毛竹筒展平板微观结构和基本性能初步研究

张 芊 梁广元 黄梦雪 张晓春 张文标(浙江农林大学工程学院浙江临安311300)

毛竹筒展平板微观结构和基本性能初步研究

张 芊 梁广元 黄梦雪 张晓春 张文标
(浙江农林大学工程学院浙江临安311300)

为了拓展竹展平板后续加工应用，对毛竹筒高温软化前后及展平板的显微构造及基本力学性能进行了观测与测试。结果表明:竹材软化后的薄壁细胞变形较小，展平后的薄壁细胞变形较大。对比原竹材与展平板的物理力学性能，展平板的密度和抗弯弹性模量分别比原竹材增大4.40%和6.76%，静曲强度、顺纹抗压强度和顺纹抗拉强度分别降低4.35%、4.32%和20.52%。除顺纹抗拉强度指标外，其他物理力学性能指标在展平前后变化不大，基本不影响其后续的加工利用。

毛竹筒；展平板；显微构造；物理力学性能

国内外在竹片展平技术方面进行了大量探索。当前，生产展平竹板材的方法主要有去除竹青、竹黄和在竹黄加工线槽或导裂眼等，展平生产工艺有介质加热软化展平法和加压展平法等[1]。谢力生等[2]采用半竹筒展平的方法将剖成两半的竹块去除节隔、竹青和竹黄，使其厚度及外表面的周长为定值，再将竹块加热、加压展平成平板状。吴勇为等[3]研制出一种在保留竹青、竹黄层基础上，不改变竹材纤维整体特性、竹材展平不开裂的方法，即在竹材的竹黄表面加工导裂眼，竹材内径在展平的同时，分散加工的导裂眼将展平时产生的分裂作用力分散和吸收，从而有效阻止了竹黄面上裂缝的开裂。丁定安等[4]提出了原竹弧形竹片 “剖黄联青”展开工艺。钱俊等[5]研究发现，将竹材劈分成一定圆周弧度的竹片，进行软化后展平，其圆周弧度越小竹片展平率越高，且无节竹片比有节竹片易展平。利用带有可调侧压机构的热压机对原竹弧状竹片进行展平，可得到表面裂缝较少或无裂缝的竹片[6]。此外，采用高压水蒸汽法也可对竹材进行展平和定型处理[7]。总体来看，目前竹材展平大多为将圆竹截断后剖分为多片再进行展平，其展平幅面小、生产效率低、成本高，难以实现规模化生产。若能将圆筒形竹材通过简单的方法和设备展平成平直状，保证展平板裂纹少、不破裂、力学性能不受影响，将为竹材的工业化利用开辟新的途径[8]。本文探讨了毛竹筒高温软化展平对毛竹材及展平板的显微构造和力学性能的影响，以期为展平板的后续加工利用提供理论支持。

1 试验材料与仪器

试验原材料选取5年生的新鲜毛竹材，产地浙江丽水，由浙江德长竹木有限公司提供。竹材含水率为33%～45%，直径壁厚8～12 mm，竹筒弯曲度≤1.5%，无明显缺陷。毛竹材试件的软化条件为软化温度180℃、时间6 min；毛竹材展平后的展平板。

试验仪器有:MJ6113圆锯机、万能力学试验机、AS971含水率测定仪 (深圳市富兰克电子有限公司生产)、AG204固体密度计、SS-550扫描电子显微镜(日本岛津公司生产)、精度为0.02 mm的游标卡尺等。

2 试验内容与方法

2.1 扫描电镜

将毛竹材各试件制成极薄小试块，分别制取横、弦、径3个切面，放入抽真空喷金设备中进行喷金，使其均匀地覆盖在试件的表面。然后将试件放入扫描电镜样品托上放大500倍进行观察。

2.2 毛竹材及展平板物理力学性能测试

将同竹龄、同部位的毛竹材、软化后毛竹材试件及展平板制成规定尺寸，分别测量其顺纹抗拉强度、弦向静曲强度、弹性模量、顺纹抗拉强度和密度。力学性能具体测试方法依据GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》进行。密度测定采用AG204型排液法固体密度测定仪、以酒精为介质、进行12次平行测量，取平均值。

3 结果与分析

3.1 毛竹材及展平板显微结构

采用切片法用SEM对毛竹材及展平板进行显微结构观察 (图1—图3)。可以看出，毛竹原材维管束之间主要由薄壁细胞组成，竹材薄壁细胞主要是长圆形或短圆形 (图1)；当毛竹材经过高温蒸汽软化处理后，一部分薄壁细胞发生轻微变形，圆形发生扭曲，但基本形状并未发生变化 (图2)；将软化后的毛竹材展平，在扫描电镜下观察发现，毛竹材中原本呈圆形的基本组织出现了压缩变形，变形较为严重，且竹材维管束组织中的孔隙在展平后也观测不到了 (图3)。这是因毛竹材受到展平过程的应力所致。

3.2 毛竹材及展平板物理力学性能

毛竹材的力学性能是评价其品质的重要指标之一，静曲强度表征竹材承受横向载荷的能力，弹性模量表征竹材抵抗变形能力的大小，抗压强度表征竹材受到外力的最大程度，抗拉强度表征竹材受拉断裂前的最大应力。经过软化处理前后毛竹材及展平板的物理力学性能测试结果如表1所示。由表1可见，毛竹材在经过软化处理后，竹材试件的各个物理力学性能均发生降低，且降低幅度较大。对软化后的毛竹材进行展平后，其物理力学性能又呈现增加。在高温和过热蒸汽的软化作用下，竹材的化学成分会发生变化，对竹材具有一定的增塑作用，同时竹材中的抽提物会部分抽提出，因此经过软化的竹材试件物理力学性能发生降低。将其置于展平机中展平，受到展平机对毛竹筒的展平力，竹材维管束受到挤压，其密度及力学性能等又会发生增大。

图1 毛竹原材的显微结构 (左图为横切、中图为弦切、右图为径切，下同)

图2 软化后毛竹材的显微结构

图3 毛竹展平板的显微结构

表1 毛竹材物理力学性能测试结果

与原竹材的物理力学性质相比，毛竹展平板的密度和抗弯弹性模量分别增加4.40%和6.76%，静曲强度、顺纹抗压强度和顺纹抗拉强度分别降低4.35%、4.32%和20.52%。原竹材在软化展平后，竹材大部分受到压缩，内部空隙发生变形，纤维薄壁细胞被密实化，宏观上可以看到展平板的密度大于原竹材的密度。静曲强度和弹性模量这2个性能特征对展平板的加工利用较为重要，可以看到展平板的静曲强度和弹性模量相对于原竹材变化不大，不影响展平板的后续加工利用。竹材展平后的顺纹抗拉强度发生较大幅度的降低，表明在对展平板的后续加工利用中应尽量避免在顺纹拉伸上的应用。

4 小结

研究显示，竹材经过软化后，薄壁细胞变形较小，软化对竹材的增塑作用使其物理力学性能发生大幅度降低。软化后的竹材经过展平后，其薄壁细胞之间相互挤压，变形较大。除顺纹抗拉强度外，相对于原竹材，展平板的物理力学性能变化不大，基本不影响其后续的加工利用。

[1] 黄梦雪，张文标，张晓春，等.竹材软化展平研究及其进展[J].竹子研究汇刊，2015，34(1):31-36.

[2] 谢力生，张昭霖.新型竹平板制造技术[J].木材加工机械，2000(2):10-13.

[3] 吴勇为，匡鹏，杨忱，等.用于将留竹青竹簧圆弧状的竹材的展平步骤、用该展平步骤的展平方法及展平装置[P].中国专利:200710025460.x.2008-1-9.

[4] 丁定安，孙晓东，涂佳，等.弧形竹片 “剖黄联青”展开工艺研究[J].湖南林业科技，2012，39(4):25 -28.

[5] 钱俊，叶良明，李文珠.毛竹展平的初步研究[J].竹子研究汇刊，1999，18(1):23-26.

[6] Liu J，Zhang H Y，Chrusciel L，et al.Study on a bamboo stressed flattening process[J].European Journal of Wood and Wood Products，2013，71(3):291-296.

[7] 薩如拉，中村晋平，葭谷耕三，等.高圧水蒸気処理による丸竹の新規平板展開法の開発[J].Mokuzai Gakkaishi，2012，58(4):193-200.

[8] 黄梦雪.毛竹筒软化生产工艺及展平板性能研究[D].浙江临安:浙江农林大学，2016.

A Preliminary Study on Microstructure and Basic Properties of Bamboo Flattened Board

Zhang Qian Liang Guangyuan Huang Mengxue Zhang Xiaochun Zhang Wenbiao
(School of Engineering，Zhejiang Agriculture and Forestry University，Lin'an 311300，Zhejiang，China)

In order to expand the subsequent processing and application of bamboo flattened board，Phyllostachys edulis was used in this study for the observation of microstructure and the testing basic mechanic properties.The results indicated that the parenchyma cell of bamboo showed less deformation after the softening treatment，while it had obvious deformation after flattening treatment.Compared with the unprocessed bamboo in physic and mechanic properties，the flattened boards had higher density and modulus of elasticity of 4.40%and 6.76%respectively，while the bend strength，longitudinal compressive strength and longitudinal tensile strength were reduced 4.35%，4.32% and 20.52%respectively.The physical and mechanical properties had little change except longitudinal tensile strength before and after flattening，which had little impact on their follow-up processing and utilization.

Phyllostachys edulis，flattened board，microstructure，physical and mechanical property

10.13640/j.cnki.wbr.2016.06.003

浙江省重大科技专项 (编号:2014C02018；2014C02004)。

张芊，在读硕士，研究方向为竹材工业化利用。E-mail:805272371＠qq.com。

张文标，博士，教授，主要从事竹材加工与利用研究。E-mail:zwb＠zafu.edu.cn。