竹材防开裂研究进展

邹怡佳，陈玉和，吴再兴，陈章敏

（国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012）

随着木材的紧缺，竹子作为一种天然环保可再生生物质材料，越来越受到人们的关注。竹子的生长速度快、伐木性好和生态功能强等优点，其经济、生态和社会效益日益突出。但由于竹材的异质结构，不同部位、不同方向收缩性的差异，在使用过程中极易产生开裂，裂纹的产生不仅影响美观，还会使性能急剧下降。水分、细菌等物质沿着裂纹更容易进入到竹材内部，造成竹材进一步的开裂甚至发生霉变等缺陷，降低竹材的质量，减少使用寿命，造成资源的浪费。虽然经过了很多的研究和实践，但竹材开裂问题至今没有得到很好的解决，仍然是困扰厂家及用户的一个棘手的问题，因此对竹材开裂的研究就显得尤为重要。

1 竹材开裂的原因

竹材干缩湿胀是由于竹材具有吸湿性，组成竹材细胞壁的物质——纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多自由羟基（-OH），具有很强的吸湿能力。在一定的温度和湿度条件下，胞壁纤维素、半纤维素等组分中的自由羟基，借助氢键力和分子间力吸附空气中的水分子[1]，当空气中的水蒸气压力小于竹材表面的水蒸气压力时，竹材中的水分向空气中蒸发，在宏观上表现为竹材干缩，引起竹制品尺寸收缩而产生裂隙、翘曲变形以及开裂。竹材利用分为原竹利用和加工利用，而原竹开裂与竹制品开裂的原因及开裂的方式是不同的。

1.1 原竹开裂的原因

原竹是否容易开裂，跟竹种、竹龄、直径等有很大关系，作为工艺品用的小径竹基本上不存在开裂的问题，而径级较大的竹种如毛竹是存在易开裂的问题，但是毛竹的主要使用方法并不是以圆竹形式利用，制造成板材居多。有研究人员指出，由于不同年龄、不同部位毛竹材微纤丝角差异较小，因此密度是决定竹材力学强度和干缩性的主要因子，所以密度的不均匀带来干缩率差异，是导致原竹开裂的主要原因[2]。钟莎，张双保[3]等指出，原竹的裂纹都是从竹青向竹黄延伸，先产生表面裂纹，逐渐变长变深，达到一定程度后便不易加深。非竹节部位，弦向和径向干缩率是纵向的3 ～ 4倍；竹节附近含水率较低，密度较高，弦向干缩率较小。开裂程度底部＜中部＜顶部。

1.2 竹制品开裂的原因

影响竹制品开裂的原因很多，和其制造的每个环节息息相关。归结起来[4]一般存在以下原因：一是竹材干燥工序上，干燥质量差，含水率相差较大或养生周期不够致使残留在竹材内部的应力发生作用。二是生产加工工艺存在问题，由于圆锯机开槽存在应力集中问题，易导致开裂，故可以改进加工工艺，改用铣刀加工成圆弧槽，不存在边角尖锐部位，则可避免发生应力集中，以期更好的防裂效果。实木复合地板的背沟槽工艺能够减小地板的内应力，使得地板变形的可能性降低，各相邻层的纹理互相垂直。该地板的对称结构保证了其良好的尺寸稳定性，克服了实木地板和竹制地板易翘曲变形的缺点。三是胶粘剂质量或使用有关，脲醛树脂耐水、耐候性差，酚醛树脂颜色深、成本高，三聚氰胺树脂稳定性及韧性较差[5]，都是影响竹制品开裂的重要因素。因此要选择性能优异的胶黏剂，如耐水性好的胶能减少胶层的吸水性及很好的防止竹制品的吸湿性，胶膜柔韧性越好，越不容易发生开裂，也是防止竹制品开裂的有效措施之一。四是存在结构设计不够科学，郭晓磊，曹平祥[6]等人在竹木复合地热地板表板开裂的研究中表明，平压竹单板较侧压竹单板易发生面层开裂。

2 竹材开裂的控制

为控制重组竹开裂的发生，研究人员做了大量研究，其概括起来主要有以下几种：一是干燥法，即对木材或竹材进行干燥，减少或基本消除木材或竹材中的残余应力。二是增容处理法，把憎水性不挥发物质引入细胞的微观结构中，使其填充细胞壁的微细结构中并固化，以提高木材或竹材的尺寸稳定性；三是涂层法，用防水材料处理木材或竹材的表面，阻滞木材或竹材表面水分的渗透，使其内外部的水分迁移速度趋于一致。

2.1 干燥法

常规干燥是表面水分被蒸发形成内部和表面之间的含水量梯度，依照这一梯度，内部的水分向表面扩散，然后再从表面被蒸发，反复循环，以达到竹材或木材的干燥。干燥质量的好坏直接影响成品使用后开裂的产生，因此常常会进行预冻处理、热处理、加压或拉伸处理以及后期调湿处理等，这些方法都能够在一定程度上减少竹材的皱缩。蒸煮可以消除内部应力，增加竹制品的尺寸稳定性，不容易产生开裂和变形。防止表面裂与蜂窝裂则要控制温度和湿度，在竹材的干燥过程中对其进行必要的热湿处理，可以减少或基本消除竹材中的残余应力。张耀丽[7]在研究中指出，板材经过微波辐射后，薄壁细胞和厚壁细胞壁上纹孔膜破损，纹孔腔这一有效微毛细管通道被打通，扩大了水分的流通通道。木材经过冷冻处理后，细胞腔中的水结冰，使细胞腔直径增大，同时细胞壁又受到挤压，破坏了部分纹孔膜，扩大了水分的传递途径。这种处理都会提高干燥速度。微波、冷冻处理后板材的渗透性与对照材相比，均有不同程度的提高，均降低了木材的皱缩深度。李晓玲，小林功等[8]在日本柳杉高频真空干燥的研究中发现，在干燥前进行常压的蒸汽或者过热蒸汽的预处理，板材的开裂及程度大大降低。这一点正是利用了木材具有粘弹性的这一特点，尤其在高温高湿条件下，木材的粘性要大于低温情况，因此干燥应力得到了释放，不足以导致木材开裂。基于此点，在日本高温处理已成为降低柳杉开裂的一种很实际的方法。张士诚,齐华春等[9]在高温过热蒸汽处理对木材结晶性能的影响中表明，经高温高湿处理后木材的相对结晶度有了一定程度的提高，并且相对结晶度受温度的影响非常显著。另外结晶区的强度比非结晶区强，水分也更难进入结晶区，所以相对结晶度越高，板材的性能越好。

2.2 增容处理法——充胀法

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换其中的水分，对竹材起有效的膨胀作用，从而使竹材干缩极小，降低开裂。将低分子量的酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂、间苯二酚树脂等用来浸渍竹材可改变竹材的尺寸稳定性，其中酚醛树脂的效果最好，浸渍材能够很好的提高竹材的抗缩率(ASE)，这一点可以通过树脂固化后制约了竹材的收缩及细胞腔被填充而疏水来解释。Joseph, D.＆Darrel D.N.＆Tor P.S.[10]用水溶性的树脂酸来处理木材，可以使木材的尺寸稳定性在室外环境下达 2 a之久没有明显变化。Gindl, W[11]认为,水溶性的三聚氰胺甲醛树脂能很好的分散到木材结构中，聚合物使木材的细胞壁发生改性从而提高木材的性能。理论上[12]，在绝干状态下，细胞壁上的气孔是开放的，但是估算出来的气孔体积最大膨胀可提高38 %。用聚合树脂改性细胞壁，很显然树脂会充胀细胞壁。Mantanis, G I.[13]发现低分子小体积和易于形成氢键的树脂充胀细胞壁的效果较好。许多研究者一致认为，树脂的分子量影响树脂向木材细胞壁中的渗透，进而影响木材尺寸稳定性等性能的提高[14-15]。Rowell R M[16]把PF等树脂处理后木材尺寸稳定性的提高归因于充胀作用，即树脂不与细胞壁成分发生交联，只是本身缩聚为不溶于水的高分子，树脂固化后制约了木材的收缩及细胞腔被填充而疏水减少了开裂，并指出酚醛树脂浸渍处理木的抗缩率要高于脲醛树脂处理木，这是由于脲醛树脂在水中的溶解度有限所致。低分子量树脂容易渗入木材的细胞壁，而如果树脂的分子量过高则只能渗入木材的细胞腔，对木材尺寸稳定性没有明显的改善作用[17-19]。

2.3 涂层法

利用涂料、油漆涂刷竹材表面，减少竹材与湿空气接触，阻碍水分的渗入，从而使纤维表面包裹起来，可以降低竹材对大气湿度变化的敏感性，延缓竹材的吸湿速度，减少开裂。沈丽莎,佟超等[20]在硬质木材防裂剂的研制与使用中，参照国内外各种木材防裂剂配方，通过试验研制出MF-1型木材防裂剂，是涂料法防裂的新剂型，具有成本低、使用方便、易于保存、防裂效果好（木材完好率98%）等特点，解决了硬质材天然干燥过程中的开裂问题。刘彦龙，唐朝发等[21]用异氰酸酯与多元醇作用形成的预聚体型聚氨酯作为防裂涂料。这种涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羟基的作用下发生反应固着在木材表面上形成保护层，抑制端部水分的散发，同时在纤维之间产生牵制作用，有效控制端裂的发生。为防止端裂，可在竹材或木材干燥前用石蜡或油漆或桐油石灰或煤焦油等，涂刷于木材或竹材两端。

2.4 其它方法

机械抑制法，用铁质“V、S、C、Z”形钉在原木或锯材端头固定或用铁丝将木材捆扎起来，预先施加外力，起到紧固作用。

方远进[22]介绍了深度炭化木具有绿色环保防腐防虫不开裂木材的优点，深度炭化木是经过200℃左右的高温炭化技术处理的木材，深度炭化木由于其吸水官能团半纤维素被重组，使木材的使用性能有较大的提高，比如吸水性下降，吸湿膨胀性下降，尺寸稳定性提高，这样炭化木制品几乎不变形、不开裂、尺寸稳定。

木材的乙酰化改良技术是让木材与来自于醋酸的乙酸酐进行化学反应，把木材中的羟基自由基改变成乙酰基团，羟基自由基转化成乙酰基团后，极大地降低了木材的吸水能力，使木材的尺寸稳定性强[23]。

3 结语

目前在家具和建筑方面，竹材市场的占有率还不是很高，而竹材的开裂是个非常棘手的问题，困扰着大多数竹材加工企业。对于防止竹材开裂研究的很多方法，大多数源于防止木材开裂的研究，很多时候需要根据竹材自身的特点进行考虑，防止竹材开裂的研究仍需要各科研人员进行不懈的努力。

在实际生产中，使用最多的是毛竹，针对毛竹制成的板材，尤其是作为采暖地板的表板，开裂问题很容易出现，根据本实验室氙灯老化试验表明，现有的竹地板包括重组竹地板都无法避免开裂。而这些开裂，很大一部分是发生在竹材本体，因此，对竹材本体的物理力学性能及微观构造的细致研究，探讨竹材本身开裂的机理是解决这一问题的重要方面。

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