竹筒展平板接长方式及层压后对其性能的影响

崔 箫，刘文芳，李文珠，张文标

（浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州311300）

中国竹资源丰富，在竹加工技术研发和产品创新方面，中国整体处于世界先进水平，并提出“以竹代木，以竹代钢”的理论。竹材生长速度快，工业性能优，并且竹材作为一种绿色材料广泛应用于地板［1］、家具［2］、竹炭［3］、纤维［4］及建筑行业［5］等。

竹材展平是提高竹材利用率的最有效方法，近年来许多专家和学者在竹片展平技术上进行了大量探索，主要有介质加热软化展平法，竹材去青、去黄软化展平法，柔性加压展平法等工艺。陈崇正［6］将竹段破成端头5、8或10 cm的竹片，去除竹材的内节与外节后再在其内壁开设浅斜线槽，此方法可降低竹材展平过程中的应力集中现象，中断裂隙的发展趋势，提高竹材展平质量。谢力生［7］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，并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。黄河浪与薛丽丹［8］又提出正反2个方向的展平和2次整平的方法，对20～25 mm宽的竹片依次进行渐变展平、第一次平面展平、反向展平和第二次平面展平，可以使竹片的展开裂隙小，表面仅有细小的龟状花纹，甚至达到表面无裂缝展平。

以往的竹材展平大多是将圆竹截断后剖成片状后展平，展平幅面小、成本高、生产效率低、应用领域窄。钱俊［9］将竹材劈分成一定圆周弧度的竹片，竹片软化后将其放入170℃的载热体预热1.5 min，再夹紧逐渐展平。费本华［10］设计了一种竹展平板室内隔断，包括由外至内依次对称设置的竹展平板层、隔音板层，和位于中心的功能材料层。将整段竹筒展平并产业化的研究是近几年才开始的［11－13］，即竹筒展平板是通过高温软化蒸煮、快速展平、等量去青定厚去黄和后期干燥定形等一系列工序处理，可获得幅面长度为1 000 mm以内，宽度为250～500 mm（竹材直径决定），厚度为3～7 mm（竹材壁厚决定）的无裂纹展平竹材料，该技术从根本上解决了竹材加工行业竹资源的有效利用问题，竹材加工出材率低，生产过程中存在化学污染及产品不环保问题、难于大规模工业化生产的行业关键共性技术问题［14］。

目前竹筒展平板的一次展平长度在1 m以内，导致幅面较小，限制在砧板领域应用［15－16］，为了拓宽室内装饰、家具板材、竹地板、结构材等领域应用必须对其进行接长处理。

对于竹材板材的接长还未见报道，木材加工领域板材纵向接长的常用方法主要有对接、斜接、榫接等方法［17］，由于接长后的展平板为单板，还需层压或者复合使用，所以本文通过探究展平接长方式和组坯方式对其接长板材性能的研究，以期为展平板的后续加工利用提供理论数据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

竹筒展平板：取自浙江德长竹木业有限公司生产的素板，由圆竹竹梢部竹段经软化展平，其规格尺寸为：长度350 mm×宽度240 mm×厚度6 mm，密度介于0.85～0.95 g·cm3，含水率介于10%～12.0%。

脲醛树脂胶黏剂（UF）：德华兔宝宝装饰新材股份有限公司，摩尔比1.0∶1.5，固含量550 g·kg－1；固化剂：氯化铵，用量0.1%。

1.2 试验设备

MX3515梳齿机；INSTRON5967万能力学试验机；AT3311B雕刻机，浙江奥特工具有限公司；24寸木工燕尾榫机；MJ6113圆锯机，上海森林木机设备有限公司；XL8压力成型机，浙江湖州东方机械有限公司。

1.3 实验设计

材料纵向接长的方式主要有对接、斜接、榫接。对接虽然生产工艺简单且成本低，但是加长后的性能较差；斜接是把断面加工成斜面，斜面越大，胶合强度越大，虽然其性能强度较优，但是对材料损失也大［17］；本文选用的4种接长方式包括直接、直角接、燕尾接、搭接都属于榫接。

节间的长度多为10～30 cm，在毛竹软化展平过程中不可避免会有竹节，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。竹材竹节与竹间的特征差异可能会对接长后的展平板产生影响［18－19］，因此本实验选取了3个开榫位置，分别为在竹节处，离节子50 mm和离节子150 mm。

由于接长为单板接长，在实际应用中还需将单板层压或者与其他材料复合成竹材人造板。一般竹材层压板至少为3层层压，因此本文将接长后的展平单板进行3层层压，采用竹青－竹黄面胶合组坯，并研究其力学性能。

单板及层压板实验流程图如图1。

图1 实验流程图Fig.1 Flow chart of experiment

1.4 试验方法

1.4.1 开榫方法 本实验采用指接、直角接、燕尾接和搭接等4种不同的开榫方式，其拼接示意图如图2。

竹板材指接：由于工厂的梳齿机最多能加工宽60 mm的展平板，因此先将宽240 mm的展平板锯成几条宽60 mm的竹条，再选用齿长12 mm的刀具，在竹材端而开垂直型（V型）指榫，制备指接接长竹材。

竹板材直角接：用1／2×1／2直刀配合1／2的全透模板，开出的榫头宽12.7 mm、高12 mm、厚6 mm。

竹板材燕尾接：用1／4×9／16×17.6的铣刀开榫配合9／16的半透模板，开出的榫头宽17.6 mm、高11.5 mm、厚6 mm。

竹板材搭接：为了方便开槽，先将宽240 mm的展平板锯成几条宽60 mm的竹条。用圆锯机在展平板距离纵向边5 mm处锯一条深3 mm的槽，再用小铁铲在纵边的端面水平中心轴向里推将多余的这部分去掉，得到的榫头长5 mm、宽24 mm、厚3 mm。

1.4.2 热压方法 热压工艺参数为：热压压力1.5 MPa、热压温度为140℃、热压时间为1 min·mm－1。各种拼接板材的工艺参数为：环境温度23℃、相对湿度60%，将竹片采用刷涂的方式均匀涂胶，涂胶量为180 g·m－2（双面）。涂好后用3层青－黄组胚的方法手工组坯，然后送入压机，采用热进－热出的方法，接长后放置3 d再进行力学实验。

图2 开榫拼接示意图Fig.2 The schematic diagram of tenoning and splicing

1.4.3 力学性能检测 由于目前没有竹筒展平板的国家和行业标准，所以根据GB／T 17657－2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测试接长单板的静曲强度、弹性模量、顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度，测试层压板的静曲强度和弹性模量。另每种开榫方式在竹节、离竹节5 mm、离竹节15 mm 3个情况下各测6个试件。其中接长单板的静曲强度采用3点弯曲的方法，在2点支撑的试件中部（接长处）施加恒速载荷进行测定，作用在竹青面，试材尺寸170 mm×50 mm×6 mm，支撑点跨距120 mm。接长单板的抗拉强度和抗压强度将试件固定在拉力试验机两夹头中间，试件中心通过试验机活动夹具的轴线，试材尺寸160 mm×20 mm×6 mm。层压板的静曲强度采用3点弯曲的方法，在2点支撑的试件中部（接长处）施加恒速载荷进行测定，作用在竹青面，试材尺寸410 mm×50 mm×18 mm，支撑点跨距360 mm。

按式（1）计算试件的静曲强度σb，精确至0.1 MPa：

σb—试件的静曲强度，单位为兆帕（MPa）；Fmax—试件破坏时的最大载荷，单位为牛顿（N）；l1—两支座间距离，单位为毫米（mm）；b—试件宽度，单位为毫米（mm）；t—试件厚度，单位为毫米（mm）。

按式（2）计算试件的弹性模量Eb，精确至10 MPa：

Eb—试件的弹性模量，单位为兆帕（MPa）；l1—两支座间距离，单位为毫米（mm）；b—试件宽度，单位为毫米（mm）；t—试件厚度，单位为毫米（mm）；F2－F1—F1约为最大载荷的10%，F2约为最大载荷的40%，单位为牛顿（N）；a2－a1—试件中部变形的增加量，即在力F1～F2区间试件变形量，单位为毫米（mm）。按式（3）计算试件的抗拉强度σt，精确至0.1 MPa：

σt—胶层剪切强度，单位为兆帕（MPa）；Fmax—试件破坏时的最大载荷，单位为牛顿（N）；b—试件拉断面宽度平均值，单位为毫米（mm）；t—试件拉断面厚度平均值剪切面长度，单位为毫米（mm）。

按式（4）计算试件的抗拉强度σc，精确至0.1 MPa：

σc—顺纹抗压强度，单位为兆帕（MPa）；Fmax—试件破坏时的最大载荷，单位为牛顿（N）；b—试件宽度，单位为毫米（mm）；t—试件厚度，单位为毫米（mm）。

2 结果与分析

在不同的开榫方式和在距离竹节不同距离条件下，接长及层压后展平板的力学性能测试结果列于表1。

表1 展平板力学性能测试结果Tab.1 The physico-mechanical properties of the flattened bamboo board

由表1数据可以看出端面接长使展平板的静曲强度、弹性模量、抗拉强度和抗压强度降低，其中抗拉强度对板材的缺陷更为敏感，说明锯断后再接长对板材力学性能有不可逆的影响［20］。同未拼接板相比，接长后的单板竹展平板静曲强度下降了60%～90%，弹性模量下降了20%～60%，抗拉强度下降了80%～97%，抗压强度下降了50%～70%；层压板静曲强度下降了60%～90%，弹性模量下降了30%～70%；未拼接竹展平板的力学性能与相关的竹集成材和重组竹相似。

距离竹节多长位置开榫对竹展平板单板接长后性能的影响不明显，对单板接长后的层压板的力学性能亦不明显；不同的开榫接长方式对接长后的单板和层压板的力学性能影响较为显著，在4种接长方式中，指接单板的抗弯强度、抗拉强度和弹性模量均为最优，分别是最差接长方式的5倍、8倍、2倍；层压后的展平板静曲强度依旧是指接最优，指接层压板的静曲强度是燕尾接的1.5倍、是直角接的3倍、是搭接的5倍。

2.1 不同接长方式对静曲强度的影响

由图3可看出指接的静曲强度远大于其他3种接长方式，一方面由于胶合面积越大，胶合强度越大，抗弯强度越大［21］，不同的开榫方式有不同的胶合面积，相同宽度的展平板，指接榫的施胶面积是其他3种榫的2倍；另一方面由于相同宽度的板材，与其他3种接长方式相比指接榫榫头较多，能够起到相互约束挤压作用。

不同接长方式下的层压板的抗弯强度约是单板的1.5倍，这主要是由于单板层压后厚度增加，承受载荷能力相比单板有所加强。

接长后的板材与未接长竹板相比，指接静曲强度最大约为未接长的板材的40%，搭接抗弯强度最小约未为接长的板材的10%。这是由于2块梳齿后的展平板粘接面会变得粗糙，嵌插并不能完全契合，施胶后胶黏剂不能很顺利的完全渗透到维管束来起到连接两端面的作用。当然胶黏剂的种类、用量及施胶方法均会对力学性能造成影响。

图3 不同接长方式对静曲强度的影响Fig.3 The influrence of connection way on the modulus of rupture

无论是接长后的单板，还是是接长后的单板层压成的层压板，从抗弯性能及弹性模量来看，大体为搭接＜直角接＜燕尾接＜指接＜未拼接对比板。

2.2 不同接长方式对抗拉强度的影响

图4表明，燕尾接、直角接、搭接的拉伸强度相差不大且均小于指接。同时，只占指接拉伸强度的10%～30%。斜面破坏主要靠拉伸时胶合界面的剪力，面积越大，剪切力越大，指接试件的斜面胶合面积大于其他3种方式的斜面胶合面积。

2.3 不同接长方式对抗压强度的影响

由图5可以看出直角接和燕尾接的抗压强度是指接的2倍，这主要是由于指接榫头为齿形，与直角榫和燕尾榫相比较尖锐，应力较集中，当顺纹两侧受力时，榫头容易破坏。与未拼接板相比，接长后板材的抗压强度有所降低，几种接长方式中，直角接的抗压强度最优。

图4 不同接长方式对抗拉强度的影响Fig.4 The influrence of connection way on tensile strength

图5 不同接长方式对抗压强度的影响Fig.5 The influrence of connection way on compressive strength

3 结论

接长是高效利用展平板的一种方式，综合3个力学性能数据，在离竹节多远距离开榫对接长后的力学性能影响不大。不同的单板接长方式下，指接的静曲强度、弹性模量和抗拉强度均最佳，直角接的抗压强度最佳。由于静曲强度和弹性模量这两个性能特征对展平板的加工利用较为重要。因此，综合各力学性能，可以选用指接接长进行生产应用。将接长后的单板层压，指接方式下的层压板静曲强度最优，且层压板静曲强度是单板的1.5倍。为拓展展平板利用范围等，后续实验将对指接后展平板的不同层数平面和曲面胶压的性能开展进一步研究。