弧形竹片无刻痕展平生产技术

李延军，娄志超，姜应军，王新洲，袁天成，杨发明

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.龙泉市大展竹科技有限责任公司，浙江 龙泉 323700)

竹制品在日常生活中的使用非常广泛，深受人们的喜爱。传统竹制品在制造时需要整块式的竹原料，由于原竹不易展平的特性，生产应用中多将原竹剖分成弧度较小的弧形竹条来制作，刨削量大，锯缝多，工序繁琐，利用率一般为25%～45%[1]。而竹展平板的出现将竹材加工单元转变为竹板材，可有效提高竹材利用率[2-3]。

竹展平板是指由竹筒或弧形竹片经软化、展平、干燥、定型制成的片状材料。最初采用“高温软化展平”技术利用竹展平板制造竹材胶合板，主要应用于车厢底板，但因其表面有裂隙，展平质量不高难以用于装饰材料，附加值偏低。如果让竹展平板走向高端，就需要对其进行高品质的无裂纹展平，而竹材因刚度较大，壁层结构复杂，在展平过程中极易出现应力分布不均而产生裂缝。针对展平技术中存在的问题，笔者团队[4-9]前期开展对竹筒无裂纹展平生产技术研究，提出了竹材“高温高湿软化展平”技术，为企业生产制造无裂缝竹展平板提供理论支持。现有的竹筒展平工艺需要在竹黄面扎眼和刻痕，影响了竹材资源的利用率和材料的强度，仅适用于宽幅竹展平板制品加工。经过不断地探索和改进，根据竹制品对原料单元的要求，笔者团队力求进一步提高竹材资源利用率和降低生产成本，适时地提出弧形竹片高温高湿软化无刻痕展平竹装饰板生产技术[10]，为竹材高效利用提供技术支持。

弧形竹片展平板生产过程包括弧形竹片制备、竹片高温高湿软化处理、竹片刨削展平处理、竹展平板后期处理等步骤。其生产工艺流程如下：原竹→截断→分选→开片→高温高湿软化→刨削展平→冷却定型→干燥→刨削→成品。

1 弧形竹片制备

1.1 截断

截断使用的设备为原竹截断锯。原竹截断工序不仅要将长7～9 m的长条原竹按产品的尺寸要求截成一定长度的竹段，并且根据原竹的其他缺陷，如尖削度和弯曲度等来合理确定从何处开始截断，做到按材取料，提高竹材利用率。原竹截断应注意以下几点。

(1)先截去在砍伐原竹时所造成不可避免的歪斜端头。

(2)截断应从原竹的根部开始，然后依次向梢部进行。竹材从根部起到1.5 m的范围内，随着高度的增加，竹壁厚度变薄和竹材直径变小的程度逐渐变大。直至2.0 m以后，这种厚度和直径变化趋势随着高度的增加而减缓。因此，为了提高竹材利用率，要做到合理下料，通常原竹的第1段应截成芯板用短竹筒，第2、3段可截成面、背板用长竹筒，第4段以后再继续截芯板用短竹筒。

(3)截断弯度较大的原竹时，应多锯芯板用的短竹段，对于弯曲特别严重的短弯竹筒应加以剔除，力求锯出的竹筒通直或弯度小。

(4)截断时要保留合理的加工余量。余量过大，增加各种原辅助材料的消耗，增加了生产成本并降低竹材利用率；余量过小增加加工难度，导致残次品出现概率增加。一般来说，长度上竹筒的加工余量为50～60 mm。

1.2 分选

根据竹筒的长度和壁厚，将截断后的竹筒进行分类堆放。同一类竹筒的壁厚公差为0.5 mm，且遵循四舍五入原则，例如壁厚为13.5 mm的竹筒归类于14 mm一类。另外，由于同一厚度的竹筒存在密度差异，为了保证后期的软化效果，应将分选好的竹筒按照竹材截断的次序和壁厚分别进行堆放。

1.3 开片

利用圆锯机或开片锯对竹筒进行纵向定宽或剖分处理，即在竹筒上沿纤维方向呈直线至少开2片以上贯通槽或者按照2个圆锯机或开片锯上定位控制系统的间距将竹筒实行定宽加工成弧形竹片，缝宽同锯片厚度为2～4 mm。

在生产中，根据加工产品的幅面要求，也可以在竹筒上开设两条轴向缝隙，这两条缝隙可以在竹筒的径向上彼此相对，从而将竹筒分成两个半圆形竹筒。同样也可以在竹筒上开设三条或四条的轴向缝隙，开设的轴向缝隙越多，展开后的竹板材幅面宽度越小。龙泉市大展竹科技有限责任公司目前主要根据竹筒直径大小，采用开片锯在竹筒上定宽制成2～3个弧形竹片来生产竹展平板。

2 竹片高温高湿软化

竹材的直径较小、曲率较大，要将弧形甚至半圆形的竹材展平，解决竹材外表面受的压应力和内表面受的拉应力是关键。展平时弧形竹片的拉伸应力大大超过竹材横向纤维的结合力，竹材展平时的应力大小与竹材的弹性模量E和壁厚S成正比，与竹材的直径d成反比。竹材的弹性模量和竹材自身的温度、含水率、表面状态等因素有关，减少E值是减少竹材展平时反向应力的有效手段，从而可以减少展平时竹材内表面裂缝的宽度和深度。因此，除了竹材的壁厚和直径是难以改变的，减少竹材弹性模量是切实可行的方法，即竹材软化。提高竹材的塑性是改变竹材自身力学性能，减小E值的有效方法。主要方法为：①化学药剂处理；②提高竹材含水率；③提高竹材温度；④改变竹材的表面结构或状态。

针对毛竹材直径小、壁薄中空，有尖削度、弯曲度、不平度等天然属性，毛竹材无裂纹展平的首要前提是竹材展平时要保持较高的塑性，而较高的塑性来源于竹材的温度和湿度。因此，竹材展平前要进行软化处理且保持较高的温度，软化处理后还必须保持竹材含水率在纤维饱和点以上，这样才有利于竹板材展平的效果和质量。

竹材中纤维素的含量比一般木材高，试验表明[11]，半纤维素在80 ℃、木素在100 ℃即可具有一定的塑性，而纤维素需要在130～150 ℃的条件下才具有一定的塑性，因此单靠常压水煮的方法来提高竹材的温度无法达到提高塑性的效果，通常要将竹材的温度提高到140～150 ℃才能使竹材具有较好的塑性。这和木材加工中胶合板生产木段旋切前的木材热处理温度有很大的差别，提高竹筒展平时的温度称为“高温软化”。竹材软化一般采用水煮、高频、导热油加热或者化学软化等方法，采用化学软化方法易污染环境、成本高，且竹材颜色发黑、发黄；水煮软化温度在100 ℃以下效果一般；高频和导热油等接触加热软化会导致竹材水分快速散失；经过实践和改进，最后采用了高压饱和蒸汽“高温高湿软化”方法，即利用竹材在压力罐内，经过高温高压饱和蒸汽处理，泄压后在竹材内部温度处于80～100 ℃左右的状态下快速展平，效果较好。经过反复试验，在满足竹材软化后含水率高于纤维饱和点前提下，得到最佳的软化工艺，即竹材150～190 ℃、3～15 min的高温饱和蒸汽快速软化方法，具体处理工艺要根据竹片的厚度和密度进行调整和确定。

3 竹片刨削展平

当压力容器保温阶段结束后，停止蒸汽处理，逐步释放压力罐内的蒸汽，降温至常压打开压力罐罐盖，将软化处理后的弧形竹片立即取出，移至展平装置上进行展平处理。目前弧形竹片展开方式主要为纵向展开。

目前采用刨削展平一体机进行弧形竹片的展开。弧形竹片展平时，先将高温高湿软化后仍处于80 ℃以上的弧形竹片放入刨削展平一体机的压刨机构中，在压刨机构中，弧面整形装置的上输送辊和下输送辊之间形成与竹材相适应的弧形整形间隙，弧形整形装置不仅能输送竹材还能够调整竹材的弧度，可趁热对竹材的弧度进行微调成圆弧形，然后在多组弧形整形装置之间依次设有刨削竹黄和竹青的铣刀，在弧形竹片微调成圆形竹片之时趁热快速地刨去竹黄、竹青，除去展平时易开裂的竹黄部位和密度最大的竹青部位利于展平，同时减少竹片传统的去青去黄工序，提高生产效率。经过去黄去青的圆形竹片接着输送到刨削展平一体机的展开机构，展开机构由多组渐平弧辊和至少一组压平辊组成，渐平弧辊用于逐级展开竹材，压平辊用于压平竹材，渐平弧辊和压平辊均设置有上压辊和下压辊，压平弧辊的上压辊和下压辊之间形成与竹材相适应的弧形展开间隙，弧形展开间隙的弧度逐级减小，压平辊的上压辊和下压辊之间形成的间隙为平面。圆形竹片在展开机构中进行逐级展开，直至完全压平。在使用该刨削展平一体机时，不需要在竹材上刻槽，无需导裂线就能展开竹子，所需的工序较少，成本低，且竹子在展开时不容易开裂，成品率高。

4 竹展平材后期处理

竹材展平后由于内应力、生长应力、密度梯度以及吸湿解湿性等会出现变形现象，因此需要在展平处理完成以后对其进行定型处理，消除其内应力，防止竹材在冷却时出现反弹弯曲。可采用以下两种方式进行定型处理：①将展平后的竹板立即取出，放入多层压具内并固定送入干燥窑进行干燥处理，干燥温度为(50±5)℃，时间为96～120 h，然后取出在常温自然环境下进行含水率平衡处理，平衡后的展平竹板从压具内取出，即可进行表面砂光或刨光工序，制得可以再加工使用的无裂纹展平竹板材产品；②采用辊筒冷却定型机将展平后的竹板进行冷却定型处理，定型后的竹展平板采用黄面对黄面的方式进行堆垛，并在跺体的上部压制重物防止板材的翘曲变形，最后送入干燥窑进行干燥处理，经过干燥养生等工序制得无裂纹竹展平板，可用于多层板胶合、竹木复合等二次加工。目前龙泉市大展竹科技有限责任公司采用后者进行生产，生产实践表明，可提高生产效率和产品质量。

5 结束语

将长1 200 mm、宽100 mm的若干弧形竹片放入180 ℃压力罐饱和蒸汽高温高湿处理4～6 min，经刨削展平可制得厚度为6～7 mm的无裂缝竹展平板，竹材资源利用率达到55%以上。目前该技术已经用于竹材企业的生产中，可获得2 500 mm×100 mm的大幅面无裂纹竹展平板。生产实践表明，利用该技术制造竹板材及其产品，可提高竹材资源利用率，降低胶黏剂用量，降低能耗，在降低产品成本的同时提高了产品质量。无裂缝竹展平板物理力学性能佳，色泽美观，可应用于竹展平地板、竹展平刨切单板、竹展平家具以及建筑装饰装修材料，应用前景广阔。