竹材定向刨花板生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

李創(chuàng)業(yè) 魏任重 王立鑫 蔡成偉 陸銅華

(千年舟新材科技集團(tuán)股份有限公司 浙江杭州 310000)

我國(guó)現(xiàn)有竹林面積756.27 萬hm2， 其中毛竹林面積占竹林面積的70%[1]。 豐富的竹材資源為我國(guó)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2-3]。 竹材生長(zhǎng)速度快， 成材周期短， 力學(xué)性能優(yōu)異[4-6]， 且具有較強(qiáng)的固碳能力。 因此， 發(fā)展竹產(chǎn)業(yè)不僅有利于竹資源的開發(fā)利用， 而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和具有重要意義。

竹材定向刨花板與木材定向刨花板的生產(chǎn)工藝類似， 是以經(jīng)過刨片后的竹材制備一定長(zhǎng)度的大片刨花， 再通過干燥、 施膠、 定向鋪裝、 熱壓等工序加工而成[7]。 竹材定向刨花板充分利用竹材優(yōu)良的物理力學(xué)性能， 具有竹種適應(yīng)性強(qiáng)、 原竹利用率高、 物理力學(xué)性能優(yōu)異、 應(yīng)用范圍廣泛、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[8]。 目前， 竹材定向刨花板的研究主要集中在刨片形態(tài)、 膠粘劑種類、 組坯方式等板材制備工藝對(duì)板材性能的影響， 以及其在建筑、 家具、 地板、 包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用及效果。竹材定向刨花板的防腐、 防霉和阻燃等性能也是研究的重要方向。

定向刨花技術(shù)是指利用專用設(shè)備， 將竹刨片按照一定方向進(jìn)行排列， 形成單層或多層結(jié)構(gòu)的板坯。 該技術(shù)充分利用竹刨片縱向強(qiáng)度高的特點(diǎn)，增大了竹刨片之間的接觸面積， 減少了板材內(nèi)部的孔隙， 提高了板材的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性[9-11]。隨著定向刨花技術(shù)的發(fā)展， 目前已經(jīng)出現(xiàn)2 種定向結(jié)構(gòu)人造板: 刨花芯表層縱橫交錯(cuò)排列組坯的竹定向刨花板(OBSB) 和大長(zhǎng)細(xì)比刨片沿板長(zhǎng)方向定向排列組坯的竹定向刨花層積材(OBSL)，二者在建筑、 建材領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[2，12-13]。 然而， 目前在國(guó)內(nèi)竹材定向刨花板的生產(chǎn)與應(yīng)用尚處于起步階段， 相關(guān)技術(shù)和工藝亟待完善， 產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性亟待提高。 本文綜述了竹定向刨花板制備工藝與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，提出了今后的研究重點(diǎn)， 以期為擴(kuò)大竹材應(yīng)用范圍、 提高竹材利用率提供參考。

1 竹材定向刨花板制備工藝

竹材定向刨花板是一種重要的竹質(zhì)復(fù)合材料，其生產(chǎn)流程包括刨片、 干燥、 施膠、 定向鋪裝組坯和熱壓等環(huán)節(jié)。 與木材相比， 竹材刨片的性能存在較大差異， 因此需要進(jìn)行有針對(duì)性的研究，以優(yōu)化竹材定向刨花板的生產(chǎn)流程。

1.1 刨片

刨片是竹材定向刨花板生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能[14]。 對(duì)以3 種規(guī)格的竹刨花[200 mm ×10 mm × 1 mm、 (30～50) mm ×10 mm×1 mm、 細(xì)碎刨花(4 目及以下) ] 為原材料進(jìn)行不同組合制備的竹材定向刨花板研究發(fā)現(xiàn): 尺寸較大的竹刨花因其本身良好的抗彎強(qiáng)度和塑性有效提升了板材強(qiáng)度； 尺寸較小的刨花具有良好的流動(dòng)性， 有效膠合面積大， 制得的OBSB穩(wěn)定性好； 將尺寸較小的刨花作為輔助填充物添加， 能夠改善單一使用大刨花或小刨花時(shí)出現(xiàn)的板材力學(xué)性能較低問題[15]。 竹刨片長(zhǎng)度影響著板材的力學(xué)性能， 板材的靜曲強(qiáng)度會(huì)隨著竹刨片長(zhǎng)度的增加而增加， 長(zhǎng)度為50、 60 和70 mm 竹刨片制備的板材其靜曲強(qiáng)度分別為47.11、 54.62 和55.21 MPa[16]。 刨片的刨花形態(tài)也影響著板材的力學(xué)性， 增加速生楊木刨片的刨花長(zhǎng)度有利于提高板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量， 但會(huì)降低板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度， 增加刨花厚度也會(huì)降低板材的物理力學(xué)性能， 而刨花寬度則對(duì)板材的物理力學(xué)性能影響較小[13]。 劉學(xué)莘[17]研究發(fā)現(xiàn)， 無竹節(jié)竹條的力學(xué)性能優(yōu)于帶竹節(jié)的竹條， 有無竹節(jié)對(duì)抗壓強(qiáng)度、 剪切強(qiáng)度影響不顯著， 但對(duì)抗彎強(qiáng)度、 抗彎彈性模量以及抗拉強(qiáng)度影響顯著。 竹青、 竹黃也影響著竹單板層積材的性能， 去除竹黃的板材性能最好， 其次是去除竹黃竹青的板材， 竹青、竹黃均未去除的板材性能最差[18]。 可見， 竹節(jié)、竹青、 竹黃影響著板材的性能， 但是目前關(guān)于竹節(jié)、 竹青、 竹黃對(duì)竹材定向刨花板性能影響的研究較少。

1.2 干燥

干燥方式影響著毛竹細(xì)胞壁的孔隙結(jié)構(gòu)， 常規(guī)干燥的毛竹細(xì)胞壁孔隙率(3.35%) 明顯低于冷凍干燥 ( 4.89%) 和 CO2超臨界干燥(5.35%)， 表明冷凍干燥和CO2超臨界干燥能較好地保存毛竹細(xì)胞壁的孔隙結(jié)構(gòu)[19]。 Chen 等[20]對(duì)圓竹、 層壓竹材和扁平竹板進(jìn)行干燥發(fā)現(xiàn)， 在干燥過程中竹節(jié)產(chǎn)生的裂縫要比節(jié)間產(chǎn)生的多，其原因是竹節(jié)的切向收縮率較大， 節(jié)上維管束的增厚和偏移導(dǎo)致了更高的纖維含量和物質(zhì)密度，從而導(dǎo)致了更大的收縮率。

盡管對(duì)于竹材干燥的研究已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注， 但是對(duì)于竹刨片干燥機(jī)理的研究相對(duì)較少。竹刨片干燥是竹材定向刨花板制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 深入研究竹刨片的干燥機(jī)理對(duì)于優(yōu)化竹材定向刨花板的生產(chǎn)工藝、 提高竹材利用價(jià)值具有重要意義。

1.3 施膠

施膠量和膠粘劑種類均影響著竹材定向刨花板的力學(xué)性能。 3 種施膠量(4%、 6%、 8%) 下竹材定向刨花板的力學(xué)性能隨著施膠量的增加而增加[21]； 對(duì)比三聚氰胺二甲醛(MF)、 三聚氰胺脲醛酚醛(MUPF)、 酚醛(PF) 和聚二苯甲烷二異氰酸酯(pMDI) 4 種膠粘劑對(duì)竹定向刨花層積材力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)， pMDI 制備的板材物理力學(xué)性能明顯優(yōu)于其他3 種膠粘劑[22]。 王洪艷等[23]研究表明， 氧冷等離子體處理可使竹材膠合強(qiáng)度提高25%～30%。

目前， 對(duì)于竹材刨花板施膠的研究較為廣泛，但為了提高竹材刨花板的力學(xué)性能和環(huán)保性， 需要進(jìn)一步探究適用于竹材的膠粘劑。

1.4 定向鋪裝組坯

研究表明， 表層定向角對(duì)層積材性能的影響較大， 順紋方向上表層定向角越小， 層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量越大； 芯層定向角對(duì)層積材性能的影響較小， 芯層隨機(jī)鋪裝在一定程度上有利于層積材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的提高[13]。 對(duì)稱的表面結(jié)構(gòu)可有效避免局部應(yīng)變集中導(dǎo)致的定向刨花板力學(xué)失效， 從而有助于提高定向刨花板的靜曲強(qiáng)度[24]。

木材定向刨花板鋪裝組坯工藝相對(duì)較為完善，相對(duì)木材而言竹材這方面研究仍有較大差距。 簡(jiǎn)單地依照木材定向刨花板的鋪裝組坯工藝來開發(fā)生產(chǎn)竹材定向刨花板并不能有效地提高其性能表現(xiàn)及滿足生產(chǎn)要求。 因此， 開展竹材定向刨花板竹刨片的鋪裝組坯工藝研究尤為重要和緊迫。

1.5 熱壓

熱壓工藝參數(shù)影響著竹材定向刨花板性能。在酚醛樹脂條件下， 熱壓溫度為160 ℃時(shí)板材性能最好， 溫度過高或過低均會(huì)造成板材性能下降；隨熱壓壓力的增加， 板材力學(xué)性能指標(biāo)明顯提高，板材密度也隨之提高； 當(dāng)熱壓時(shí)間為70 s/mm 時(shí)，試樣的各項(xiàng)性能優(yōu)異， 熱壓時(shí)間過長(zhǎng)或過短， 均導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能下降[21]。

目前， 對(duì)竹材定向刨花板熱壓工藝的研究多集中在熱壓參數(shù)對(duì)板材性能的影響方面， 關(guān)于縮短熱壓時(shí)間以提高產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)效率的研究較少。

1.6 竹材定向刨花板制備工藝的發(fā)展趨勢(shì)

竹材定向刨花板的生產(chǎn)制備正朝著自動(dòng)化和智能化方向邁進(jìn)， 但距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化仍然有很長(zhǎng)的一段路。 目前， 國(guó)內(nèi)僅云南有一家竹材加工企業(yè)具有竹定向刨花板生產(chǎn)線， 并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，難以滿足市場(chǎng)需求。 竹材定向刨花板的自動(dòng)化生產(chǎn)受多方面影響， 竹材的前道加工環(huán)節(jié)對(duì)于定向刨花板的產(chǎn)量具有明顯影響。 與木材定向刨花板不同， 竹材壁薄中空、 直徑較小、 尖削度大、 結(jié)構(gòu)不均勻， 竹材刨片無法進(jìn)行大規(guī)模批量加工。因此， 需要不斷開發(fā)和優(yōu)化竹材前道加工環(huán)節(jié)的自動(dòng)化加工設(shè)備， 包括去除竹青和竹黃的設(shè)備、截?cái)嘣O(shè)備、 刨片設(shè)備、 干燥設(shè)備等。 例如， 可以通過精確調(diào)控竹材刨片設(shè)備， 以滿足刨片尺寸形態(tài)和產(chǎn)量的要求； 或者利用竹材維管束排列規(guī)整的特點(diǎn)， 開發(fā)竹刨片自然干燥設(shè)備， 并提取竹材干燥氣體中的有益成分(如竹醋液等)， 這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排， 又能夠達(dá)到降本增效的目的。

膠粘劑是竹材定向刨花板的重要原料之一。為解決竹材在粘結(jié)性能、 防霉和防腐性方面存在的問題， 需要持續(xù)開發(fā)適用于竹材性質(zhì)的膠粘劑，同時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)無甲醛添加的膠粘劑， 生產(chǎn)ENF 級(jí)(甲醛釋放量≤0.025 mg/m3) 竹材定向刨花板， 滿足人們對(duì)綠色健康生活的要求。 高密度、 高強(qiáng)度的竹材定向刨花板可以應(yīng)用于建筑建材等高附加值領(lǐng)域。 然而， 在卸壓過程中， 高密度、 高強(qiáng)度的竹材定向刨花板容易出現(xiàn)鼓包、爆板等問題。 因此， 需要開發(fā)相應(yīng)的熱壓設(shè)備，并研究有效的熱壓工藝， 以提高板材的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2 竹材定向刨花板應(yīng)用

2.1 家具領(lǐng)域

竹材定向刨花板因其優(yōu)良的物理力學(xué)性能，已經(jīng)在家具領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。 除了傳統(tǒng)的板式家具連接方式外， 針對(duì)竹材定向刨花板的優(yōu)良性能， 也已經(jīng)開發(fā)出了一些適用于它的新型連接結(jié)構(gòu)。 朱珍珍等[25]采用插接式和連接件作為家具連接方式， 設(shè)計(jì)了可拆卸竹材定向刨花板家具。張婷婷等[26]使用竹材定向刨花板設(shè)計(jì)了可多功能組合、 可組裝拆卸重復(fù)使用的陳列家具， 滿足了陳列道具的結(jié)構(gòu)多樣性和尺寸可調(diào)節(jié)性的需求。張倩[27]總結(jié)了定向刨花板的外觀屬性、 力學(xué)性能、 加工屬性等， 研究了其在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用形式和應(yīng)用方法， 并以定向刨花板為原材料設(shè)計(jì)了柜類、 凳類和臥房系列家具。

竹材定向刨花板的強(qiáng)度高、 耐用、 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)使其在家具制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[27]。 隨著定向刨花板在家具領(lǐng)域的不斷推廣應(yīng)用， 竹材定向刨花板將朝著環(huán)?？沙掷m(xù)、 輕質(zhì)高強(qiáng)、 多樣化設(shè)計(jì)和與其他材料結(jié)合等方向發(fā)展。

2.2 建筑領(lǐng)域

盡管竹材已被廣泛應(yīng)用于工程材料領(lǐng)域， 包括重組竹、 竹集成材等， 但有關(guān)竹材定向刨花板在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍相對(duì)較少。 孫玉慧[28]以竹定向刨花板為原材料設(shè)計(jì)制備了竹質(zhì)工字梁和型材柱， 并研究了其性能， 認(rèn)為竹定向刨花板在建筑材料方面具有較大的應(yīng)用潛力。

隨著建筑行業(yè)對(duì)材料強(qiáng)度、 耐久性等要求的不斷提高， 如何提高竹材定向刨花板的性能以滿足這些要求顯得尤為重要。 因此， 逐步完善并提升竹材定向刨花板的性能， 對(duì)于建筑建材領(lǐng)域具有重要意義。

2.3 竹材定向刨花板應(yīng)用前景

竹材定向刨花板的物理力學(xué)性能表現(xiàn)出色，具備在產(chǎn)品包裝、 家具建材以及裝配式建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的巨大潛力。 其板材性能參數(shù)、 規(guī)格尺寸、 板材功能性以及成板利用方式等均可調(diào)整，能夠使其滿足不同的應(yīng)用需求。

隨著定向刨花板連續(xù)化生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度不斷提高， 大幅面竹材定向刨花板可被廣泛用作包裝板。 該板材具有生產(chǎn)簡(jiǎn)單、 制箱費(fèi)用低、 板材強(qiáng)度高以及良好的耐水性等優(yōu)點(diǎn)。 與木材定向刨花板相似， 竹材定向刨花板可通過細(xì)表面處理后壓貼裝飾紙來制備飾面板， 或直接對(duì)板材表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的涂飾處理。 竹材定向刨花板的板材表面紋理自然粗獷， 具備獨(dú)特的裝飾效果， 適用于家具、 建材領(lǐng)域。 近年來， 我國(guó)大力推廣裝配式建筑， 并通過相關(guān)利好政策大力扶持行業(yè)發(fā)展。然而， 國(guó)內(nèi)的裝配式建筑研究主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)方面， 對(duì)竹木結(jié)構(gòu)裝配式建筑的研究相對(duì)較少。 竹子具有較好的固碳能力， 因此開發(fā)以竹材定向刨花板為原材料的預(yù)制裝配式建筑， 能夠有效降低能源消耗和環(huán)境污染[29]。

3 結(jié)論與展望

竹材定向刨花板具有優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性， 在建筑、 家具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前， 竹材定向刨花板在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，還需要進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)和工藝， 提高產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性。 同時(shí)， 竹材定向刨花板的市場(chǎng)需求不斷增加， 還需要加強(qiáng)與市場(chǎng)的聯(lián)系， 不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域， 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 未來， 隨著人們對(duì)健康環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求不斷提高， 竹材定向刨花板將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣， 成為建筑和家具領(lǐng)域的主流產(chǎn)品之一。 滿足未來需求，竹材定向刨花板應(yīng)重點(diǎn)開展以下研究。

1) 提高竹材定向刨花板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 目前， 竹材定向刨花板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性還有一定的提升空間， 高強(qiáng)度竹材定向刨花板的相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)其自上而下的性能調(diào)控， 不同性能的竹材定向刨花板能夠滿足其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。 應(yīng)探索新的加工工藝和技術(shù)， 使竹材定向刨花板能夠更好地滿足各領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

2) 加強(qiáng)竹材定向刨花板在室內(nèi)裝飾領(lǐng)域的應(yīng)用研究。 隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境和健康的要求越來越高， 竹材定向刨花板將會(huì)成為健康環(huán)保的室內(nèi)裝飾材料。 應(yīng)不斷探索竹材定向刨花板的表面處理技術(shù)， 使其具有更好的防水、 防潮、 防火等性能。

3) 探索竹材定向刨花板在外墻保溫材料、 屋頂材料、 建筑材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。 竹材定向刨花板具有很好的保溫、 隔熱和力學(xué)性能， 應(yīng)不斷探索竹材定向刨花板在外墻保溫材料、 屋頂材料、結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用， 為建筑行業(yè)提供更加環(huán)保、 高效的建筑材料。

4) 實(shí)現(xiàn)竹材定向刨花板的智能化生產(chǎn)。 竹材加工是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)， 從砍伐運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)加工都需要較多的人工參與， 因此， 提高竹材定向刨花板的生產(chǎn)質(zhì)量和效率離不開竹材自動(dòng)化、 智能化處理設(shè)備的研究。 未來的研究應(yīng)集中在竹材自動(dòng)化砍伐運(yùn)輸設(shè)備、 竹材加工自動(dòng)化設(shè)備、 竹材定向刨花板連續(xù)智能化生產(chǎn)線等方面， 以點(diǎn)帶面推動(dòng)整個(gè)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展。