竹材定向刨花板生产与应用现状及前景

李创业 魏任重 王立鑫 蔡成伟 陆铜华

(千年舟新材科技集团股份有限公司 浙江杭州 310000)

我国现有竹林面积756.27 万hm2， 其中毛竹林面积占竹林面积的70%[1]。 丰富的竹材资源为我国竹产业发展奠定了坚实基础[2-3]。 竹材生长速度快， 成材周期短， 力学性能优异[4-6]， 且具有较强的固碳能力。 因此， 发展竹产业不仅有利于竹资源的开发利用， 而且对于实现碳达峰和碳中和具有重要意义。

竹材定向刨花板与木材定向刨花板的生产工艺类似， 是以经过刨片后的竹材制备一定长度的大片刨花， 再通过干燥、 施胶、 定向铺装、 热压等工序加工而成[7]。 竹材定向刨花板充分利用竹材优良的物理力学性能， 具有竹种适应性强、 原竹利用率高、 物理力学性能优异、 应用范围广泛、经济效益高等优点[8]。 目前， 竹材定向刨花板的研究主要集中在刨片形态、 胶粘剂种类、 组坯方式等板材制备工艺对板材性能的影响， 以及其在建筑、 家具、 地板、 包装等领域的应用及效果。竹材定向刨花板的防腐、 防霉和阻燃等性能也是研究的重要方向。

定向刨花技术是指利用专用设备， 将竹刨片按照一定方向进行排列， 形成单层或多层结构的板坯。 该技术充分利用竹刨片纵向强度高的特点，增大了竹刨片之间的接触面积， 减少了板材内部的孔隙， 提高了板材的强度和尺寸稳定性[9-11]。随着定向刨花技术的发展， 目前已经出现2 种定向结构人造板: 刨花芯表层纵横交错排列组坯的竹定向刨花板(OBSB) 和大长细比刨片沿板长方向定向排列组坯的竹定向刨花层积材(OBSL)，二者在建筑、 建材领域都有着广泛的应用前景[2，12-13]。 然而， 目前在国内竹材定向刨花板的生产与应用尚处于起步阶段， 相关技术和工艺亟待完善， 产品的品质和稳定性亟待提高。 本文综述了竹定向刨花板制备工艺与应用的研究现状，提出了今后的研究重点， 以期为扩大竹材应用范围、 提高竹材利用率提供参考。

1 竹材定向刨花板制备工艺

竹材定向刨花板是一种重要的竹质复合材料，其生产流程包括刨片、 干燥、 施胶、 定向铺装组坯和热压等环节。 与木材相比， 竹材刨片的性能存在较大差异， 因此需要进行有针对性的研究，以优化竹材定向刨花板的生产流程。

1.1 刨片

刨片是竹材定向刨花板生产的关键环节， 直接影响产品的质量和性能[14]。 对以3 种规格的竹刨花[200 mm ×10 mm × 1 mm、 (30～50) mm ×10 mm×1 mm、 细碎刨花(4 目及以下) ] 为原材料进行不同组合制备的竹材定向刨花板研究发现: 尺寸较大的竹刨花因其本身良好的抗弯强度和塑性有效提升了板材强度； 尺寸较小的刨花具有良好的流动性， 有效胶合面积大， 制得的OBSB稳定性好； 将尺寸较小的刨花作为辅助填充物添加， 能够改善单一使用大刨花或小刨花时出现的板材力学性能较低问题[15]。 竹刨片长度影响着板材的力学性能， 板材的静曲强度会随着竹刨片长度的增加而增加， 长度为50、 60 和70 mm 竹刨片制备的板材其静曲强度分别为47.11、 54.62 和55.21 MPa[16]。 刨片的刨花形态也影响着板材的力学性， 增加速生杨木刨片的刨花长度有利于提高板材的静曲强度和弹性模量， 但会降低板材的内结合强度， 增加刨花厚度也会降低板材的物理力学性能， 而刨花宽度则对板材的物理力学性能影响较小[13]。 刘学莘[17]研究发现， 无竹节竹条的力学性能优于带竹节的竹条， 有无竹节对抗压强度、 剪切强度影响不显著， 但对抗弯强度、 抗弯弹性模量以及抗拉强度影响显著。 竹青、 竹黄也影响着竹单板层积材的性能， 去除竹黄的板材性能最好， 其次是去除竹黄竹青的板材， 竹青、竹黄均未去除的板材性能最差[18]。 可见， 竹节、竹青、 竹黄影响着板材的性能， 但是目前关于竹节、 竹青、 竹黄对竹材定向刨花板性能影响的研究较少。

1.2 干燥

干燥方式影响着毛竹细胞壁的孔隙结构， 常规干燥的毛竹细胞壁孔隙率(3.35%) 明显低于冷冻干燥 ( 4.89%) 和 CO2超临界干燥(5.35%)， 表明冷冻干燥和CO2超临界干燥能较好地保存毛竹细胞壁的孔隙结构[19]。 Chen 等[20]对圆竹、 层压竹材和扁平竹板进行干燥发现， 在干燥过程中竹节产生的裂缝要比节间产生的多，其原因是竹节的切向收缩率较大， 节上维管束的增厚和偏移导致了更高的纤维含量和物质密度，从而导致了更大的收缩率。

尽管对于竹材干燥的研究已经得到了广泛关注， 但是对于竹刨片干燥机理的研究相对较少。竹刨片干燥是竹材定向刨花板制造过程中的关键环节， 深入研究竹刨片的干燥机理对于优化竹材定向刨花板的生产工艺、 提高竹材利用价值具有重要意义。

1.3 施胶

施胶量和胶粘剂种类均影响着竹材定向刨花板的力学性能。 3 种施胶量(4%、 6%、 8%) 下竹材定向刨花板的力学性能随着施胶量的增加而增加[21]； 对比三聚氰胺二甲醛(MF)、 三聚氰胺脲醛酚醛(MUPF)、 酚醛(PF) 和聚二苯甲烷二异氰酸酯(pMDI) 4 种胶粘剂对竹定向刨花层积材力学性能的影响发现， pMDI 制备的板材物理力学性能明显优于其他3 种胶粘剂[22]。 王洪艳等[23]研究表明， 氧冷等离子体处理可使竹材胶合强度提高25%～30%。

目前， 对于竹材刨花板施胶的研究较为广泛，但为了提高竹材刨花板的力学性能和环保性， 需要进一步探究适用于竹材的胶粘剂。

1.4 定向铺装组坯

研究表明， 表层定向角对层积材性能的影响较大， 顺纹方向上表层定向角越小， 层积材的静曲强度和弹性模量越大； 芯层定向角对层积材性能的影响较小， 芯层随机铺装在一定程度上有利于层积材的内结合强度的提高[13]。 对称的表面结构可有效避免局部应变集中导致的定向刨花板力学失效， 从而有助于提高定向刨花板的静曲强度[24]。

木材定向刨花板铺装组坯工艺相对较为完善，相对木材而言竹材这方面研究仍有较大差距。 简单地依照木材定向刨花板的铺装组坯工艺来开发生产竹材定向刨花板并不能有效地提高其性能表现及满足生产要求。 因此， 开展竹材定向刨花板竹刨片的铺装组坯工艺研究尤为重要和紧迫。

1.5 热压

热压工艺参数影响着竹材定向刨花板性能。在酚醛树脂条件下， 热压温度为160 ℃时板材性能最好， 温度过高或过低均会造成板材性能下降；随热压压力的增加， 板材力学性能指标明显提高，板材密度也随之提高； 当热压时间为70 s/mm 时，试样的各项性能优异， 热压时间过长或过短， 均导致试样的力学性能下降[21]。

目前， 对竹材定向刨花板热压工艺的研究多集中在热压参数对板材性能的影响方面， 关于缩短热压时间以提高产品工业化生产效率的研究较少。

1.6 竹材定向刨花板制备工艺的发展趋势

竹材定向刨花板的生产制备正朝着自动化和智能化方向迈进， 但距离实现自动化仍然有很长的一段路。 目前， 国内仅云南有一家竹材加工企业具有竹定向刨花板生产线， 并进行工业化生产，难以满足市场需求。 竹材定向刨花板的自动化生产受多方面影响， 竹材的前道加工环节对于定向刨花板的产量具有明显影响。 与木材定向刨花板不同， 竹材壁薄中空、 直径较小、 尖削度大、 结构不均匀， 竹材刨片无法进行大规模批量加工。因此， 需要不断开发和优化竹材前道加工环节的自动化加工设备， 包括去除竹青和竹黄的设备、截断设备、 刨片设备、 干燥设备等。 例如， 可以通过精确调控竹材刨片设备， 以满足刨片尺寸形态和产量的要求； 或者利用竹材维管束排列规整的特点， 开发竹刨片自然干燥设备， 并提取竹材干燥气体中的有益成分(如竹醋液等)， 这样既能够实现节能减排， 又能够达到降本增效的目的。

胶粘剂是竹材定向刨花板的重要原料之一。为解决竹材在粘结性能、 防霉和防腐性方面存在的问题， 需要持续开发适用于竹材性质的胶粘剂，同时根据市场需求开发无甲醛添加的胶粘剂， 生产ENF 级(甲醛释放量≤0.025 mg/m3) 竹材定向刨花板， 满足人们对绿色健康生活的要求。 高密度、 高强度的竹材定向刨花板可以应用于建筑建材等高附加值领域。 然而， 在卸压过程中， 高密度、 高强度的竹材定向刨花板容易出现鼓包、爆板等问题。 因此， 需要开发相应的热压设备，并研究有效的热压工艺， 以提高板材的生产效率和质量。

2 竹材定向刨花板应用

2.1 家具领域

竹材定向刨花板因其优良的物理力学性能，已经在家具领域得到了初步的应用。 除了传统的板式家具连接方式外， 针对竹材定向刨花板的优良性能， 也已经开发出了一些适用于它的新型连接结构。 朱珍珍等[25]采用插接式和连接件作为家具连接方式， 设计了可拆卸竹材定向刨花板家具。张婷婷等[26]使用竹材定向刨花板设计了可多功能组合、 可组装拆卸重复使用的陈列家具， 满足了陈列道具的结构多样性和尺寸可调节性的需求。张倩[27]总结了定向刨花板的外观属性、 力学性能、 加工属性等， 研究了其在家具设计中的应用形式和应用方法， 并以定向刨花板为原材料设计了柜类、 凳类和卧房系列家具。

竹材定向刨花板的强度高、 耐用、 稳定性好等优点使其在家具制造领域有着广阔的应用前景[27]。 随着定向刨花板在家具领域的不断推广应用， 竹材定向刨花板将朝着环保可持续、 轻质高强、 多样化设计和与其他材料结合等方向发展。

2.2 建筑领域

尽管竹材已被广泛应用于工程材料领域， 包括重组竹、 竹集成材等， 但有关竹材定向刨花板在建筑工程领域的应用研究仍相对较少。 孙玉慧[28]以竹定向刨花板为原材料设计制备了竹质工字梁和型材柱， 并研究了其性能， 认为竹定向刨花板在建筑材料方面具有较大的应用潜力。

随着建筑行业对材料强度、 耐久性等要求的不断提高， 如何提高竹材定向刨花板的性能以满足这些要求显得尤为重要。 因此， 逐步完善并提升竹材定向刨花板的性能， 对于建筑建材领域具有重要意义。

2.3 竹材定向刨花板应用前景

竹材定向刨花板的物理力学性能表现出色，具备在产品包装、 家具建材以及装配式建筑等领域广泛应用的巨大潜力。 其板材性能参数、 规格尺寸、 板材功能性以及成板利用方式等均可调整，能够使其满足不同的应用需求。

随着定向刨花板连续化生产线的自动化程度不断提高， 大幅面竹材定向刨花板可被广泛用作包装板。 该板材具有生产简单、 制箱费用低、 板材强度高以及良好的耐水性等优点。 与木材定向刨花板相似， 竹材定向刨花板可通过细表面处理后压贴装饰纸来制备饰面板， 或直接对板材表面进行简单的涂饰处理。 竹材定向刨花板的板材表面纹理自然粗犷， 具备独特的装饰效果， 适用于家具、 建材领域。 近年来， 我国大力推广装配式建筑， 并通过相关利好政策大力扶持行业发展。然而， 国内的装配式建筑研究主要集中在混凝土结构方面， 对竹木结构装配式建筑的研究相对较少。 竹子具有较好的固碳能力， 因此开发以竹材定向刨花板为原材料的预制装配式建筑， 能够有效降低能源消耗和环境污染[29]。

3 结论与展望

竹材定向刨花板具有优异的力学性能和稳定性， 在建筑、 家具等领域具有广泛的应用前景。目前， 竹材定向刨花板在国内尚处于起步阶段，还需要进一步完善相关技术和工艺， 提高产品的品质和稳定性。 同时， 竹材定向刨花板的市场需求不断增加， 还需要加强与市场的联系， 不断拓宽应用领域， 推动产业发展。 未来， 随着人们对健康环保和可持续发展的要求不断提高， 竹材定向刨花板将会得到更广泛的应用和推广， 成为建筑和家具领域的主流产品之一。 满足未来需求，竹材定向刨花板应重点开展以下研究。

1) 提高竹材定向刨花板的强度和稳定性。 目前， 竹材定向刨花板的强度和稳定性还有一定的提升空间， 高强度竹材定向刨花板的相关生产工艺参数可以实现其自上而下的性能调控， 不同性能的竹材定向刨花板能够满足其在不同领域的应用。 应探索新的加工工艺和技术， 使竹材定向刨花板能够更好地满足各领域的应用要求。

2) 加强竹材定向刨花板在室内装饰领域的应用研究。 随着人们对室内环境和健康的要求越来越高， 竹材定向刨花板将会成为健康环保的室内装饰材料。 应不断探索竹材定向刨花板的表面处理技术， 使其具有更好的防水、 防潮、 防火等性能。

3) 探索竹材定向刨花板在外墙保温材料、 屋顶材料、 建筑材料等领域的应用。 竹材定向刨花板具有很好的保温、 隔热和力学性能， 应不断探索竹材定向刨花板在外墙保温材料、 屋顶材料、结构建筑等领域的应用， 为建筑行业提供更加环保、 高效的建筑材料。

4) 实现竹材定向刨花板的智能化生产。 竹材加工是劳动密集型产业， 从砍伐运输到生产加工都需要较多的人工参与， 因此， 提高竹材定向刨花板的生产质量和效率离不开竹材自动化、 智能化处理设备的研究。 未来的研究应集中在竹材自动化砍伐运输设备、 竹材加工自动化设备、 竹材定向刨花板连续智能化生产线等方面， 以点带面推动整个竹产业发展。