縱向無刻痕一體化竹展平技術解析?

張秀標 劉煥榮 張方達 姜應軍 費本華

（1.國際竹藤中心，國家林業和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室，北京 100102； 2.龍竹科技集團股份有限公司，福建 南平 354200）

竹展平板是竹筒或弧形竹片經軟化、展開、定型而成的片狀材料[1]，是圓竹高效加工利用的一種新形式。竹展平板保留了竹材天然的紋理和竹節結構，在砧板和地板等領域有著廣泛應用。竹展平技術的關鍵在于克服竹材自身中空、壁薄、具有尖削度，且內、外周長不一致的結構特性，通過高溫高濕軟化及機械外力的作用使其轉變為矩形截面的平整板材。

我國竹展平技術和裝置的研發始于20 世紀80 年代，經歷了簡單熱壓板機械展平[2-4]、損傷（扎眼和刻線槽）展平[5-17]、縱向無刻痕一體化展平[18-20]等三代技術的發展。目前，工業化應用較多的是點損傷（扎眼）和線損傷（刻線槽）竹展平技術。這類竹展平技術通過帶有突起或刺棱的機械輥對剛軟化出爐的竹筒或弧形竹片的竹黃面進行扎眼或刻線槽，以達到釋放竹材內部生長應力，縮小竹材內外壁周長差的目的，再借助機械外力作用將其展開。與熱壓板直接壓平技術相比，點損傷和線損傷竹展平技術采用橫向或縱向竹展平設備對竹筒或弧形竹片進行展平，取代絕大部分手工操作，竹展平機械化程度和生產效率有了較大提升，竹展平成功率和竹展平板質量顯著提高，并實現了整竹展平。然而，扎眼或刻線槽會在竹黃面形成加工缺陷，導致板材表觀質量差，還會降低竹展平板的物理力學性能[21-23]，進而對其膠合性能產生一定的影響[24]。為了滿足加工需求，去除部分扎眼或刻線槽的痕跡會進一步降低板材的出材率。此外，在竹材預處理階段的去竹青、去竹黃和去內、外節等各工序分開進行，勞動力密集，勞動強度大，生產成本較高，生產效率偏低。因此，開發一種優質高效的竹展平技術勢在必行。

基于扎眼和刻線槽等有損傷竹展平技術，國內研發了縱向無刻痕一體化竹展平技術。該技術通過對竹筒進行科學定段，壁厚、徑級分級，鋸切剖分，等弧定厚微整形，一體化展平、定型以及分段式干燥和噴蒸等多個工序的集成創新，實現了竹材縱向無刻痕一體化快速展平，獲得了高性能、高出材率的竹展平板。本文重點解析該技術及其創新性，并結合該技術的實際應用情況，提出該技術今后改進和完善的重點研究內容。

1 縱向無刻痕一體化竹展平技術流程

縱向無刻痕一體化竹展平主要分為三個階段：圓竹的預處理、展平和后處理。其中，圓竹預處理主要包括竹稈定段，壁厚和徑級分選，竹段鋸切剖分和軟化等工序；展平階段主要包括去內、外節，定弧定厚微整形，逐級擴弧展平，二次展平和冷卻定型；后期處理主要包括堆垛，干燥，銑邊，精刨，陳放等工序，最終形成具有一定規格和尺寸的竹展平板。其中，竹稈定段，分級，鋸切剖分，分段軟化，無刻痕一體化展平和多段干燥是該展平技術的重要技術創新。其工藝流程如圖1 所示。

2 縱向無刻痕一體化竹展平關鍵技術

2.1 竹稈定段、分級與剖分

2.1.1 竹稈合理定段

竹稈定段是基于竹材在高度方向上具有一定尖削度，且其直徑、節間長度和壁厚呈梯度變化[25]。以胸徑為10.0 cm的竹稈為例，在0.0 m（根部）至11.0 m（近梢部）范圍內，尖削度呈明顯下降趨勢，即從2.8降至1.2；在0.0～0.9 m段內，其直徑從14.0 cm急速下降至10.0 cm，而在高度為11.0 m處，其直徑僅有4.3 cm；而節間長度的變化趨勢則與直徑和尖削度相反，靠近根部的節間長度由下至上快速增大，在0.0～0.9 m段內其節間長度從8.0 cm增至16.0 cm，1.0 m以上則緩慢增加，到竹材梢部后呈下降趨勢；在0.0～0.9 m段內其壁厚從1.4 cm下降至1.1 cm，1.0 m以上緩慢下降，在高度為11.0 m處僅有4 mm。

為了科學合理地使用竹材，需根據目標產品尺寸要求將一定長度的竹稈鋸成不同長度的竹段，竹稈定段方法如表1 所示。

表1 竹稈定段方法Tab.1 The segmentation method of bamboo culm

竹稈定段的具體做法是將竹稈分為根部、中部和梢部等三個部分，自竹稈根部向上依次截取一定長度的竹段，分別標記為第一段，第二段，第三段等，以此類推。竹段常規長度為1.05 m。當竹段大頭直徑≤6.0 cm時，則截取2.05 m竹段，可用于制備長2.05 m、厚度為4～5 mm的竹展平板。

2.1.2 竹材壁厚分級

竹材壁厚沿生長高度方向呈梯度減小趨勢。據此，通過人工或分級設備將竹段分成不同厚度等級；在后續工序中，可根據壁厚等級調整圓竹或弧形竹片的軟化溫度和時間，從而提高軟化質量，減少展平過程中開裂，同時還可以有效控制炭化溫度，保證板材色澤的均勻性。圓竹壁厚分級方法及所對應的板材厚度如表2 所示。

表2 圓竹壁厚分級及相應竹展平板厚度Tab. 2 Grading of bamboo wall thickness and corresponding thickness of bamboo flattened sheet

2.1.3 圓竹定寬剖分

圓竹剖分采用鋸切剖分的方式，即采用多片圓盤鋸片對一組相同徑級的竹筒（通常4～6根）進行同步剖分，剖分方法如圖2所示。圓竹筒通常被鋸切成3～5片寬度相同或部分寬度不相同的弧形竹片。采用該方法使竹筒的鋸切剖分更加精準和高效，所得弧形竹片側邊平整，可有效減少展平后板材的刨切量，提高竹材綜合出材率。而傳統撞竹剖分方式得到的弧形竹片側面不規則，且竹片寬度不均一，在后續的展平和裁邊過程中需要去除多余不規則部分，降低了板材出材率，兩種方法獲得的弧形竹片如圖3所示。

同一圓竹段有多種剖分方式，需要結合目標產品的寬度進行選擇。以直徑為120 mm的竹段為例，其理論周長為376.8 mm（假定截面為標準圓），去除鋸路約8 mm后，可有如下幾種剖分方案供選擇：1）4 片9 cm寬弧形竹片；2）3 片8 cm寬弧形竹片，1 片10 cm寬弧形竹片；3）4 片7 cm寬弧形竹片，1 片8 cm寬弧形竹片。

通過圓竹定段，壁厚分級及鋸切剖分等關鍵技術的實施，有效減少了竹材尖削度及自身尺寸對加工利用的不利影響，避免了不必要的刨切和裁邊，與傳統竹展平工藝相比，竹展平板出材率提高至55%～65%[23]。

圖2 圓竹剖分示意圖Fig.2 Schematics of bamboo culm splitting

圖3 撞竹剖分和鋸切剖分弧形竹片側邊對比圖Fig.3 The comparison of two bamboo splits prepared by impacting and sawing respectively

2.2 分段式軟化工藝

水分和溫度是影響竹材軟化效果的兩個重要因素，可通過提高含水率和溫度來降低竹材的玻璃態轉化溫度，進而降低竹材的彈性模量[21-22]。縱向無刻痕一體化竹展平技術以高溫飽和蒸汽為介質，采用分段軟化法對竹材進行軟化，可以有效避免因蒸汽壓力較大導致竹材水分散失過快，造成竹片軟化不均勻。通常第一階段軟化壓力和溫度分別為0.5 MPa和140 ℃，第二階段軟化壓力和溫度分別為1.1 MPa和180 ℃。此外，不同竹壁厚度的弧形竹片其軟化時間也不盡相同，具體工藝參數如表3 所示。

表3 不同壁厚弧形竹片軟化工藝參數Tab. 3 Softening process parameters of bamboo splits with different wall thickness

2.3 一體化展平工藝

縱向無刻痕一體化竹展平主要包括三大部分：輥壓去內節、定弧定厚微整形和展開及二次壓平[18-20]。第一部分輥壓去內節，軟化后的弧形竹片（竹黃面朝上，圖4a）由多組球形壓輥傳動進料。球形壓輥的下壓輥為啞鈴型，表面光滑，而上壓輥為橢球型，表面帶有突出的定位針（針狀突起），上下壓輥之間形成球面半徑相同的間隙。弧形竹片的內節在球形壓輥的連續作用下被壓潰并脫落，初步去除內節；第二部分定弧定厚微整形，去除內節的弧形竹片在表面光滑的球形輥傳送過程中，通過上、下相鄰的多組弧形刨刀（圖4b），實現下表面去竹青（外刨刀）、上表面去竹黃（內刨刀）。上下相鄰的內刨刀和外刨刀之間形成弧面半徑相同的間隙，可保證加工后的弧形竹片兩端厚度和弧面半徑相同，即定弧定厚（圖4c）；第三部分展平，定厚定弧的弧形竹片在依次通過幾組由球形壓輥逐漸變成圓柱壓輥的傳動裝置時從中間向兩邊被逐漸展平（圖4d）。由于竹材生長應力尚未完全消除，剛展開的竹片會有小弧度的彎曲回彈，此時采用連續輥壓的方法將其二次壓平并冷卻定型，具體做法是將展平后彎曲回彈的弧形竹片（竹青面或竹黃面向上，圖4e）送入一臺由多組圓柱形輥輪構成的連續長冷壓輥壓機，在連續壓輥的作用下對其進行二次壓平并冷卻定型，最終形成較為平整的竹展平板（圖4f）。

圖4 弧形竹片縱向無刻痕一體化展平流程圖Fig.4 Procedure process of integrated bamboo flattening technology

縱向無刻痕竹展平技術在一臺設備上實現了竹片去內節、去竹青、去竹黃，定弧定厚微整形，擴弧、展平等，與傳統展平技術相比，勞動力減少，勞動強度降低，生產過程更安全。據生產企業測算，新技術使勞動力成本下降5%～10 %，材料的出材率提高10%～15%左右。

此外，新技術對竹材表面無破壞，且在高溫軟化后通過擴弧輥壓一次展平和連續輥壓二次展平，在一定程度上對板材進行了密實化處理。通過對新技術制備的竹展平板部分物理和力學性能測試，得出如下結果：氣干密度為0.65～0.76 g/cm3, 弦向氣干干縮率為6.1%～7.5%，徑向氣干干縮率為3.4%～6.8%，靜曲強度和彈性模量分別為142.62～177.25 MPa, 8.34～14.34 GPa，壓縮強度55.47～104.23 MPa，順紋剪切強度16.35～22.45 MPa，拉伸強度126.91～145.46 MPa。可以看出，新技術制備的竹展平板保留了竹材優良的物理力學性能。楊曉夢[23]系統比較了不同展平工藝制備的竹展平板物理力學性能的差異，研究結果進一步驗證了上述結果。

2.4 一體化干燥技術

干燥工藝對竹展平板的表觀質量有決定性影響。合理的干燥工藝和堆垛方式，不僅有利于縮短干燥時間、減少能耗，更有利于提高板材質量。竹展平板與木材不同，前者是將弧形竹片通過高溫高濕軟化后再經機械加壓展成平整的板材，展開后其剩余內應力在干燥過程中如果不能完全釋放，會導致竹展平板開裂和翹曲變形。針對弧形竹片在展平過程中受壓、干燥過程中回彈以及竹材水分主要沿縱向排出等特點，創新提出了一種適用于竹展平板干燥技術，即干燥—噴蒸—平衡技術。

竹展平板干燥以過熱蒸汽為介質，采用三段式干燥法：1）一次干燥階段：采用低溫、低濕條件干燥，然后逐漸提高溫度和濕度并保持一定時間，之后保持高溫條件進行排濕處理，保持較高溫度和在一定濕度條件下悶窯進行排濕干燥；2）噴蒸階段：采用更高的溫度并進行噴蒸處理，并在此高溫高濕條件下保持8～20 h。噴蒸處理的目的是使竹展平板重新獲得水分，以恢復板材原有體積；3）平衡干燥階段：在高溫、低濕條件下進行二次干燥，干燥時間24 h以上，當板材含水率干燥至10%～12%時，停止干燥，板材冷卻出窯。干燥工藝溫濕度曲線如圖5所示。

竹展平板干燥周期約8～10 d，板材含水率為10%左右。干燥階段的梯度升溫、增濕和噴蒸，使竹展平板在干燥過程中充分釋放內應力，減少了變形和開裂，板材表面平整，有效減少了刨切量，進一步提高了竹材出材率。

圖5 竹展平板干燥工藝Fig.5 The drying procedure of bamboo flattened sheet

3 結論

縱向無刻痕一體化竹展平技術是竹材加工利用領域一次重要的技術創新。該技術通過關鍵技術創新和核心設備研發，實現了竹材縱向無刻痕一體化快速展平，提高了竹材的綜合利用率；將多個加工工序融為一體，減少了勞動力，減輕了勞動強度，降低了生產成本；采用新技術制備的板材保留了竹材天然的紋理特征和優良的力學性能，板材表面無損傷，外觀質量優良；新技術拓展了竹材加工利用的領域，為竹家具和竹質包裝等[26-27]材料的開發提供了技術支撐。

但該竹展平技術在降低板材缺陷、提升出材率，提高生產效率等方面仍有一定的提升空間。由于其工藝流程中竹筒預處理，軟化，二次展平、冷卻定型以及干燥等工序單獨進行，而且在實際生產中各工序的加工設備比較簡陋，自動化程度低，竹材軟化與展平不能有效銜接，導致軟化后的竹材在較高溫條件下不能快速展平，增加了板材開裂率，因此，縮短軟化與展平時間，提高各工序之間的銜接能力與自動化連續化加工水平將是今后竹材展平技術改進和研究的重點。同時，竹展平板干燥堆垛方式及干燥工藝仍需進一步優化與改進。