竹質集裝箱底板制造工藝研究*

張方達 方長華 劉煥榮 馬欣欣 張秀標 費本華

（國際竹藤中心，北京 100102）

目前，全球90%以上的貨物貿易使用集裝箱運輸[1]。集裝箱底板是集裝箱的主要承載配件，它不僅需要具有足夠的強度、剛度、耐久性和耐磨性，還要能夠承受一定的集中載荷，是一類用量大、技術性能要求高的結構用人造板[2]。早期，克隆木（Keuring）和阿必東（Apitong）等熱帶闊葉材常被用于制造集裝箱底板，但隨著集裝箱用量的持續增長，樹木資源被過度采伐導致熱帶雨林的生態環境破壞加劇，自1993年以來，東南亞各國相繼制定限伐政策，給集裝箱底板產業帶來了原料危機，從而在世界范圍內掀起了研發集裝箱底板替代材料的熱潮[3]。

澳洲桉木由于材性優異，價格低廉，率先被用于制造集裝箱底板。但隨著澳洲桉木價格上漲，集裝箱底板制造主要用材轉變為橡膠木、樺木等非傳統硬木為主的混合木單板，并搭配使用楊木、桉木等速生材[4]。目前，我國每年約有2 萬m3的集裝箱底板由全木質材料加工而成[4-5]。

我國是世界上竹類資源最豐富的國家，竹林面積、蓄積量、竹材產量均居世界之首。據第九次全國森林資源清查報告，我國竹林面積為641.16 萬hm2，人工林面積8 003 萬hm2，蓄積量33.88 億m3[6]。用竹木復合材料制備集裝箱底板可充分發揮我國的資源優勢，既降低生產成本，又保證產品內在和外觀質量[7]。作為集裝箱生產的重要基地，我國已連續27年蟬聯全球產銷量冠軍，占有全球96%的份額。現階段集裝箱底板用材主要是毛竹與橡膠木、輻射松、馬尾松等速生材復合材料。

本文介紹了竹質集裝箱底板生產常用竹單元，對比研究了不同類型全竹材集裝箱底板，并分析了竹木復合集裝箱底板的特點及存在的問題和發展趨勢。

1 竹質集裝箱底板主要構成單元

竹質集裝箱底板包括全竹材集裝箱底板和竹木復合集裝箱底板。全竹材集裝箱底板使用的構成單元主要有弦向竹篾（Tangential bamboo sliver）、徑向竹篾（Radial bamboo sliver）、竹刨花（Bamboo chip）、疏解竹（Bamboo bundle）、規格竹條（Bamboo strip）和展平竹（Flattened bamboo panel），如圖1所示。竹質工程材料的構成單元不同，其后的干燥、施膠、組坯和熱壓工藝也大不相同，最終會影響到產品的性能與生產成本[8]。目前，竹木復合集裝箱底板所使用的竹單元主要是徑向竹篾。

圖1 不同類型竹單元Fig.1 Different types of bamboo units

2 全竹材集裝箱底板

全竹材集裝箱底板由竹單元經干燥后施膠、組坯、熱壓而成。通常將弦向竹篾和疏解竹單元編織成簾后再組坯以提高板材內部結構規則度。對于易霉變腐朽的竹單元或用于特定場合的竹質工程材料，需要對竹單元進行蒸煮或微炭化處理。全竹材集裝箱底板的加工工藝如圖2所示。

圖2 全竹材集裝箱底板制造工藝流程圖[10-12]Fig.2 Manufacturing process flow chart of all bamboo-based container flooring

2.1 全竹材集裝箱底板類型

2.1.1 竹篾層積材（Laminated bamboo sliver lumber）

此類集裝箱底板的構成單元是弦向竹篾。板材有兩種結構：篾片縱向排列的單向結構和篾片縱橫交錯排列的非單向結構[11]。單向結構板材橫向強度低，只有當板材密度在1.1 g/cm3左右，厚度在25 mm以上時，才能作為結構材使用[12]。非單向結構竹材縱橫膠合困難，產品存在較大的質量隱患。其主要優點為抗彎強度大、剛性好，抗剪能力強。最大的問題在于竹篾是稱量捆扎后組坯，容易導致鋪裝不均勻，進而引起膠合強度及其他各項物理機械性能不穩定，制成板后易發生翹曲變形。同時，作為集裝箱底板比重過大、硬度太高，鋸刨釘加工性能極差，會給安裝和維修帶來不便[4]。針對竹篾層積材存在的問題，對其結構和工藝進行創新，開發了弦向竹簾膠合板，避免了竹篾層積材僅能壓制高密度厚板的不足，同時克服了竹篾層積材易變形的缺點。密度為0.85 g/cm3的弦向竹簾膠合板，平均縱向彈性模量和靜曲強度分別可達11 200 MPa和121.2 MPa[12]。竹篾層積材與玻璃纖維布復合可在降低密度的基礎上，使其彈性模量和靜曲強度分別增加26.3%和41.2%。竹材的弦向面存在難以膠合的竹青與竹黃，為保證膠合效果，通常在劈篾時將竹青和竹黃去除，致使竹材的利用率較低。

2.1.2 竹材膠合板（Plybamboo）

竹材膠合板是以帶溝槽的等厚展平竹為構成單元，由相鄰層竹片互相垂直組坯膠合而成。由于集裝箱底板需具有較高的縱向機械強度，要求竹材膠合板纖維方向竹片的厚度之和占板坯總厚度的55%～70%。同時，為避免橫向強度、剛度不足，產生翹曲變形等缺陷，組坯時應有一定比例的竹片垂直于纖維方向放置[11]。其主要優點是：強度高、剛性大、強重比高，且濕脹率小、尺寸穩定、不易變形，縱橫兩向強度差小[13]。但展平竹要經過去內外節、刨除竹青竹黃、軟化和展平等處理，竹材利用率僅60%左右，且加工效率低[9]。展平竹整張化困難，進行集裝箱底板生產時組坯效率低，因此制備的板材成本高，在集裝箱底板領域不具競爭優勢。為了簡化展平竹的制備工序，弧形竹片未經軟化，去除青黃后直接采取機械方式壓平，縱向組坯制備竹材膠合板[14]。以這種方式制備的四層結構板材平均彈性模量和靜曲強度分別為9 300 MPa和76.5 MPa，但因展平竹軸向裂縫較大，容易發生水平剪切破壞[15]。

2.1.3 重組竹（Bamboo scrimber）

重組竹的構成單元是網狀竹束，具備強度高、耐候性強和尺寸穩定性好等優點，被廣泛用作車廂底板、戶外地板、家具以及園林景觀建筑材料[16]。重組竹的密度對板材強度和吸水率有較大影響，通常為1.05～1.30 g/cm3[17]。當密度低于0.90 g/cm3時，重組竹的強度會明顯降低[18]。板材密度均勻性會影響其強度的穩定性，通常將片狀竹束編織成簾后再組坯以提高其密度均勻性[19]。用作戶外地板時，通常對竹束進行熱處理后再組坯以提高板材尺寸穩定性和防腐性能，但熱處理會降低板材的抗彎性能[20]。酚醛樹脂含量對板材吸水膨脹率影響顯著，用膠量通常為10%～25%[21]。余養倫[22]等以毛竹纖維化單板為原料制造重組竹集裝箱底板。由于不必去除竹青竹黃，毛竹的利用率高達90%，且疏解竹簾的加工效率和組坯效率均高于徑向竹簾和弦向竹簾。在疏解過程中，由于部分維管束和薄壁細胞被切斷，該竹單元的力學性能和排水能力被削弱，在后續集裝箱底板生產過程中干燥效率和熱壓效率低，周期長、能耗大。此外，由于重組竹底板用膠量大，密度過高，導致其最終成本較高，目前在集裝箱底板領域所占份額較小。

2.1.4 定向竹刨花板（Oriented bamboo strand board）

定向竹刨花板通常具有三層結構，表層刨花順紋排列，芯層刨花垂直于表層或非定向排列。板面密度最高，芯層密度最低。與其他竹質結構板材相比，定向竹刨花板的原材料竹種和竹稈部位適應性強，小徑級竹材及竹梢與竹尾部分均可被刨削成竹刨花用于制備定向竹刨花板，竹材利用率高[23-24]。竹青和竹黃對板材的性能無顯著影響[25]，而竹節會降低板材強度。竹刨花尺寸對板材性能有較大影響，當刨花尺寸長度為110～120 mm，厚度0.6～0.8 mm時，制備的定向竹刨花板性能指標較優[26]。用過熱蒸汽處理竹刨花可以提高竹刨花板的尺寸穩定性和力學性能[27]。12 mm厚定向竹刨花板的順紋彈性模量和靜曲強度分別可達6 012 MPa和40.1 MPa。目前云南某林業有限公司用龍竹（Dendrocalamus giganteusMunro.）定向刨花板制備集裝箱底板，年產量約2萬m3[6]。

2.1.5 竹集成材（Glue laminated bamboo）

此類底板的組成單元是規格竹條。由于竹單元的結構規整度高，板材內部竹單元之間有效膠合面積大，底板的抗彎強度及膠合強度較高。竹條竹青側與竹黃側的干縮系數差異大，膠合后竹條層積材易發生變形和開裂。弦向膠合時最好采用竹青面對竹青面，竹黃面對竹黃面進行組坯，以提高結構的對稱性，減少徑向面層積材的橫向變形量[9,12]。組坯前通常對竹條進行蒸煮或微炭化處理，以防止板材腐朽和霉變。熱處理會影響板材強度，尤其是彎曲強度明顯降低。微炭化處理后，順紋壓縮強度有所提高，但順紋拉伸強度明顯降低[28]。規格竹條在加工過程中切削量大，竹材利用率僅30%左右，且生產效率低，制造成本高[29]。因竹條層積材較高的結構規則度、色澤淡雅、光潔度好、表面硬度高等特點，可用做更高附加值的家具、地板和室內裝飾材料[30-31]。

2.2 不同竹質板材制備的集裝箱底板性能比較

表1是幾種全竹材集裝箱底板與阿必東膠合板的主要力學性能對比。板材的密度、內部結構規則度、構成單元的力學性能及組坯方式都會對其最終力學性能有較大的影響。全竹材集裝箱底板與阿必東膠合板相比，順紋靜曲強度較高，但順紋彈性模量除重組竹外均低于阿必東膠合板。全竹材集裝箱底板中，竹集成材的橫、縱向靜曲強度較高，因為精刨竹條的結構規整度高于其他竹單元。竹單元的結構規整度越高，則板坯中構成單元的接觸程度越好，板材的強度就越高[11]。竹材膠合板的密度最低，展平竹的結構規整，可以較低的密度達到較高的強度。

全竹材集裝箱底板如果為單向結構，則橫向強度低，如竹篾層積材，需以較高的密度和厚度才可達到一定的強度。如果為非單向結構，由于酚醛樹脂對竹材的浸潤性差，該種板材極易在縱向與橫向竹材的膠接界面產生開膠[5]，存在較大的質量隱患。此外，全部采用竹材制備集裝箱底板，存在生產效率低、原料成本高等問題，最后導致生產總成本高，在市場上失去競爭力。由于以上幾種弊端，全竹材集裝箱底板逐漸退出市場，被竹木復合集裝箱底板取代。

表1 幾種全竹材集裝箱底板的力學性能比較[4,22,32]Tab.1 Mechanical performance comparison of bamboo-based container flooring

3 竹木復合集裝箱底板

竹木復合結構可以科學合理地發揮竹材和木材各自的優良特性，獲得既降低生產成本，又保證產品內在、外觀質量的雙重效果，同時也為利用國產速生木材生產結構用人造板找到了一條新途徑[15]。早期竹木復合集裝箱底板多采用強度高、硬度大的展平竹拼板或竹席作面層，以提供強度和表面硬度，用馬尾松、楊木等速生材膠合板或OSB板作芯層[2]。

3.1 夾芯結構竹木復合集裝箱底板

張齊生[3,32]等以毛竹展平竹和馬尾松膠合板為原料制備集裝箱底板，并與阿必東膠合板底板的性能作對比分析。研究發現，竹木復合集裝箱底板的密度與阿必東膠合板底板相當，但其靜曲強度高于阿必東膠合板底板15%～20%，縱向彈性模量低于阿必東膠合板底板10%～15%。馬尾松節子多，早晚材、邊心材的性能差異較大。松木內富含松脂，海洋運輸中受太陽熱輻射，樹脂溢出表面，容易污染貨物。考慮到產品密度及成本，認為壓縮率范圍為25%～28%較好[2]。孫豐文[33]等將馬尾松、落葉松等密度中等的木材加工成強度≥85 MPa，彈性模量≥10 GPa，密度為0.75～0.85 kg/cm3的多層膠合板作為基板，然后在其上、下表面膠合展平竹拼板或竹席作為面層材料制備竹木復合集裝箱底板。Rob[34]等以楊木刨花板作為芯層，高密度竹席膠合板（＞0.9 g/cm-3）為面層，1～2 mm厚楊木單板作為中間層制備集裝箱底板，強度可達到國標要求。有研究人員用規格竹條作芯層，樺木單板作表層制備集裝箱底板。該產品強度較高，通過了美國船級社的初步驗證。我國樺木主要集中在北方地區，由于徑級較小，心腐嚴重，出材率低，因此制造成本較高[4]。

表2 幾種竹木復合集裝箱底板的力學性能比較[2,33,35]Tab.2 Mechanical performance comparison of container flooring made of bamboo-wood composite materials

由表2可知，竹席覆面底板的靜曲強度高于展平竹覆面底板，二者的彈性模量相近。可能是展平竹表面裂紋影響其抗拉強度。由于展平竹表面規整度高于竹席，展平竹覆面底板的膠合強度較高。馬尾松膠合板的靜曲強度和彈性模量明顯高于楊木膠合板，但展平竹與馬尾松膠合板復合底板的縱向力學性能卻沒有明顯優于展平竹與楊木膠合板復合底板。有研究表明，增大表層縱向竹片的厚度有利于提高底板的縱向靜曲強度。由于楊木密度低于馬尾松，且材性較差，竹席與馬尾松膠合板復合底板的密度和靜曲強度均高于竹簾與楊木定向刨花板復合底板。

由于集裝箱底板對表面質量的美觀、耐刮擦等特殊要求，用帶裂紋的展平竹通過拼板技術制備面板存在一定的難度，竹材利用率和加工效率低，表板合格率不高。竹席的竹篾厚度僅為0.5～0.7 mm，剖篾工作量大，且增加膠黏劑用量，因而成本較高。此外，輥涂時竹席的竹篾壓接處容易缺膠，而竹席浸膠則會在竹篾交叉重疊處產生“貯膠”現象。夾芯結構的竹木復合底板通常先加工高密度的竹席膠合板面板，然后再與木單板組坯壓制集裝箱底板，因此生產周期長。如果采用一步法直接制備此類底板，則表層竹席膠合板的密度難以控制。弦向竹簾的竹篾之間存在較大的縫隙，不適宜被用作底板表層材料[36]。用以上3種高密度竹質板材做面板制備竹木復合集裝箱底板，成本偏高，且加工效率低，影響其市場競爭力。自1996年底，研究人員開始致力于改進竹木復合集裝箱底板的生產技術，通過織簾的方式實現弦向竹篾整張化，以弦向竹簾作為結構單元，與木單板組坯熱壓成層合結構的竹木復合集裝箱底板，在保證底板強度的前提下提高竹材的利用率和加工效率，降低成本[3]。

3.2 層合結構竹木復合集裝箱底板

此類集裝箱底板所使用的竹單元主要有弦向竹簾和徑向竹簾，最早使用弦向竹簾制備層合結構竹木復合集裝箱底板。由于竹青和竹黃的外表面難以膠合且呈弧形，在弦向竹篾生產過程中，僅取中間部分的弦向竹篾作為竹木復合集裝箱底板的原料，竹材利用率約為65%。相比而言，徑向竹篾加工效率和出材率高，竹材利用率高于90%，同時由于竹青和竹黃不易吸收膠液，耗膠量較小，熱壓周期短，用其制備的竹木復合集裝箱底板綜合成本比弦向竹簾復合板低29%。

如圖3所示，當前竹木復合集裝箱底板占比已達到85%，其中使用最多的竹單元是徑向竹簾，約占90%。在毛竹資源匱乏地區，企業主要以定向刨花板或膠合板為原料來制備集裝箱底板。圖4為弦向或徑向竹簾與木單板復合集裝箱底板的制備過程。

圖4 竹簾與木單板復合集裝箱底板的生產工藝流程Fig.4 The production process of container flooring made of bamboo curtains and wood veneers

表3是4種層合結構竹木復合集裝箱底板的力學性能對比。在底板制作過程中僅改變竹單元的類型，保持木單板種類、位置和組坯方式不變。圖5為這3種底板的端面圖。由表3可知，弦向竹簾與木單板復合底板的密度最低，且其彈性模量和靜曲強度分別比徑向竹簾與木單板復合底板低21.5%和14.3%，但短跨距抗剪強度高于徑向竹簾與木單板制備的底板。徑向竹篾兩端厚度和寬度偏差大，竹節處較寬，鋪裝時竹簾局部會產生疊芯和離縫現象，結構規整性差，對底板強度產生不利影響。由于底板四周存在空隙，徑向竹簾與木單板復合底板的吸水厚度膨脹率比弦向竹簾制備底板高50.67%。集中載荷是集裝箱底板最重要的一項力學性能指標，在測試過程中超過70%的破壞發生在底層木單板。為提高底部強度，研究者在底層添加玻璃纖維布作為增強材料，可使復合底板的集中載荷提高16.0%，靜曲強度提高28.1%，但相應成本也會增加。因此，探索合適的木材旋切工藝，得到高質量木單板，對于提高竹木復合板材的物理力學性能具有重要意義[37]。為提高底板的橫向強度，研究者在橫向木單板層添加玻璃纖維布或芳綸纖維布作為增強材料[38]。在同等熱壓工藝下，疏解竹簾與木單板復合底板的各項力學性能指標均最低。對于疏解竹簾/木單板復合底板而言，疏解竹的導管在加工過程中部分被破壞，不利于水分的傳輸。要保證板材強度需要更長的熱壓時間和更高的壓力，否則疏解竹內部因含水率較高或膠層較厚而導致膠合效果差，板材強度低。

表3 不同竹單元制備竹木復合集裝箱底板的力學性能Tab.3 The mechanical performance of bamboo-wood composite container flooring made of different bamboo units

圖5 3種層合結構竹木復合集裝箱底板端面圖Fig.5 The cross section of bamboo-wood composite container flooring

目前竹木復合集裝箱底板多為19或21層結構，膠耗量大，組坯工藝復雜。俞艷[39]等發明了一種13層結構的毛竹和桉木復合底板，減少了膠黏劑用量，同時提高了組坯效率，但板材的力學性能未見報道。一般而言，隨著厚度的增加，木單板的力學性能會降低。有研究表明，當桉木單板厚度從1.70 mm增至3.25 mm時，單板的靜曲強度和彈性模量分別降低了42%和44%，且層積材經常在單板間發生撕裂破壞[37]。定向刨花板具備較高的抗剪強度[40]，有研究以定向刨花板作芯層制備徑向竹簾與木單板復合底板。12 mm厚定向刨花板可代替8～9片～1.9 mm厚竹簾，制備的底板靜曲強度和彈性模量可達92.1 MPa和10.10 GPa，能夠承受6 525 kg集中載荷。定向刨花板厚度對底板強度有較大影響，用9 mm厚定向刨花板做芯層生產的底板能夠承受7 345 kg集中載荷。用此技術生產的竹木復合集裝箱底板密度下降5%～8%，同時可降低生產成本3%～5%[41]。竹簾方向對竹木復合底板的物理力學性能有較大影響，當竹簾縱橫交錯排列時，板材的力學性能大幅下降，且吸水厚度膨脹率和浸漬剝離率較高[42]。

集裝箱底板生產組坯時縱向鋪設的單板一般采用整板（中板），需要較大徑級的原木。采用小規格楊木、桉木、馬尾松單板沿纖維方向接長作為中板，進行縱向組坯生產竹木復合集裝箱底板，可降低原料成本。竹尾部分竹壁較薄，在制備弦向或徑向竹簾時通常被舍棄。為提高竹材利用率，鄭忠福等[41]用毛竹竹尾制備疏解竹簾部分替代弦向竹簾制備竹木復合集裝箱底板。由于竹尾部分竹青和竹黃所占比例高，且兩端厚度偏差較大，對疏解竹簾與上下層的膠合有不利影響，一張底板最多使用兩層疏解竹簾才能保證底板強度達到國標要求。

為節約能耗，提高生產效率，有研究人員嘗試對膠黏劑進行改性研究，以降低熱壓溫度或縮短熱壓周期[43]。孫豐文[44]等用粉狀落葉松單寧改性酚醛樹脂生產竹木復合集裝箱底板，試驗表明，可以解決膠合板熱壓鼓泡等缺陷，并縮短熱壓周期。吳曉明[45]以較低熱壓溫度125 ℃制備竹木復合集裝箱底板。通過添加碳酸鈣和間苯二酚以改善酚醛樹脂的膠合性能，膠合強度達到了 2.09 MPa。該方法可能存在成本較高、工藝復雜等問題，而未被應用于工業化生產。

4 展望

現有竹質集裝箱底板的研究，主要集中在制造工藝對產品性能的影響及不同底板性能的對比分析等方面，有關竹木復合集裝箱底板結構優化設計和層積模型的預測分析方面的研究較少[46]。利用數值分析法對不同密度、不同層積方式的竹木復合板材在穩態和瞬態各種情況下進行快速、準確的模擬和預測，不僅能夠節省工作量，簡便、快捷地估算出竹木復合板材的各種物理力學參數，還能為發揮材料優勢、優化結構設計，制造高性能竹木復合板材提供方法和依據。

徑向竹簾與木單板復合板材作為竹木復合集裝箱底板領域的主流產品，還存在一些缺陷。如徑向竹篾厚度偏差大，導致板坯中篾片間接觸程度較差，需要較高的密度才能達到特定的強度和模量，增加了產品的原材料消耗；同時板材密度高，在使用過程中因吸濕、吸水易造成較大的厚度膨脹。由高密度型竹木復合板向中密度型竹木復合板轉變，同時提高板材結構規則度將是未來的發展方向[47]。

隨著展平竹技術的不斷成熟，可以制備出表面無刻痕展平竹[48]，用其制備竹質工程材料可以最大限度地保持竹材“原態利用”，減少膠黏劑用量，且產品輕質高強，結構簡單、美觀，還可以進一步拓展竹木正交復合材料的適用范圍[49]。竹材弧形原態重組材料也能夠最大限度地保持竹材的原生形態，且具有較高的強度，可用作結構工程材料，將來有望成為現有集裝箱底板的替代產品[50]。