竹材构造对其软化展开槽的影响研究

张 芊，梁广元，张晓春，张文标,王上通，李朝斌

(1.浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300；2.浙江德长竹木有限公司，浙江 庆元 323800；3.双枪竹木科技股份有限公司， 浙江 杭州 311100)

竹材构造对其软化展开槽的影响研究

张 芊1，梁广元1，张晓春1，张文标1,王上通2，李朝斌3

(1.浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300；2.浙江德长竹木有限公司，浙江 庆元 323800；3.双枪竹木科技股份有限公司， 浙江 杭州 311100)

为了探究毛竹材构造特性对竹筒展开槽及软化效果的影响，选用壁厚、壁腔比、部位、去青与否、竹节个数等不同构造的毛竹筒在温度180 ℃，时间6 min软化生产工艺条件下进行软化实验，测量分析软化前后的展开槽大小。结果表明：毛竹筒构造特性对竹筒软化展开槽有不同程度的影响，去青和竹节个数对展开槽的影响最显著。毛竹壁厚对软化展开槽的影响较小，不同壁厚毛竹筒的展开槽相差不明显；毛竹筒壁腔比对展开槽的影响较大，竹材壁腔比越小，竹材软化的效果就越好；竹材基部到梢部的展开槽变化呈增大的趋势；去除竹青处理可使展开槽显著增大；竹节个数越多，展开槽就越小。

毛竹材；毛竹筒；构造特性；展开槽

随着“以竹胜木”的发展和竹材利用的深化及拓宽，近年新出现了竹展平板的开发利用，它是提高竹材利用率的最有效方法之一。竹材展平板是将软化后的竹筒在压机辊轴压力作用下展成保持最大限度厚度和宽度平直状的竹板材。在竹筒展平过程中，竹材的软化和展平是其中的重要工序，软化温度是直接影响竹筒展平效果的关键因素[1]。黄梦雪等[2]研究发现，当软化温度和软化时间分别为180 ℃和6 min时，软化效果较好。在竹筒软化前，在其表面需加工一条线槽称为展开槽，竹筒展开槽是竹筒软化展平工艺中不可缺少的重要工序。竹筒展开槽软化前后的展开槽大小变化反应了竹筒软化的程度和效果，竹筒展开槽的越大，则竹筒的软化效果越好。

目前对于竹材软化工艺方面有研究文献报道[3-5]，而对竹筒的软化工艺，尤其是竹筒展开槽大小的影响因素尚且缺乏。本文通过对竹材不同构造特点的毛竹筒进行软化展平测试，分析对比毛竹筒经过软化展平后的展开槽大小，来研究壁厚、壁腔比、部位、去青、竹节等因素对毛竹筒软化效果的影响，为毛竹筒软化及后续展平的技术应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

5年生的新鲜毛竹材，含水率介于33%～45%，壁厚7～15 mm，外径80～150 mm，无明显缺陷。由浙江德长有限公司提供。

1.2 试验仪器与设备

DC-2500高温热处理罐、DC-05竹筒去节机，浙江德长竹木制品有限公司；MJ6113圆锯机，上海森林木机设备有限公司；DHG-9023A电热恒温鼓风干燥箱，杭州蓝天化学试验厂；AB204-N电子天平，上海光正医疗器有限公司；AS971含水率测定仪，深圳市富兰克电子有限公司；精度0.02 mm游标卡尺；其他卷尺、记号笔等。

1.3 试验方法

分别研究不同壁厚、壁腔比、部位、去青与否、不同竹节个数的毛竹筒试样，沿竹筒纤维方向在圆锯机上开一条细槽，然后将开有槽的竹筒一起放入软化温度温度180 ℃，时间6 min的高温热处理罐中软化，分别测量软化前后竹筒外径展开槽两端和中间的宽度，取其平均值。找出竹筒构造特性和展开槽之间的变化规律及对后续展平板质量影响因素。

1.3.1 不同壁厚竹筒试验 从毛竹中部截取长180 mm、无节、壁腔比为11%～12%的竹段，将竹段按壁厚分成<9 mm、9～10 mm、10～11 mm、>11 mm 4组并给每段竹筒编号。

1.3.2 不同壁腔比竹筒试验 从毛竹中部截取长约180 mm且无节的竹段，将竹段按壁腔比 9%、10%、11%、12%、13%、14%分为6组，并给每组竹筒编号。

1.3.3 不同部位竹材试验 分别从毛竹基部、中部、梢部截取180 mm长、无节、壁腔比为11%～12%竹段，将竹段按部位分为基部、中部、梢部3组，并给每组编号。

1.3.4 去青竹筒试验 在竹子中部截取180 mm长，无节，壁腔比为11%～12%的毛竹筒，分为2组，一组进行去青处理，另一组保留竹青试样用于对比。

1.3.5 不同竹节个数竹材试验 为保证毛竹在相同长度的情况下有不同数量的竹节个数，在毛竹基部截取长为60 mm、壁腔比为11%～12%、竹节数不同的毛竹筒，按竹节数1、2、3、4分成4组，并给每段竹筒编号。

2 结果与分析

2.1 壁厚对竹材软化展开槽的影响

图1 壁厚对展开槽大小的影响Fig.1 The influence of wall thickness on the open groove size

图2 壁腔比对展开槽大小的影响Fig.2 The influence of wall to cavity ratio on the open groove size

将相同部位、长度、壁腔比且无节的竹筒按壁厚分成4组后的软化结果见图1。从软化前后的展开槽大小来看，不同高度毛竹筒的软化前展开槽大小在1.41～2.32 mm之间，软化前的展开槽受壁厚影响较小。软化后展开槽大小在7.41～8.54 cm之间，壁厚为<9 mm、9～10 mm、10～11 mm、>11 mm时的软化后平均展开槽大小分别为7.96、8.33、8.21、7.85。图1对软化后展开槽大小变化进行了曲线拟合，拟合曲线公式为y=-13.207 9+4.348 02x-0.219 27x2，观察图像可以发现壁厚为8～10 cm时，展开槽的变化表现为随着壁厚的增加而增长的趋势；10～12 cm时，展开槽的变化表现为随着壁厚的增加而减小的趋势。从整体看，展开槽变化表现出先增大后减小的趋势。而不同壁厚的展开槽变化在8 cm上下0.5 cm的范围内波动，波动范围较小，所以不同壁厚毛竹材的展开槽相差不大，即竹壁厚对竹材软化展开槽的影响较小。

2.2 壁腔比对竹筒软化展开槽的影响

毛竹筒的壁腔比为毛竹壁厚与直径的比值。将相同长度、部位且无节的竹筒按壁腔比 9%、10%、11%、12%、13%、14%分为6组后的软化展开槽结果如图2。所有试件的软化前展开槽大小在1.22～2.60 mm之间，随机分布于各组。软化前的展开槽受壁腔比影响较小。软化后展开槽大小在36.17～198.18 mm之间。由图中可以看出毛竹筒的壁腔比越大，则软化展开槽变化越小。竹筒的直径增大，竹材的曲率则减小，软化时竹筒展开槽在展开时受到的反向弯力也越小，竹筒更容易展开，竹筒软化的效果就越好。在壁厚一定时，对于直径比较大的竹筒，壁腔比也越小，展开槽变化则越大。竹材直径一定是时，毛竹筒壁厚越大，则壁腔比越大，展开槽变化越小。可见壁腔比对竹材软化展开槽的影响较大。

图3 部位对展开槽大小的影响Fig.3 The influence of bamboo culm position on the open groove size

2.3 毛竹部位对竹筒软化展开槽的影响

将相同长度、壁腔比且无节的竹材按部位不同分组后的软化展开槽结果见图3。竹筒展开槽变化从基部到梢部呈现出递增的趋势。竹材从根部起约1.5 m左右高度内竹壁特别厚，由此厚度减薄率大，直至2.0 m高度，再以后厚度的减薄率开始趋缓，直径的变化也有类似的趋势。因此毛竹基部竹壁较厚，梢部曲率半径较小。竹材由根部到梢部的曲率逐渐减小，软化时受到的反向弯力也越小，展开槽的变化就越大，则竹筒越容易展平，竹筒的软化效果也越好。另一方面，随着取材部位的升高储存模量逐渐降低，在同一温度下，毛竹的储存模量与高度成负相关[6，11]。这说明毛竹的刚性从基部到梢部呈下降的趋势。

根据高聚物的粘弹性理论可知：竹材试样的玻璃化转变温度与纤维素、半纤维素和木质素的玻璃化转变温度以及三者之间的混溶性有关[7]。同一根竹材不同部位的化学组分的分布有着显著的差异。从整竹而言,木质素、综纤维素从根部到梢部逐渐增加；半纤维素含量呈逐渐下降趋势,α-纤维素含量没有显著变化[8]。同时毛竹材的玻璃化转变温度与交联程度成正有关。毛竹材有机成分的交联程度随其高度的增加而降低。研究可知同一年龄不同高度毛竹加工的竹单板试样的储存模量不同[9]。基部的毛竹材的玻璃化转变温度和损耗模量要略高于梢部处的，导致了在同一温度下，竹材的储能模量和损耗模量随着毛竹高度的增加而降低。[10]即越靠近梢部的地方，刚性越小，抗弯曲性能越低。因此竹材基部到梢部的展开槽变化呈增大的趋势。

2.4 去青对竹筒展开槽的影响

从软化前后的展开槽大小来看，未去青毛竹筒的基部、中部和梢部3个部位的平均展开槽软化后分别增大5.81 cm、8.01 cm和7.11 cm；去青毛竹筒的基部、中部、梢部3个部位的平均展开槽软化后分别增大10.58 cm、11.66 cm和9.59 cm。总体去青毛竹筒比未去青毛竹筒的平均展开槽增大31%。可知在相同软化工艺处理情况下，去除竹青处理对软化前后的展开槽有很大影响，不去竹青展开槽宽度远远小于去竹青展开槽宽度。从图4中可直观看出在相同部位、壁腔比和胸径相差在一定范围内的条件下，去竹青毛竹筒相对未去青毛竹筒的软化前后展开槽宽度明显增大，说明去青软化效果更好，易于后续展平。

图4 去青处理对展开槽大小的影响Fig.4 The influence of bamboo outer layer removal on the open groove size

图5 竹节对展开槽大小的影响Fig.5 The influence of node number on the open groove size

竹材不同竹壁部位的动态粘弹性是影响竹材材性和利用的重要因素。毛竹材的表面主要以木质素和各种抽提物为主，而纤维素和半纤维素含量明显低于木质素和抽提物[11]。竹青部位的木质素和a-纤维素均比竹肉和竹黄稍高，维管束比较密集，木纤维比较多，并含有蜡质。维管束是竹子的通导组织与强固组织的综合体[12]，竹材维管束越密集的地方刚性越大。

根据相关研究显示[13]：竹青部位的纤维素、木素和半纤维素的百分含量分别为43.68%、30.33%和22.94%；而竹黄部位的分别为34.79%、26.76%和21.53%。由此可见竹青部位各种有机组成成分均高于竹黄部位。竹青部位的1%NaOH、苯醇抽出物较竹黄稍高，而冷水、热水抽出物稍低[14]。竹青部位有机成分的交联程度大于竹肉和竹黄部位，导致了毛竹材储能模量和损耗模量沿着竹壁径向由内而外依次增大，即靠近竹青部位最大，刚性最大。因此，相对竹黄和竹肉，竹青其强度较高、硬度较大，会影响到软化处理的效果。对毛竹筒进行去青处理后，改变了竹材的表面状态，实质上也减小了竹材的横向弹性模量，从而减小了竹材软化时展开槽增大收到的反向弯曲应力，排除了竹青对竹筒的约束力，在温度作用下，容易使竹筒展开槽展开。

2.5 竹节对竹材软化展开槽及展平效果的影响

竹节把竹秆分成若干个竹段，竹秆内空腔于竹节的位置上通过竹隔来分隔竹秆。竹材维管束在竹节间平行排列，纹理一致，但竹节部分曲折蜿蜒，盘绕繁复[15]。在毛竹材的软化展平过程中不可避免的会有竹节的存在，而竹材的竹节与竹间的特征差异，对竹材的弯曲会产生不利影响。在基部截取不同竹节数的毛竹筒，选取壁腔比为11%的毛竹筒，对其进行软化展平后的展开槽大小结果见图5。从软化前后的展开槽来看，不同竹节个数毛竹筒的软化前展开槽大小在1.47～2.04 mm之间，软化后展开槽大小在5.48～8.03 cm之间，软化前后展开槽均随竹节个数的增加而减小。

竹间的纤维排列整齐沿着纵向通直贯穿，到达竹节时，其走向发生了纵横交错。有些由内侧拐向了外侧后继续纵向延伸，而有些则由外侧拐向内侧后继续纵向延伸或者直接进入竹节的节隔部分，而且竹节上的维管束有一定的增粗现象，竹节部分竹壁厚度相对大于节间部分[16-17]。竹节处的维管束特性、竹节及相邻节间壁厚不均、表面不平整等原因共同导致了在展平过程中竹节部分会发生应力集中。因此，毛竹节子数对展开槽有很大影响，竹节越少，对竹筒的束缚作用越小，越有利于软化。

3 结论

毛竹壁厚对竹材软化展开槽的影响较小，竹筒壁腔比、部位、去青与否、节子对软化展开槽的影响较大。不同壁厚的展开槽变化在8 cm上下0.5 cm的范围内波动，不同壁厚毛竹材的展开槽相差不大；竹筒壁腔比为9%、10%、11%、12%、13%和14%的竹筒展开槽平均变化分别为144.05 mm、123.44 mm、118.90 mm、82.57 mm、84.28 mm和71.54 mm，竹筒壁腔比越小，竹筒软化的效果越好；竹筒基部到梢部的展开槽变化呈增大的趋势；去竹青毛竹筒相对未去青毛竹筒展平槽宽度平均增大31%，去青毛竹筒的软化效果更好，易于后续展平；毛竹筒节子个数对软化效果有显著影响，软化前后展开槽均随竹节个数的增加而减小，竹节的个数越多软化展开越困难。

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The Effect of Structural Properties of Moso Bamboo on the Open Groove

ZHANG Qian1, LIANG Guang-yuan1, ZHANG Xiao-chun1,ZHANG Wen-biao1, WANG Shang-tong2, LI Chao-bin3

(1.School of Engineering, Zhejiang A & F University, Lin′an 311300, Zhejiang, China;2.Zhejiang Dechang Bamboo & Wood Co.Ltd, Qinyuan 323800, Zhejiang,China;3.Suncha Bamboo & Wood Co.Ltd, Hangzhou311100, Zhangjiang,China)

In order to explore the influence of structural properties of bamboo on the open groove and the softening effect. Bamboos with various wall thickness and different ratio of wall to cavity, from different parts, with different number of nodes, with or without skin inPhyllostachyseduliswere chosen as samples. All samples were softened at 180 ℃ for 6 minutes. Then, the open groove size was recorded and compared. The results showed that the structural properties of bamboo influenced on the open groove size at various degree. Removing bamboo skin and the number of bamboo nodes influenced on the open groove size the most. The wall thickness had less effect on the open groove size. The ratio of wall to cavity influenced significantly on the open groove size. The softening effect increased with the decrease of ratio of wall to cavity, the smaller the ratio, the better the softening effect. The open groove size increased from the base to the tip of the bamboo. Removing bamboo skin can increase the open groove size. The more the bamboo nodes, the smaller the open groove size.

Moso bamboo; Moso bamboo tube; Structural properties; Open groove

2017-01-14

浙江省重大科技专项(2014C02018);浙江省重大科技专项(2014C02004)

张芊，在读硕士，从事竹材工业化利用方面研究。通信作者: 张文标，博士，教授，主要从事竹材加工与利用方面研究。E-mail:zwb@zafu.edu.cn