飽和蒸汽熱處理竹束制造竹重組材的生產(chǎn)技術(shù)?

李延軍 王兆順 韓 欣 婁志超 張愛文 劉 杰

（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. 福建雙羿竹木發(fā)展有限公司，福建 建甌353100；3. 福建華宇集團(tuán)有限公司，福建 建甌 353100）

我國(guó)竹材資源豐富，其種植面積、種類和產(chǎn)量均居世界首位[1-2]。因此，充分開發(fā)利用竹材資源，發(fā)揮“竹木互補(bǔ)”的作用，成為緩解木材供需矛盾的重要途徑[3]。以縱向不斷裂、松散而交錯(cuò)相連的竹束為基本單元的竹重組材，由于其優(yōu)良的物理力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于裝飾裝修、包裝、家具及地板等領(lǐng)域，是近十年來(lái)發(fā)展興起的一種新型竹基纖維復(fù)合材料[4-5]。

然而，相對(duì)于木材，竹材中含有較多的淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在溫暖潮濕的環(huán)境中很容易發(fā)生腐朽、霉變和蟲蛀。同時(shí)，竹材內(nèi)半纖維素在其化學(xué)成分中占有很大比例，因半纖維素的易吸濕性，導(dǎo)致竹材及其產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性較差[6-7]。近些年，竹業(yè)界常采用高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)制造高性能竹重組材[8-9]。目前，高溫?zé)崽幚砉に囍饕譃楦G式常壓蒸汽和罐式壓力式飽和蒸汽處理兩種[10]。常壓熱處理多采用熱處理窯等設(shè)備，雖然容量大，但熱處理過程中氣味大，處理后的竹材含水率接近絕干，需要進(jìn)行調(diào)濕處理，處理周期長(zhǎng)，熱能消耗多。而罐式壓力式熱處理過程中，蒸汽被密閉在壓力罐內(nèi)，接近飽和狀態(tài)，竹材內(nèi)水分散失減少，節(jié)省了調(diào)濕處理環(huán)節(jié)，能耗低，且加工質(zhì)量和效率提高，成本降低[11-12]。

針對(duì)高溫飽和蒸汽熱改性竹束技術(shù)鮮有報(bào)道，本文在前期研究基礎(chǔ)上，提出了飽和蒸汽熱處理竹束制造竹重組材的生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)出高性能竹重組材產(chǎn)品，并授權(quán)了相關(guān)發(fā)明專利，以期為竹材加工企業(yè)提供技術(shù)支持[13-15]。

1 材料

5～6 年生新鮮毛竹（Phyllostachys edulis），初始含水率為60%～80%，壁厚為8～12 mm，產(chǎn)地，福建省。

水溶性酚醛樹脂膠，DZT-5 型號(hào)，固體含量52%，太爾膠粘劑（廣東）有限公司。

2 設(shè)備

主要設(shè)備如下：多功能疏解機(jī)，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所；隧道窯（192M型）、飽和蒸汽壓力罐（12R3426-2 型），福建京明晟竹業(yè)有限公司；干燥窯（SC101-9 型），嘉興市新塍鎮(zhèn)東興電熱儀器廠；熱壓機(jī)（3000T型號(hào)），浙江山脈液壓機(jī)有限公司等。

3 生產(chǎn)工藝

飽和蒸汽熱處理竹束制造竹重組材的生產(chǎn)工藝主要由原料制備、飽和蒸汽熱處理、浸膠干燥、熱壓成型、后續(xù)處理等工序組成，具體工藝流程如下：毛竹截?cái)唷裢病デ嗳S→剖分→竹片→碾壓疏解→竹束干燥→飽和蒸汽熱處理→浸膠→二次干燥→平衡含水率→組坯熱壓→養(yǎng)生→成型加工→油漆→產(chǎn)品檢測(cè)→包裝→入庫(kù)。

3.1 原料制備

3.1.1 毛竹剖分

先剔除毛竹缺陷，然后將新鮮毛竹截?cái)喑砷L(zhǎng)度為2 000 mm的竹筒，去除3 mm厚的竹青層再進(jìn)行剖分，每根竹筒剖分成相應(yīng)數(shù)量寬度為25～35 mm的竹片。

研究表明，相比于不去竹青，去青重組竹板材的靜曲強(qiáng)度較高，吸水厚度膨脹率和吸水率較低[16]。鄧健超等[17]研究了不同的竹束去青程度對(duì)竹單板層積材力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：去青程度越高，竹單板層積材的尺寸穩(wěn)定性越高，力學(xué)強(qiáng)度較好。因此，在剖分前通常對(duì)竹筒進(jìn)行去青處理，去除的薄竹篾常用作生產(chǎn)其他竹產(chǎn)品，如竹涼席、香芯等。

3.1.2 碾壓疏解

將剖分所得的竹片以順紋方向送入多功能疏解機(jī)。在疏解過程中，疏解齒在竹片縱向產(chǎn)生切削作用力，由于竹材具有縱向劈裂性能較好的特點(diǎn)，從而在竹片的縱向形成線段狀的裂紋。同時(shí)，在徑向產(chǎn)生擠壓作用力，使竹片在徑向展平和伸展，經(jīng)過若干個(gè)疏解輥的疏解，最終將竹片分成纖維橫向不斷裂、縱向疏散且相互粘連的網(wǎng)絡(luò)狀精細(xì)疏解竹束。疏解的竹束需細(xì)化均勻，以保證浸膠充分[18-19]。疏解后竹束的具體規(guī)格如圖1 所示。

圖1 竹束規(guī)格圖Fig.1 Bamboo bundle specification

3.2 竹束干燥

將疏解所得的竹束放入60～70 ℃的隧道干燥窯內(nèi)干燥，竹束在隧道小車上按層均勻鋪開，層層相隔，烘干12 h以上，使竹束含水率達(dá)到15%左右。

3.3 飽和蒸汽熱處理

將竹束層均勻鋪裝放入飽和蒸汽壓力罐（圖2）。碳化處理工藝主要分為120～140 ℃（淺碳處理）、150～170 ℃（中碳處理）和180～200 ℃（深碳處理）三種。竹重組材對(duì)應(yīng)顏色由淺黃色逐漸變暗，呈現(xiàn)深紅褐色，隨著碳化溫度的增加，顏色變暗變深，向深咖啡色轉(zhuǎn)變[20]，如圖3 所示。飽和蒸汽熱處理的具體工藝參數(shù)如飽和蒸汽壓力、處理時(shí)間等主要根據(jù)工廠產(chǎn)品的實(shí)際需要設(shè)定，例如，對(duì)于生產(chǎn)深咖啡色板材的竹束可在6.18 MPa飽和蒸汽壓力、160 ℃條件下處理120 min。飽和蒸汽壓力與蒸汽溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)壓力罐保溫階段結(jié)束后，停止蒸汽處理，逐漸釋放壓力罐內(nèi)的蒸汽，降至常壓后打開壓力罐罐蓋，將碳化處理后的竹束取出。

圖2 飽和蒸汽壓力罐Fig.2 Saturated steam pressure tank

圖3 3 種碳化處理后竹重組材顏色變化圖Fig.3 Color changes of three carbonized bamboo scrimber

表1 飽和蒸汽溫度壓力對(duì)照表Tab.1 Comparision table of temperature and pressure of saturated steam

3.4 浸膠

浸膠前，在自然環(huán)境下，將飽和蒸汽熱處理后的竹束堆放整齊，養(yǎng)生一周，以使竹束含水率均勻，確保浸膠均勻。膠黏劑一般選用水溶性酚醛樹脂膠，本試驗(yàn)采用的水溶性酚醛樹脂膠是一種特制膠黏劑，黏度小、易滲透，且分子量分布范圍及流變性能、耐水性能等較優(yōu)[21]。將飽和蒸汽熱處理后的竹束完全浸漬在稀釋的酚醛樹脂中（固體含量為25%左右），浸漬時(shí)間控制在20 min左右，浸膠量一般控制在15%～20%。浸好膠的竹束用行車將其吊出膠池，堆放在膠池邊的瀝膠槽上瀝去多余的膠液，待用。

3.5 二次干燥

將瀝好膠的竹束置于常規(guī)干燥窯或干燥機(jī)中干燥。干燥溫度控制在70℃以下，以防止酚醛樹脂膠黏劑固化，干燥時(shí)竹束要平行鋪層，鋪放均勻，確保竹束干燥至含水率在10%左右。

3.6 平衡含水率

竹束未進(jìn)行含水率平衡直接組坯熱壓，部分竹束可能會(huì)因含水率過高，在熱壓成型時(shí)出現(xiàn)局部爆板、表裂等問題[22-23]。因此，在平衡窯中對(duì)干燥后的浸膠竹束進(jìn)行含水率平衡，確保多數(shù)竹束的含水率在8%～12%。

3.7 竹重組材制備

3.7.1 組坯熱壓

目前，竹重組材生產(chǎn)主要采用熱壓法。為了解決熱壓過程中板坯在人工鋪裝中出現(xiàn)鋪裝不均勻，導(dǎo)致板材密度差異較大的現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中可以在鋪裝線上墊板的兩端安裝稱量裝置，一旦發(fā)現(xiàn)問題可隨時(shí)對(duì)竹束量進(jìn)行調(diào)整，以降低板坯密度的差異。

竹重組板材一般規(guī)格為1 930 mm × 1 300 mm ×20 mm，在鋪裝前要根據(jù)板的密度進(jìn)行竹束稱量。例如：按照設(shè)定的密度1.1 g/cm3稱取干燥后的竹束75 kg，將其按順纖維方向均勻鋪裝在帶有側(cè)向擋板的墊板上，竹束鋪裝縫隙用竹束小條填充，并以正對(duì)熱壓機(jī)入口一端對(duì)齊竹束，然后噴灑少量水霧，有利于快速提高竹束成型固化過程中的溫度，軟化竹束，增加其塑性，降低壓力。當(dāng)熱壓機(jī)壓板的溫度達(dá)到135～140 ℃時(shí)，送料機(jī)將竹束連同墊板一起送入熱壓機(jī)中，壓機(jī)閉合，單位壓力為7～8 MPa。當(dāng)熱壓板接觸到墊板的厚度規(guī)時(shí)，保壓24 min，然后通入冷水，使壓板溫度降至55～60 ℃后卸壓。保壓時(shí)間按1.2 min/mm板坯厚計(jì)，一般厚20 mm板材，保壓時(shí)間為24 min；30 mm板材，保壓時(shí)間為36 min。因竹重組材的密度較高，為確保表面平整，故采用冷進(jìn)冷出或熱進(jìn)冷出的熱壓工藝。熱壓竹重組材產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力較小，在同等密度情況下產(chǎn)品力學(xué)性能較好，尺寸較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生跳絲和開裂，含水率分布也比較均勻[24-28]。

3.7.2 養(yǎng)生

在自然環(huán)境下，將熱壓后的板材進(jìn)行堆垛，并在垛頂上方壓上重物，使板坯繼續(xù)固化，緩慢冷卻，釋放應(yīng)力，養(yǎng)生1 周后板坯含水率達(dá)到10%～15%。然后將板坯按所需規(guī)格進(jìn)行鋸剖，獲得所需的規(guī)格坯料，再送入平衡窯中，平衡含水率1 周。

3.7.3 成型加工

用砂光機(jī)、開榫機(jī)等將坯料進(jìn)行開榫、砂光處理，制成制品。

3.8 油漆

重組竹地板、墻板等制品在銷售前大部分需要進(jìn)行油漆或涂油處理。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品使用的實(shí)際環(huán)境要求選擇合適的油漆和戶外耐候油，油漆中通?？筛鶕?jù)需要添加紫外線吸收劑、防霉劑等助劑。最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和包裝。

3.9 產(chǎn)品檢測(cè)

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 30634—2013《重組竹地板》對(duì)竹重組板材進(jìn)行檢測(cè)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以1條年產(chǎn)15萬(wàn)m2（3 000 m3）生產(chǎn)規(guī)模的飽和蒸汽熱處理竹束制造竹重組材生產(chǎn)線，產(chǎn)品規(guī)格1 860（2 000、2 440、2 500） mm × 135 （140） mm × 20 （18、30） mm，售價(jià)180元/ m2進(jìn)行估算，該生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)銷售額2 700萬(wàn)元，除去生產(chǎn)成本2 400萬(wàn)元（生產(chǎn)成本約160 元/ m2），可獲得利潤(rùn)300萬(wàn)元。

5 結(jié)論

本文將高溫飽和蒸汽熱處理竹束工藝與傳統(tǒng)的重組竹組坯、熱壓技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一種新型高性能竹重組材制備工藝體系。通過飽和蒸汽壓力式竹束熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了竹束單元材料高效、節(jié)能、無(wú)污染的熱改性處理。采用本文所述工藝得到的竹重組材無(wú)裂紋、鼓泡、跳絲、縫隙等外觀缺陷，可廣泛應(yīng)用于室外地板、室外家具（桌、椅等）、室外建筑及景觀、公園設(shè)施以及蒸汽浴室內(nèi)部設(shè)施等。