竹材防開裂研究進展

鄒怡佳，陳玉和，吳再興，陳章敏

（國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州 310012）

隨著木材的緊缺，竹子作為一種天然環保可再生生物質材料，越來越受到人們的關注。竹子的生長速度快、伐木性好和生態功能強等優點，其經濟、生態和社會效益日益突出。但由于竹材的異質結構，不同部位、不同方向收縮性的差異，在使用過程中極易產生開裂，裂紋的產生不僅影響美觀，還會使性能急劇下降。水分、細菌等物質沿著裂紋更容易進入到竹材內部，造成竹材進一步的開裂甚至發生霉變等缺陷，降低竹材的質量，減少使用壽命，造成資源的浪費。雖然經過了很多的研究和實踐，但竹材開裂問題至今沒有得到很好的解決，仍然是困擾廠家及用戶的一個棘手的問題，因此對竹材開裂的研究就顯得尤為重要。

1 竹材開裂的原因

竹材干縮濕脹是由于竹材具有吸濕性，組成竹材細胞壁的物質——纖維素和半纖維素等化學成分結構中有許多自由羥基（-OH），具有很強的吸濕能力。在一定的溫度和濕度條件下，胞壁纖維素、半纖維素等組分中的自由羥基，借助氫鍵力和分子間力吸附空氣中的水分子[1]，當空氣中的水蒸氣壓力小于竹材表面的水蒸氣壓力時，竹材中的水分向空氣中蒸發，在宏觀上表現為竹材干縮，引起竹制品尺寸收縮而產生裂隙、翹曲變形以及開裂。竹材利用分為原竹利用和加工利用，而原竹開裂與竹制品開裂的原因及開裂的方式是不同的。

1.1 原竹開裂的原因

原竹是否容易開裂，跟竹種、竹齡、直徑等有很大關系，作為工藝品用的小徑竹基本上不存在開裂的問題，而徑級較大的竹種如毛竹是存在易開裂的問題，但是毛竹的主要使用方法并不是以圓竹形式利用，制造成板材居多。有研究人員指出，由于不同年齡、不同部位毛竹材微纖絲角差異較小，因此密度是決定竹材力學強度和干縮性的主要因子，所以密度的不均勻帶來干縮率差異，是導致原竹開裂的主要原因[2]。鐘莎，張雙保[3]等指出，原竹的裂紋都是從竹青向竹黃延伸，先產生表面裂紋，逐漸變長變深，達到一定程度后便不易加深。非竹節部位，弦向和徑向干縮率是縱向的3 ～ 4倍；竹節附近含水率較低，密度較高，弦向干縮率較小。開裂程度底部＜中部＜頂部。

1.2 竹制品開裂的原因

影響竹制品開裂的原因很多，和其制造的每個環節息息相關。歸結起來[4]一般存在以下原因：一是竹材干燥工序上，干燥質量差，含水率相差較大或養生周期不夠致使殘留在竹材內部的應力發生作用。二是生產加工工藝存在問題，由于圓鋸機開槽存在應力集中問題，易導致開裂，故可以改進加工工藝，改用銑刀加工成圓弧槽，不存在邊角尖銳部位，則可避免發生應力集中，以期更好的防裂效果。實木復合地板的背溝槽工藝能夠減小地板的內應力，使得地板變形的可能性降低，各相鄰層的紋理互相垂直。該地板的對稱結構保證了其良好的尺寸穩定性，克服了實木地板和竹制地板易翹曲變形的缺點。三是膠粘劑質量或使用有關，脲醛樹脂耐水、耐候性差，酚醛樹脂顏色深、成本高，三聚氰胺樹脂穩定性及韌性較差[5]，都是影響竹制品開裂的重要因素。因此要選擇性能優異的膠黏劑，如耐水性好的膠能減少膠層的吸水性及很好的防止竹制品的吸濕性，膠膜柔韌性越好，越不容易發生開裂，也是防止竹制品開裂的有效措施之一。四是存在結構設計不夠科學，郭曉磊，曹平祥[6]等人在竹木復合地熱地板表板開裂的研究中表明，平壓竹單板較側壓竹單板易發生面層開裂。

2 竹材開裂的控制

為控制重組竹開裂的發生，研究人員做了大量研究，其概括起來主要有以下幾種：一是干燥法，即對木材或竹材進行干燥，減少或基本消除木材或竹材中的殘余應力。二是增容處理法，把憎水性不揮發物質引入細胞的微觀結構中，使其填充細胞壁的微細結構中并固化，以提高木材或竹材的尺寸穩定性；三是涂層法，用防水材料處理木材或竹材的表面，阻滯木材或竹材表面水分的滲透，使其內外部的水分遷移速度趨于一致。

2.1 干燥法

常規干燥是表面水分被蒸發形成內部和表面之間的含水量梯度，依照這一梯度，內部的水分向表面擴散，然后再從表面被蒸發，反復循環，以達到竹材或木材的干燥。干燥質量的好壞直接影響成品使用后開裂的產生，因此常常會進行預凍處理、熱處理、加壓或拉伸處理以及后期調濕處理等，這些方法都能夠在一定程度上減少竹材的皺縮。蒸煮可以消除內部應力，增加竹制品的尺寸穩定性，不容易產生開裂和變形。防止表面裂與蜂窩裂則要控制溫度和濕度，在竹材的干燥過程中對其進行必要的熱濕處理，可以減少或基本消除竹材中的殘余應力。張耀麗[7]在研究中指出，板材經過微波輻射后，薄壁細胞和厚壁細胞壁上紋孔膜破損，紋孔腔這一有效微毛細管通道被打通，擴大了水分的流通通道。木材經過冷凍處理后，細胞腔中的水結冰，使細胞腔直徑增大，同時細胞壁又受到擠壓，破壞了部分紋孔膜，擴大了水分的傳遞途徑。這種處理都會提高干燥速度。微波、冷凍處理后板材的滲透性與對照材相比，均有不同程度的提高，均降低了木材的皺縮深度。李曉玲，小林功等[8]在日本柳杉高頻真空干燥的研究中發現，在干燥前進行常壓的蒸汽或者過熱蒸汽的預處理，板材的開裂及程度大大降低。這一點正是利用了木材具有粘彈性的這一特點，尤其在高溫高濕條件下，木材的粘性要大于低溫情況，因此干燥應力得到了釋放，不足以導致木材開裂。基于此點，在日本高溫處理已成為降低柳杉開裂的一種很實際的方法。張士誠,齊華春等[9]在高溫過熱蒸汽處理對木材結晶性能的影響中表明，經高溫高濕處理后木材的相對結晶度有了一定程度的提高，并且相對結晶度受溫度的影響非常顯著。另外結晶區的強度比非結晶區強，水分也更難進入結晶區，所以相對結晶度越高，板材的性能越好。

2.2 增容處理法——充脹法

用聚乙二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入竹材或木材置換其中的水分，對竹材起有效的膨脹作用，從而使竹材干縮極小，降低開裂。將低分子量的酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂、間苯二酚樹脂等用來浸漬竹材可改變竹材的尺寸穩定性，其中酚醛樹脂的效果最好，浸漬材能夠很好的提高竹材的抗縮率(ASE)，這一點可以通過樹脂固化后制約了竹材的收縮及細胞腔被填充而疏水來解釋。Joseph, D.＆Darrel D.N.＆Tor P.S.[10]用水溶性的樹脂酸來處理木材，可以使木材的尺寸穩定性在室外環境下達 2 a之久沒有明顯變化。Gindl, W[11]認為,水溶性的三聚氰胺甲醛樹脂能很好的分散到木材結構中，聚合物使木材的細胞壁發生改性從而提高木材的性能。理論上[12]，在絕干狀態下，細胞壁上的氣孔是開放的，但是估算出來的氣孔體積最大膨脹可提高38 %。用聚合樹脂改性細胞壁，很顯然樹脂會充脹細胞壁。Mantanis, G I.[13]發現低分子小體積和易于形成氫鍵的樹脂充脹細胞壁的效果較好。許多研究者一致認為，樹脂的分子量影響樹脂向木材細胞壁中的滲透，進而影響木材尺寸穩定性等性能的提高[14-15]。Rowell R M[16]把PF等樹脂處理后木材尺寸穩定性的提高歸因于充脹作用，即樹脂不與細胞壁成分發生交聯，只是本身縮聚為不溶于水的高分子，樹脂固化后制約了木材的收縮及細胞腔被填充而疏水減少了開裂，并指出酚醛樹脂浸漬處理木的抗縮率要高于脲醛樹脂處理木，這是由于脲醛樹脂在水中的溶解度有限所致。低分子量樹脂容易滲入木材的細胞壁，而如果樹脂的分子量過高則只能滲入木材的細胞腔，對木材尺寸穩定性沒有明顯的改善作用[17-19]。

2.3 涂層法

利用涂料、油漆涂刷竹材表面，減少竹材與濕空氣接觸，阻礙水分的滲入，從而使纖維表面包裹起來，可以降低竹材對大氣濕度變化的敏感性，延緩竹材的吸濕速度，減少開裂。沈麗莎,佟超等[20]在硬質木材防裂劑的研制與使用中，參照國內外各種木材防裂劑配方，通過試驗研制出MF-1型木材防裂劑，是涂料法防裂的新劑型，具有成本低、使用方便、易于保存、防裂效果好（木材完好率98%）等特點，解決了硬質材天然干燥過程中的開裂問題。劉彥龍，唐朝發等[21]用異氰酸酯與多元醇作用形成的預聚體型聚氨酯作為防裂涂料。這種涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羥基的作用下發生反應固著在木材表面上形成保護層，抑制端部水分的散發，同時在纖維之間產生牽制作用，有效控制端裂的發生。為防止端裂，可在竹材或木材干燥前用石蠟或油漆或桐油石灰或煤焦油等，涂刷于木材或竹材兩端。

2.4 其它方法

機械抑制法，用鐵質“V、S、C、Z”形釘在原木或鋸材端頭固定或用鐵絲將木材捆扎起來，預先施加外力，起到緊固作用。

方遠進[22]介紹了深度炭化木具有綠色環保防腐防蟲不開裂木材的優點，深度炭化木是經過200℃左右的高溫炭化技術處理的木材，深度炭化木由于其吸水官能團半纖維素被重組，使木材的使用性能有較大的提高，比如吸水性下降，吸濕膨脹性下降，尺寸穩定性提高，這樣炭化木制品幾乎不變形、不開裂、尺寸穩定。

木材的乙酰化改良技術是讓木材與來自于醋酸的乙酸酐進行化學反應，把木材中的羥基自由基改變成乙酰基團，羥基自由基轉化成乙酰基團后，極大地降低了木材的吸水能力，使木材的尺寸穩定性強[23]。

3 結語

目前在家具和建筑方面，竹材市場的占有率還不是很高，而竹材的開裂是個非常棘手的問題，困擾著大多數竹材加工企業。對于防止竹材開裂研究的很多方法，大多數源于防止木材開裂的研究，很多時候需要根據竹材自身的特點進行考慮，防止竹材開裂的研究仍需要各科研人員進行不懈的努力。

在實際生產中，使用最多的是毛竹，針對毛竹制成的板材，尤其是作為采暖地板的表板，開裂問題很容易出現，根據本實驗室氙燈老化試驗表明，現有的竹地板包括重組竹地板都無法避免開裂。而這些開裂，很大一部分是發生在竹材本體，因此，對竹材本體的物理力學性能及微觀構造的細致研究，探討竹材本身開裂的機理是解決這一問題的重要方面。

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