竹片傳統(tǒng)的去青去黃工序，提高了生產(chǎn)效率，便于連續(xù)化生產(chǎn)。刨黃和刨青切削機(jī)構(gòu)交替出現(xiàn)，兩者之間設(shè)有多組弧面整形輥，與之前的4個(gè)輥不同的是，輥表面雖然同樣均勻分布有凸起，但凸起的高度很小，主要是起到進(jìn)一步整形的作用，避免輥上的釘眼傷害到起力學(xué)作用的竹肉(圖6e)。這些凸起一方面可以在經(jīng)過(guò)高溫高濕軟化處理的光滑竹黃面上施加微小的破壞，利于后續(xù)的銑削處理，同時(shí)多組整形輥在碾壓輸送過(guò)程中也將部分竹內(nèi)節(jié)和竹隔進(jìn)行壓潰破壞，去除大部分竹隔，利于后續(xù)銑削加工。接著，竹片被輸送至逐級(jí)展開(kāi)區(qū)，該區(qū)域由多組漸平弧輥組成(圖6f)。如圖6g所示為其中一組上壓輥和下壓輥，上壓輥和下壓輥形成與竹材相適應(yīng)的弧形展開(kāi)間隙，該間隙的弧度逐級(jí)減小。最后，竹材進(jìn)入壓平區(qū)，該區(qū)域包括至少1組壓平輥，壓平輥的上下壓輥之間形成的間隙為平面，主要用于壓平竹材?；⌒沃衿谡归_(kāi)機(jī)構(gòu)中進(jìn)行逐級(jí)展開(kāi)，直至完全壓平。在使用該技術(shù)時(shí)，不需要在竹材上刻槽，無(wú)需導(dǎo)裂線就能展開(kāi)竹片，所需的工序較少，成本較低，展平后的板材長(zhǎng)度可達(dá)到3.0 m以上，可應(yīng)用于竹家具、竹地板、刨切單板、梁柱等的加工制造。該弧形竹片無(wú)裂紋展平生產(chǎn)技術(shù)展開(kāi)時(shí)不容易開(kāi)裂，成品率高，可將傳統(tǒng)竹集成材的竹材資源利用率由30%提高到55%，降低膠黏劑用量30%，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品附加值提高20%以上，對(duì)竹材新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義[54]。目前，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)竹產(chǎn)區(qū)推廣，10余條生產(chǎn)線分布在浙江、江西、福建、湖南等省。

a)一體機(jī)示意圖；b～e)定型輥、刨青、刨黃切削機(jī)構(gòu)和整形輥實(shí)物圖；f、g)分別為漸平弧輥的俯視和側(cè)視實(shí)物圖。

4 竹展平板定型干燥處理

如果干燥方法和參數(shù)把握不當(dāng)，容易引起竹展平板開(kāi)裂等各種缺陷現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)過(guò)飽和蒸汽軟化后展平的竹板材，其含水率可達(dá)50%～80%。展平后的竹板由于其內(nèi)應(yīng)力、生長(zhǎng)應(yīng)力、密度梯度以及吸濕解濕性等會(huì)引起板材一定程度的變形、彎曲等現(xiàn)象，因此需要對(duì)其進(jìn)行定型處理，削除其內(nèi)應(yīng)力，防止竹材在冷卻時(shí)出現(xiàn)反彈彎曲情況[55]。目前，對(duì)于短幅竹筒展平板可以直接堆垛，進(jìn)入隧道窯干燥，而對(duì)于長(zhǎng)幅竹展平板根據(jù)其特征，干燥定型處理的方法主要有以下兩種。

4.1 輥筒冷卻與干燥協(xié)同處理

對(duì)于無(wú)刻痕弧形竹片展平板由于其內(nèi)應(yīng)力沒(méi)有得到完全釋放，容易回彈變形，生產(chǎn)中采用先輥筒冷卻定型，再進(jìn)行板材干燥定型的協(xié)同處理方法。利用輥筒冷卻定型機(jī)將展平后的高溫高濕竹板進(jìn)行快速冷卻定型，提高板材平整度，可以減少后期堆垛時(shí)板材的開(kāi)裂比例。輥筒冷卻定型機(jī)將展平后的竹板首先進(jìn)行冷卻定型處理(圖7a)，再進(jìn)行壓垛干燥處理。輥筒冷卻機(jī)可以裝備連接蓄水槽的水冷、霧化或者冷風(fēng)等降溫裝置，使得竹板材在潤(rùn)濕的條件下溫度逐漸降低，達(dá)到應(yīng)力釋放的效果，之后再進(jìn)行干燥處理。輥筒冷卻過(guò)程中，上下輥筒對(duì)竹材進(jìn)行施壓，導(dǎo)致竹展平板板面比較平整。輥筒冷卻定型適合于較薄的竹展平板，較厚的竹展平板在輥筒冷卻過(guò)程中由于其應(yīng)力較大，在處理過(guò)程中容易開(kāi)裂，在加工時(shí)要保持其較高的溫度下快速進(jìn)行。定型干燥采用壓垛法，定寬后的竹展平板采用黃面對(duì)黃面或青面對(duì)青面的方式進(jìn)行堆垛，并以寬2.5 cm、厚0.5～1.0 cm的竹條或者不銹鋼條作為隔條進(jìn)行堆垛。竹板材干燥時(shí)，干燥窯的溫度一般不能高于70 ℃，防止竹展平板因干燥速度過(guò)快而產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。同時(shí)，定型干燥采用壓垛法，在垛體的上部壓制重物防止板材的翹曲變形；或者采用特殊的加壓設(shè)備，在干燥過(guò)程中間歇地逐漸解除部分壓力，方便竹板材排濕和自由收縮，以加快竹板材的水分蒸發(fā)和防止由于干縮應(yīng)力而產(chǎn)生的橫向開(kāi)裂。干燥時(shí)，以每8～12 h升溫3～5 ℃速度升高窯體溫度，當(dāng)干球溫度在60 ℃、竹板含水率達(dá)到10%左右時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行噴蒸回彈處理。之后，冷卻至常溫下出窯，養(yǎng)生處理。平衡處理后的展平竹板從堆垛內(nèi)取出，進(jìn)行表面砂光或刨光處理，即得到可以用于多層板膠合、竹木復(fù)合等二次加工的無(wú)裂紋展平竹板材系列產(chǎn)品。圖7b為無(wú)刻痕竹展平板實(shí)物照片，與有刻痕竹展平板(圖5f)相比，無(wú)刻痕竹展平板竹黃面沒(méi)有用來(lái)釋放展開(kāi)應(yīng)力的菱形刻痕或者釘眼。

a)輥筒冷卻定型機(jī)；c)無(wú)刻痕竹展平板。

4.2 壓機(jī)冷壓定型、水煮與干燥協(xié)同處理

輥筒冷卻定型機(jī)存在占用場(chǎng)地較大、板材平整度不均勻等缺點(diǎn)，同時(shí)，噴蒸回彈干燥工藝同樣較為耗時(shí)，且能耗較大，使得實(shí)際生產(chǎn)中成本較高。因此，一些企業(yè)嘗試使用壓機(jī)冷壓定型的方法代替輥筒冷卻定型，再使用水煮的方法代替噴蒸回彈，這樣簡(jiǎn)化了冷卻定型和干燥工藝。具體地，將展平后的竹板材直接置于裝備有水冷卻系統(tǒng)的多層壓機(jī)上冷壓處理5～7 min，并在此過(guò)程中通過(guò)水冷卻系統(tǒng)使用循環(huán)水冷卻壓機(jī)的上下壓板，使得竹板材在壓力作用下逐漸冷卻定型。冷壓壓力一般為1～2 MPa，防止壓力過(guò)大使得竹板材壓潰或厚度方向壓縮過(guò)大，影響板材力學(xué)性能和出材率。之后，將展平竹板材從壓機(jī)上卸下，堆垛后置于60～80 ℃水煮1 h，一方面使得竹板材厚度和寬度方向回彈0.3～0.5 mm；另一方面去除高溫高濕處理后竹材中的多糖降解產(chǎn)物，使得竹板顏色均勻，并進(jìn)一步提高展平竹板材的耐候性。最后，將水煮后的展平竹板材堆垛，固定后送入竹材加工企業(yè)常用的隧道窯或者干燥窯進(jìn)行干燥定型處理，干燥溫度控制在35～60 ℃之間，干燥時(shí)間為5～7 d。待竹板材含水率在9%以下時(shí)，從堆垛中取出展平竹板材，進(jìn)行表面砂光或刨光處理，制得無(wú)裂紋竹展平板產(chǎn)品。該技術(shù)適用于有刻痕的長(zhǎng)幅竹展平板的干燥定型處理。

5 展 望

竹材展平技術(shù)是近年來(lái)竹材高效加工和利用的實(shí)用技術(shù)，該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)整竹利用，對(duì)于我國(guó)竹資源向資源節(jié)約和高附加值方向發(fā)展，提升竹產(chǎn)業(yè)科技含量，具有積極的推動(dòng)作用。我國(guó)在涉及竹展平板生產(chǎn)的技術(shù)和設(shè)備兩方面均具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！跋绕浦裢补?jié)隔后浮動(dòng)銑削內(nèi)節(jié)”技術(shù)和相應(yīng)裝備(去內(nèi)節(jié)機(jī))、“浮動(dòng)銑削去除竹青和竹節(jié)”技術(shù)和相應(yīng)裝備(去青機(jī))、竹片“刨削展平一體化”技術(shù)和裝備等新技術(shù)、新裝備的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，大幅提高了竹材加工的自動(dòng)化水平，降低勞動(dòng)生產(chǎn)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，為提高我國(guó)竹加工業(yè)的質(zhì)量和效益，促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)從勞動(dòng)密集型向科技密集型轉(zhuǎn)變提供了有力的科技支撐。同時(shí)，我國(guó)在同類研究中處于國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著我國(guó)生物質(zhì)基建筑材料和竹結(jié)構(gòu)的發(fā)展，竹展平技術(shù)將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段。竹展平板可以加工成展平竹砧板、展平竹地板、展平竹刨切單板、展平竹家具、竹制日用品、梁柱等的相關(guān)產(chǎn)品，這大大拓寬了竹材加工的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了竹材資源利用率和附加值。但竹展平技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中尚有下列問(wèn)題需重視和解決：

1)生產(chǎn)規(guī)范化及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。強(qiáng)化竹展平板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，在實(shí)施好剛頒布的《竹展平板》(LY/T 3204—2020)《展平竹地板》(LY/T 3201—2020)《竹單板》(LY/T 2222—2020)等國(guó)家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，加快展平竹砧板、展平竹集成材、結(jié)構(gòu)材等標(biāo)準(zhǔn)的制定，以期規(guī)范相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量、引導(dǎo)行業(yè)良性健康發(fā)展。

2)能源高效利用、環(huán)境保護(hù)與產(chǎn)業(yè)園建設(shè)。相關(guān)企業(yè)在選址時(shí)需要政府部門進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，建設(shè)竹產(chǎn)業(yè)園區(qū)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)統(tǒng)一、規(guī)范化供汽和污水處理，防治污染、控制成本，同時(shí)，注重將加工后的蒸汽進(jìn)行回收處理和再利用。

3)開(kāi)片、軟化展平以及干燥工藝有待改進(jìn)與熟化。與設(shè)備廠家密切配合，積極吸收木材加工機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，繼續(xù)完善竹展平生產(chǎn)工藝的連續(xù)化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)展平竹產(chǎn)品的高效、大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)。

4)產(chǎn)品市場(chǎng)認(rèn)可度有待進(jìn)一步提升。竹展平技術(shù)正處于產(chǎn)業(yè)化初步階段，需要高校、科研單位、企業(yè)和政府部門密切配合，積極參與諸如中國(guó)進(jìn)出口商品交易會(huì)(廣交會(huì))、中國(guó)(上海)國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)等貿(mào)易博覽會(huì)，展示產(chǎn)品，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)外影響和關(guān)注度，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)認(rèn)可度。