定向重組竹集成材：一種無限接長的新材料

林秋琴 黃宇翔 李興德 朱安明 于文吉

(1 中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091；2 江西安竹科技有限公司 江西 宜豐 336300；3 中國林業科學研究院林業科技信息研究所 北京 100091)

隨著世界林木資源的日益減少，作為我國分布廣泛、具有高度可再生性、可持續性和低能耗性等環境友好特點的速生生物資源——竹材，已經成為當代新的研究熱點[1]。高比強度優勢使竹材日漸成為家具與建筑結構的理想材料[2－3]。但是竹子中空、多節的天然結構為其加工利用增加了難度[4]。為探求竹材的高效利用，國內外已開展了關于重組竹、竹集成材、膠合竹等竹產品的相關研究，其中竹集成材由于其規則的單元形狀和低可變性而受到特別關注[5]。

竹集成材是以定厚、定寬的長竹片(去青去黃)為基本單元，通過施膠、組坯、熱壓等工序而成的型材[6]。竹集成材強度高，可滿足建筑結構對材料物理力學性能的要求，解決現代建筑結構對大跨度竹木材料的需求[7]。指接是竹集成材實現材料大尺度的主要方式，傳統接長是對產品的二次加工，即采用先組坯后接長的生產方式[8－9]。研究表明，指接對竹集成材彈性模量基本無影響，但靜曲強度損失率高達到55%～80%[10－11]。如何在保證強度的前提下實現對材料尺寸規格的靈活控制，成為了一項技術難題。

目前，一種新的竹集成材無限接長制造技術逐漸興起，即先將竹片加工為兩端帶接口的單元，然后再進行接長、組坯、熱壓成目標長度的板材。為與傳統竹集成材進行區別，將該產品命名為“定向重組竹集成材”。本文介紹了該產品的制備工藝、基本物理力學性能與應用范圍，并與傳統竹集成材進行了對比，為竹集成材的發展和應用提供基礎數據。

1 生產工藝

定向重組竹集成材制備工藝(圖1)如下：

原竹橫截→縱向剖分→粗刨→炭化→烘干→養生→精刨→精選→接口加工→涂膠→接長組坯→陳放→熱壓→后續處理。

圖1 定向重組竹集成材生產工藝流程

1.1 原材料準備

毛竹(Phyllostachys heterocycla)，竹齡 4 ～ 6年，材質新鮮，無蟲蛀，無風尾竹，圍徑＞30 cm

1.2 竹單元加工

首先將原竹橫截成一定長度的竹筒，并按竹筒厚度進行分類，竹筒經過數控自動剖分機剖切為類似梯形截面的寬竹條，竹條經過2 次四面刨對其表面進行去青去黃及側面修邊處理，得到橫截面為(17～24)mm×(5 ～10)mm 的粗刨竹條單元。然后將粗刨竹條在一定壓力下進行初炭處理，再烘干至含水率低于8%，養生3 d 以上。然后再進行復炭處理。二次烘干至含水率為10%，養生7 d。將竹條加工成長短不一的竹條，最后通過四面刨進行2 次精刨后得到試驗用炭化竹單元。

1.3 精選

以竹單元的缺陷、顏色、密度等基本性能為標準進行篩選分類。

1.4 接口加工

接口采用專門設計的竹片型接口(圖2)，一次加工成型。加工刀具由4 把刀組成，分別加工接口的4 個面，其中凹槽接口處的刀具由3 個刀片組合同時加工出成型面。

圖2 接口形式

1.5 涂膠

根據產品的最終用途選擇合適的膠黏劑。一般生產集裝箱底板時，采用耐水性較好的酚醛樹脂膠黏劑；在生產家具板時，采用大豆基膠黏劑。通過輥筒涂膠機進行雙面涂膠，涂膠量為100 ～200 g/m2(雙面)。

1.6 接長組坯

通過接口縱向接長，由于單元長短不一，使得接口位置橫向均勻錯開。為抵消天然竹材的應力，防止產品不均勻變形，組坯采用左右對稱原則，即竹黃向內、竹青向外依次排列，左右單元數量與排列結構對稱(圖1)

1.7 熱壓

經施膠組坯陳化后，采用熱進冷出的熱壓方式，側向加壓控制板材寬度，壓力為1.4 MPa，上壓力加熱促進膠層固化，熱壓壓力 0.4 MPa，溫度135 ℃，時間30 min。熱壓過程可通過竹片單元的定向無限接長實現單板的規格可控。

1.8 后處理

經過修補、修邊、刨光、砂光等后續處理工序，加工成定向重組竹集成材板材，板材尺寸規格為10 000 mm(長)×(100 ～700)mm(寬)，板材厚度不定，氣干密度0.64 g/cm3，含水率6.25%。

2 定向重組竹集成材基本性能與應用

2.1 物理性能

目前市場上常見的幾種定向重組竹集成材產品的物理性能見表1。集裝箱底板與家具板的甲醛釋放量均為0.1 mg/m3，均達到 E0級標準。集裝箱底板耐水性相對較好，吸水率和膨脹率都比家具板低，厚度膨脹率兩者相差不大。

表1 定向重組竹集成材物理性能

2.2 力學性能

表2 給出了定向重組竹集成材與常用竹制工程材料的力學性能。與結構用竹產品相比，定向重組竹集成材的比強度和比模量均是最大的，比強度超過無接口型竹集成材的49.1%，約為指接竹集成材的2 倍。

表2 定向重組竹集成材與常用竹制工程材料力學性能比較

2.3 基本特點及應用

1)一次加工成型，材料利用率高。傳統竹集成材的接長需要在壓制成方料之后經過四面刨光、梳齒指接、二次涂膠、二次熱壓等工序才能實現結構的接長，而定向重組竹集成材從單元上解決接長問題，一次成型，提高了原料的利用率，減少了生產工序，可節約生產成本，提高生產率，有利于實現生產線的連續化與自動化。

2)結構均勻，性能優異。區別于傳統多竹片組合成單元后再加工接口，該產品將單根竹片接口進行分散排布，使結構更加均勻，避免了荷載作用下由于接口的局部強度低而導致的整體材料性能的失效。

3)無限接長，滿足大跨度建筑結構材料的需求。通過單元的無限接長，可實現對材料規格與長度的靈活控制，不僅可用作集裝箱底板、室內地板、家具板等，在大跨度的建筑裝飾和結構材料領域也具有很好的推廣和應用前景。

3 小結

竹集成材是實現“竹材變建材”的有效途徑，探索結構合理，性能優異的接長方式一直是該領域的主要技術難點，定向重組竹集成材為解決傳統指接竹集成材局部荷載下的高強度損失率提供了新思路。并且隨著現代建筑結構的大跨度發展，對大尺度的竹木建筑材料也提出了相應的要求。應力分散、無限接長、一次成型等優勢使定向重組技術有望取代傳統指接接長形式成為新的竹材集成方法。

目前該產品主要用作集裝箱底板、室內地板、家具及裝修用板等板材，在建筑結構中的應用還相對較少。關于定向重組竹集成材的研究和應用也還處于發展的初期階段，前人僅僅是對其基本的物理力學性能進行了初步的評價，定向重組竹集成材的未來發展應重點在探索接口的設計與改進，以及熱壓工藝的合理優化。此外，如今的生產線大多還依賴人工完成，實現該產品的自動化與連續化也是亟待解決的關鍵問題。