基于毛竹材的竹重组材关键技术研究

林海青

(永安市林业局 福建永安 366000)

基于毛竹材的竹重组材关键技术研究

林海青

(永安市林业局 福建永安 366000)

以毛竹为实验材料，研究了竹重组材在生产过程中冷压工艺和热压工艺的关键技术参数对竹重组材性能的影响。结果表明：1)采用冷压工艺时，用胶量对产品的胶合强度和膨胀率影响明显，用胶量为10%时生产的竹重组材具有较好胶合强度和吸水膨胀性能；竹束含水率为12%时其产品力学强度最好；竹重组材的密度越高，其各项性能指标就越好；加热温度为135 ℃时，产品的各项性能最佳；加热时间选择15 h较为合适。2)采用热压工艺时，较优热压工艺条件为单位压力2.0 MPa、热压温度145 ℃、热压时间1.7 min/mm；此工艺流程大大提高了生产效率，降低了生产能耗。

竹重组材；冷压工艺；热压工艺；毛竹

竹重组材是一种以竹材为主要原料，经过碾压、干燥、施胶、后干燥、组坯成型等加工工艺热压而成的板状或其他形式的新型竹基材料[1]。竹重组材的最大特征是竹材单元横向松解、纵向相连，单一方向铺装，充分利用了竹材纤维材料的固有特性，既保证了竹材的高利用率，又保留了竹材原有的物理力学性能[2-3]。重组材的压制是竹重组材生产的核心技术。根据加压与加热的顺序，压制工艺分为冷压工艺和热压工艺2种。冷压工艺是将浸胶干燥后的竹材先加压固定在模具内，然后再进行加热固化，从而使不规则的竹束充分胶合成板材。冷压工艺的局限性在于密度过大、内应力过大，造成原材料浪费和应力平衡时间延长；同时由于生产工艺需要很大的单位面积压力，生产出的板材规格受到限制，影响板材的二次加工。热压工艺是将浸胶后的竹材直接放入模具内，边加压边加热进行固化。毛竹分布广、面积大、产量高，是生产竹重组材的理想原料。本文以毛竹(Phyllostachysedulis)为主要材料试验研究了竹重组材冷压和热压工艺的关键技术环节，以期为毛竹重组材连续化、规模化生产提供数据参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

毛竹采自福建永安市郊区，为3～7年生毛竹。竹材胸径70～100 mm，壁厚5.0～12 mm。

胶粘剂为酚醛树脂胶，由福建永林竹业有限公司生产，固含量为50%，pH值9.0，使用时用水稀释成固含量为25%。

1.2 主要试验设备

竹材碾压机，由福建省永林竹业有限公司研制，用于将竹条分解成横向松散、纵向相连的网状竹束；冷压机，为下压式冷压机，最大压力为2 000 t，由青岛国森公司生产；模具，由福建省永林竹业有限公司研制；加热固化窑，规格为300 cm × 300 cm × 300 cm，采用蒸汽散热片加热；竹材干燥设备，由福建省永林竹业有限公司研制，干燥能力为1 t/h，温度55～85 ℃，连续进料；万能力学试验机，由济南硕通电子有限公司生产，型号LLF，量程10 kN，可测量产品弹性模量、静曲强度、内结合强度、抗弯强度等物理力学性能[4]。

1.3 试验方法

1.3.1 竹材预处理

1) 竹材剖分。将不同部位、不同胸径的竹子用不同的剖分刀切成竹片，宽度通常为20 mm或25 mm，再将竹青和竹黄去除，竹片厚度分2～4 mm、5～7 mm、8～10 mm 3种。

2) 竹材疏解。即将竹条分解成横向松散、纵向相连的过程，采用2.0～2.5 mm厚的碾压片滚压而成。

3) 竹材炭化。根据不同的色度要求采用的蒸汽压力有0.2～0.5 MPa，炭化周期为2～5 h/次。

4) 竹材干燥。采用窑干法，可以实现高温(80 ℃)快速干燥，最终含水率达到8%时，干燥周期为14 h。

1.3.2 冷压生产工艺

包括竹材的称重、装料、压制、紧固、加热固化、冷却、拆模和平衡8道工序。

采用单因素试验法，试验施胶量、竹束含水率、密度、加热温度、加热时间(试验设计当施胶量10%、竹束含水率15%、密度1.05 g/cm3、加热温度135 ℃时，加热固化时间分别为10、12、14、16、18、20 h)等因素对竹重组材性能的影响。压制产品规格为1 880 mm × 105 mm × 140 mm。

1.3.3 热压生产工艺

采用L9(34)正交试验设计，试验热压温度(130～160 ℃)、热压压力(1.5～2.5 MPa)和热压时间(1.5～1.9 min/mm)对竹重组材的化学性能和物理力学性能的影响。压制产品规格为500 mm × 500 mm × 20 mm。

1.4 检测方法

参照GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》、GB 18580-2001《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》和GB/T 13942.1-1992《木材天然耐久性试验方法木材天然耐腐性实验室试验方法》检测竹重组材的密度、含水率、纵向静曲强度(MOR)、纵向弹性模量(MOE)、耐磨性(磨耗量)、耐化学腐蚀性、甲醛释放量和天然耐腐性等各项性能。参照GB/T 17657-1999中4.5的方法检测吸水厚度膨胀率(TS)。

2 结果与分析

2.1 冷压生产工艺对竹重组材性能的影响

2.1.1 施胶量对产品性能的影响

施胶量是指每1 000 kg绝干竹材所添加的胶粘剂的固含量，试验采用烘干后的本色竹束进行不同施胶量的测试。试验结果显示，竹重组材的MOR和MOE随着施胶量的增加而提高，但施胶量超过10%后其影响程度逐渐减缓。当施胶量为10%时，生产的竹重组材其MOR及MOE超过混凝土模板用胶合板这2项性能的最大指标值，完全能够满足室内装修用材如家具、门、门框、室内隔板、工艺品等用材要求，对于户外用材则选11%～12%的施胶量为佳。施胶量越大，产品的TS越小，主要是由于随着施胶量的增加，竹束胶结面积增大，板材内部间隙减小，水分难以进入，防水效果越好。但施胶量也不宜过大，在增大胶粘剂用量的同时也增加了生产成本[5]。

2.1.2 含水率对产品性能的影响

含水率是指浸胶后的竹束经干燥后，水分占竹束浸胶后绝干质量的百分数。含水率的高低对胶合强度和固化后的尺寸稳定性有决定性的影响。试验结果显示，当竹束含水率从4%升高到12%时，产品的MOR和MOE随着竹束含水率的升高而提高；当竹束含水率由12%上升到20%时，产品的MOR与MOE则会降低，这主要是由于竹纤维强度本身会随着吸着水的增加而下降，在达到纤维饱和点时，强度达到最低值。竹束含水率越高，其传热效果越好，使得酚醛胶固化程度越高，因此其TS越低[5]。

2.1.3 板材密度对产品性能的影响

竹重组材的密度是指压制后竹重组材单位体积的绝干质量。竹重组材的密度高低对材料的胶合强度和固化后的尺寸稳定性具有决定性的影响。试验结果显示，竹重组材的密度对产品的MOR和MOE影响显著。MOR和MOE随着密度的增大而提高，TS随着密度的增大而降低，这是由于密度增大后不仅增加了单位体积内的竹材组织实质质量，同时也增加了竹束之间相互胶合的机会[5]。但当密度大于1.1 g/cm3时，对产品性能的提高逐渐减弱，因此产品的适宜密度为0.9～1.0 g/cm3，密度太高则浪费原料，密度过低又达不到所要求的强度。

2.1.4 加热温度对产品性能的影响

加热温度是指对浸胶后竹束经压制后进行加热的温度。试验结果显示，竹束的塑性在105～135 ℃范围内随着温度的升高而增强，胶粘剂固化程度也越好，因而产品的MOR和MOE越好，TS在135 ℃时达到最佳值。当加热温度为135～155 ℃时，产品的物理力学性能逐渐下降，这是由于后期随着温度的持续升高，竹材中的化学成分如纤维素、半纤维素、木素和其他一些碳水化合物在高温下发生降解，以及酚醛树脂胶过度固化变脆，因此产品的MOR和MOE逐渐降低。

2.1.5 加热时间对产品性能的影响

加热时间是指对浸胶干燥后的竹束进行加热的时间，决定了胶粘剂的固化程度和生产效率，影响着胶合强度和固化后的尺寸稳定性。试验结果显示，产品的MOR与MOE在前16 h内随着加热时间的增加而提高，其TS在14 h时最小。当加热时间在14～16 h时，该因子影响程度逐渐减小，超过16 h后MOR和MOE反而降低。加热时间对竹重组材的TS影响直接，若低于14 h，则板坯内的酚醛树脂胶未能充分固化，导致产品的TS过高，不能满足产品的质量要求；超过16 h时又会导致酚醛树脂胶热解，TS变大。因此，加热时间选择15 h较为合适。

2.2 热压生产工艺对重组竹材性能的影响

2.2.1 热压压力对产品性能的影响

热压压力主要是克服竹纤维束的反弹力，进一步排挤出竹重组材中的空气、水分，增大竹纤维束之间的接触面积，以达到产品厚度和密度的要求。热压压力的大小直接影响竹纤维束之间的接触面积、竹重组材厚度等。试验结果显示，在试验压力1.5～2.5 MPa范围内，当压力小于2.0 MPa时，产品的耐酸性、耐碱性、浸渍剥离率和MOE等性能指标随着压力的增大而增强；当压力大于2.0 MPa时，这些性能指标随着压力的继续增大而减弱；随着压力的增大，产品吸水厚度膨胀率、耐沸水性、耐盐性、耐磨性和MOR等性能指标逐渐增强，但当压力大于2.0 MPa时，这些性能指标随着压力的继续增大而增强的趋势变缓[4]。

2.2.2 热压温度对产品性能的影响

热压时采用温度的高低直接影响了竹纤维束的热软化、热固性酚醛树脂的流动性、热固性酚醛树脂固化速度等。为保证竹重组材完全固化，必须强化传热，从而缩短热压时间，提高生产效率，故在生产中常选用较高热压温度。在试验热压温度130～160 ℃范围内，随着温度的增加，产品的MOR、MOE、耐沸水性和耐磨性等指标逐渐增强，但当温度高于145 ℃时，产品的这些性能指标变化逐渐成平缓趋势。

2.2.3 热压时间对产品性能的影响

热压时采用的压力和温度都需要一定的时间，才能保证压力的传递和热量的传导。热压时间的长短影响直接影响着竹纤维束的软化程度、酚醛树脂固化程度等，进而影响产品的物理化学等强度指标；另一方面，从产业生产上看，时间过长，增加了能耗，增加了生产成本，从而降低了生产效益。在保证最佳产品质量的前提下，热压时间宜短[6]。在试验的热压时间1.5～1.9 min/mm范围内，当热压时间小于1.7 min/mm时，产品的MOR、MOE、耐沸水性、耐盐性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标随着热压时间的延长而增强；但当热压时间超过1.7 min/mm时，随着时间的继续延长，产品的MOE、耐沸水性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标逐渐减弱，而MOR、耐盐性、吸水厚度膨胀率和浸渍剥离率等性能指标变化呈变缓趋势[4]。

2.2.4 热压工艺综合选择

热压压力对竹重组材MOE和MOR影响都是显著的，热压时间对竹重组材MOR影响显著。竹重组材的MOE和MOR随着热压3个要素的增加而增强，在压力为2.0 MPa、温度为145 ℃、时间为1.7 min/mm时，竹重组材弹性模量试验数据相对较好。因此，以竹重组材的MOE和MOR为平衡指标，较优热压工艺条件为：压力2.0 MPa，温度145 ℃，时间1.7 min/mm。热压压力对竹重组材耐酸性影响也是显著的。竹重组材耐酸性随着温度的提高而减弱，在压力为2.0 MPa、温度为130 ℃、时间为1.7 min/mm时，竹重组材耐酸性试验数据相对其他水平较好。因此，以竹重组材耐酸性为平衡指标，较优化热压工艺条件为：压力2.0 MPa，温度130 ℃，时间1.7 min/mm。热压3个要素对竹重组材其他性能影响均不显著，故从竹重组材强度和耐酸性方面考虑，竹重组材综合的较优热压工艺条件为：压力2.0 MPa，温度145 ℃，时间1.7 min/mm。

3 小结

采用冷压工艺时，用胶量对产品的胶合强度和膨胀率影响明显，用胶量为10%时生产的竹重组材具有较好胶合强度和吸水膨胀性能；竹束含水率为12%时其产品力学强度最好；竹重组材的密度越高，其各项性能指标就越好；加热温度为135 ℃时，产品的各项性能最佳；加热时间选择15 h较为合适。

采用热压工艺时，综合考虑热压压力、温度和时间等3个要素对竹重组材各种性能的影响，较优热压工艺条件为：压力2.0 MPa，温度145 ℃，时间1.7 min/mm。采用这一生产工艺可使压制时间大大缩短，从而提高生产效率，降低生产能耗。

[1] 朱一辛, 饶文彬, 关明杰, 等. 木竹重组材研究进展及开发前景[J]. 林业科技开发, 2003, 17(6): 6-7.

[2] 李霞镇, 任海青, 钟永. 现代竹结构建筑在我国的发展前景[C]. 黑龙江牡丹江市: 中国木结构技术及产业发展高峰论坛, 2011.

[3] 李琴, 华锡奇, 戚连忠. 重组竹发展前景展望[J]. 竹子研究汇刊, 2001, 20(1): 76-80.

[4] 戴恁. 热压工艺对竹重组板材性能的影响[J]. 林业机械与木工设备, 2012(5): 32-36.

[5] 李权, 杨明杰, 陈林碧, 等. 工艺参数对竹重组材性能的影响[J]. 福建林学院学报, 2011, 31(2): 189-192.

[6] 欧阳琳. 中密度纤维板生产工艺学[J]. 北京木材工业, 1994(1): 4-39.

Research on the Key Techniques of Recombined Bamboo Materials Based onPhyllostachysedulis

Lin Haiqing

(FujianYong’an forest bureau，Yong’an，Fujian 366000，China)

The effects of key technical parameters produced by cold-pressing and hot-pressing processes on the performance of recombined bamboo materials were explored by usingPhyllostachysedulisas materials．The results indicated that the glue consumption had significant effect on the bonding strength and expansion rate of the products, in which 10% glue consumption produced the recombined bamboo materials with better mechanical properties and waterproofing effect. The products had the best mechanical properties when the moisture content of bamboo was 12%. The higher the density of bamboo heavy components, the better the performance indicators, the best mechanical properties were achieved when the temperature was 135 ℃,and the suitable heating time was 15 h．The optimum hot-pressing process for recombined bamboo materials ofPh.eduliswas 2.0 MPa at 145 ℃ for 1.7 min/mm. This process improved the production efficiency and reduced the energy consumption significantly.

recombined bamboo materials, cold-pressing process, hot-pressing process,Phyllostachysedulis

林海青，林业高级工程师，主要从事竹林培育和笋竹产业发展工作。E-mail: l13605989676@163.com。

10.13640/j.cnki.wbr.2017.03.004