展平竹/人工林木材正交复合技术研究进展∗

张方达 张秀标 刘焕荣 马欣欣 方长华 费本华

（国际竹藤中心，北京 100102）

我国竹类资源丰富，竹林面积、蓄积量、竹材产量均居世界首位。我国竹林面积为641.16 万hm2，占森林面积的2.94%，其中毛竹林467.78 万hm2，占竹林面积的72.96%[1]。近十年我国大径竹和毛竹产量及国产木材产量和进口量都处于增长趋势（图1）。2018 年，全国可采伐竹材约1.5 亿t，大径竹产量为31.55 亿根，比2017 年增长15.99%，其中毛竹产量为16.95 亿根[2]。我国在竹质工程材的原料选择、制造关键技术、质量控制和检验方法等方面形成了较为完整和成熟的制造和评价体系，产业发展迅速。但目前竹材利用率仍然不高[3]，二产的标准材、半成品产业链极其微弱。

图1 2009—2018 年我国木、竹材产量及木材（原木、锯材）进口量[2, 4-5]Fig.1 China's yield of wood and bamboo, and imports of wood (logs, sawn timber) from 2009 to 2018

我国是世界上人工林面积最大的国家，拥有人工林面积8 003 万hm2，蓄积量为33.88 亿m3[1]，主要有杉木、杨树、桉树、落叶松、马尾松等树种。人工林木材具有速生、丰产、生态好的优点，但材质疏松、强度小，易开裂、变形、易腐，这些缺陷限制了其应用范围。目前主要用作人造板工业和造纸工业原料，木材附加值较低。

我国还是世界最大的木质产品消费国，但人均年消费量只有世界人均水平的65%[6]。随着经济的发展，木质材料作为低碳、环保、可再生的绿色材料，受到消费者的青睐，人们对木制品的需求量逐年增加。2018年，我国商品木材贸易量达到2 亿m3，其中进口木材1.12 亿m3。根据相关规划，我国必须建立稳定的国产商品材市场体系，到2030 年，实现人均年木质材料消耗量达到0.7 m3，年木质材料的流通量达10 亿m3的目标。为此，可充分利用我国丰富的竹材和人工林木材资源，采用正交复合工艺为产业主线，发展展平竹/速生材正交复合材等竹木复合产品，打造我国自主的商品木质材料市场和产供销机制，为缓解我国木材供需矛盾、维护木材战略安全提供保障。

2 展平竹工艺及应用现状概述

2.1 展平竹工艺

2.1.1 第一代竹展平工艺

20 世纪80 年代，张齐生率先开展半圆形竹筒的软化和展平研究。初期竹展平技术采用的软化工艺较为复杂，通过在内表面刻沟槽或去青去黄的方式减小表面应力，得到表面带有裂缝的展平竹产品。再经过刨削加工成一定厚度和宽度的竹片，用以制备竹材胶合板[7]。竹材的直径较小、曲率较大，竹材壁层不同组织结构性能差异大，在展平过程中的开裂问题一直是制约竹展平的重要因素。

2.1.2 第二代竹展平工艺

第二代竹展平技术采用整竹展平方式，即采用具有不同形状钉齿的轧辊在竹材内壁辊轧出密集的凹槽，以释放展平过程中竹材内部的应力，使竹材不易开裂，整竹展平提高了展平竹宽度。

如图2 所示，整竹展平方式包括横向展平和纵向展平。

横向展平：将圆竹锯切成长度为30～80 cm的竹筒，去除内、外竹节和中间隔断后在一侧纵向切口。然后将开口的竹筒在190 ℃，饱和蒸气压为1.25 MPa的环境中软化处理5～10 min。接着将软化后的竹筒以横向展平方式辊压展开，如图2 所示。其中上部钢辊表面光滑，下部钢辊表面带有许多钉齿，辊压时竹黄侧朝向带有钉齿的一端。最后使用双面刨对展平竹进行刨平处理，同时去除竹青。然而，由于长竹筒竹壁的厚度不同，这种方式不能用于制备较长展平竹[8]。

纵向展平：这种方式可制备较长展平竹板。其前处理过程与横向展平方式一致，主要差异在于竹筒展开工序。纵向展平设备有一组表面带有斜刀片的辊轴，辊轴宽度从小到大依次递增。展开时第一个滚轴辊压软化竹筒的中心位置，随着竹筒向前移动不断展开，并在内表面辊压出交叉平行的凹槽。压痕与纹理角度为10～60 °，以避免内表面出现较大裂纹。

图2 竹筒软化展平流程示意图Fig.2 Flow sheet of bamboo culm softening and flattening

目前，这两种展平方式均已成功在国内实现工业化生产。但两种展平方式均采用在竹筒内表面辊压凹槽释放应力的工艺，这会割断竹材纤维，且难以控制凹槽深度，导致展平后的竹板单元强度减弱。如凹槽的分布密度和长度控制不好，展平竹干燥后还会出现明显的瓦形翘曲变形。且展平竹内表面存在明显压痕，并伴有端裂，影响产品外观与胶合性能，限制其应用范围。此外，后期加工中竹板刨削量增加，降低了竹材利用率[9]。因此，第二代竹展平技术仍具有一定局限性。

2.1.3 第三代竹展平工艺

随着竹展平设备不断升级换代，第三代竹展平技术实现了表面无压痕展平竹板的制备，且提高了竹材利用率。图3是展平竹工艺流程图和新一代竹展平设备图。与之前展平竹生产工艺相比，新一代展平竹设备能够同时进行竹青去除、展平和刨切处理，减少了3个环节，大大提升生产效率。目前该技术已经成功实现工业化，展平竹制造工艺逐渐成熟。

图3 第三代竹展平技术工艺流程图Fig.3 Production process of flattened bamboo panel

2.2 展平竹应用现状

由于早期竹展平技术不成熟，展平竹板材表面和端部裂纹难以控制，多用作集装箱底板的面板和底板，或仅底板采用带有竹青的展平竹，芯层多为木质板材[10-11]。然而受制于较低的材料利用率和较高的生产成本，用展平竹制备集装箱底板未能实现工业化生产。目前径向竹篾/木单板复合板材是集装箱底板领域的主导产品，但其结构规整性差，竹材强度未得以完全发挥。竹展平技术的不断发展使得展平竹板材成本越来越低，该板种有望替代径向篾/木单板复合板材，用于集装箱底板工业化生产。

将展平竹用作装饰板材和室外结构材，以及用于家具、建筑模板等，也取得了研究进展。林海等[12-14]将两块展平竹竹黄侧胶合，或在其中添加一层网格状中层板制备装饰板材。俞先禄等[15]发明专利尝试将展平竹用作户外铺板，以解决重组竹户外地板存在的胶黏剂用量大、耗材多、成本高、竹丝脱胶等问题。何斌[16]进行了展平竹家具设计研究，目前竹展平技术可以制得 2 500 m m×380 mm的大幅面无裂纹竹展平材，漆膜附着力等级为2级。

胡良兵等[17]对展平竹脱木质素和半纤维素处理后，进行密实化处理，制备出拉伸强度为1 GPa，冲击韧性为9.74 MJ/ m3的轻质高强材料。该材料比强度为777 MPa cm3/g，远高于其他竹质材料以及钢铁、合金等大部分结构材料。

因受竹材直径、长度和利用率的限制，现有展平竹复合材的幅面较小，严重制约了其应用范围。目前，竹展平材相关的产品开发较少，在家居领域的应用局限于厨房砧板等小件家具，附加值较低。研究展平竹复合材大幅面化，提高尺寸稳定性，拓宽其在建筑结构材、家具板材、车厢底板和室内装饰等领域的应用势在必行。

3 展平竹/速生材正交复合技术

3.1 竹木正交复合研究

张齐生于2010 年提出用三层或五层的正交竹木复合材制作预制组合板或梁。该结构具备轻质高强、环保、抗震能力强、价格适宜、房子搭建快速便利等优点[18]。卫佩行等[19]发明了一种三层竹木正交复合板材用作家具和装饰材料，以展平竹作为上下表面，铁杉木材为芯层，或表面为铁杉木材，芯层为展平竹。这两种结构的力学性能相近，静曲强度和弹性模量分别为34～37 MPa、8 500～8 777 MPa。柴 源 等[20]用750 mm× 60 mm×7.5 mm无刻痕展平竹和2 mm厚杨木单板复合制备规格材，试件静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）平均值分别为128 MPa和11 140 MPa。

Munis等[21]用竹条纵向排列作为松木CLT（正交胶合木）的面板，使得CLT顺纹抗压强度明显提升，有望作为独立墙使用。Barreto等[22]使用松木和竹条制备CLBT（竹木正交胶合材），并对比研究了3 种胶黏剂MUF（三聚氰胺-尿素-甲醛共聚树脂），IPE（异氰酸酯聚合物乳液）和COR（蓖麻油基树脂）的胶合性能。发现使用MUF制备的板材竹、木层间顺纹剪切强度最高。用该胶黏剂制备三层结构CLBT，以竹条做表板、背面板，弹性模量和静曲强度分别为13 310 MPa和65 MPa。然而，竹条单元的竹材利用率和加工效率均较低，制约了此类CLBT的规模化生产。Wei等[23]尝试用竹篾层积材（Bamboo PSL）作表层，铁杉-冷杉作为芯层制备正交竹木复合板材（CCLT）。该板材的剪切强度和木破率略低于铁杉-冷杉CLT，且弯曲时，CCLT容易从竹木结合面发生破坏。此类板材可以利用小径级竹材，但竹篾层积板的结构规整性差，与木材的胶合强度较弱。

肖岩[24]设计了一种可作为墙体和楼板的竹木复合厚板，其边缘设有凹凸错位开槽，相邻连接构件的凹凸边缘对齐咬合，并通过自攻螺栓固定。Fang等[25]应用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）-竹材-泡桐组合板制备横梁，并借助有限元模型优化板材结构。Darzi等[26]则用较短的圆形竹筒作为芯层，胶合板作为面板制备超轻竹木复合结构材（Bamboo core sandwich，BCS），其重量比CLT轻40%。测试相同厚度的BCS和CLT的弯曲性能发现，BCS的单向刚度仅为CLT的17%，但其双向弯曲刚度比CLT高20%。

3.2 展平竹/速生材正交复合结构设计

基于逐渐成熟的展平竹技术与现有竹木复合技术的相关研究成果，利用我国丰富的竹资源和人工林速生材资源，设计研制的展平竹/速生材正交复合产品，可有效发挥竹材和木材各自的优良特性，获得既降低成本，又保证产品内在和外观质量的双重效果[27-28]。其结构与生产工艺的设计、优化，根据复合材料力学和层合板理论，借助有限元分析软件，围绕建筑材、家具材、地板材和装饰材等目标产品的性能需求展开。运用展平竹单元最大限度保持了竹材的“原态利用”，减少了胶黏剂用量。产品轻质高强、材质原态、美观、成本低、结构简单、低胶黏剂特点将使竹木正交复合材料的适用范围得以进一步拓展。

图4 展平竹/速生材锯材正交复合材结构示意图Fig.4 Structure of cross laminated flattened bamboo and timber

图4 所示为展平竹/速生材锯材正交复合材结构。图4a为常见的三层结构CLBT，利用竹材强度高、硬度大、纹理美观的特点，将展平竹置于表层。木单板可以根据年轮方向，交替铺装，采用中间层木单板双面施胶，而竹材不施胶的工艺，与展平竹竹黄侧胶接，结构对称，尺寸稳定性好。图4b所示为另一种常见的组合方式，将两块展平竹置于木单板之间，两块展平竹靠近竹青侧相连接。图4 中a、b两种基材均为密度梯度结构。

展平竹/速生材锯材正交复合产品设计如图5 所示。三、四层CLBT结构单元（图5a、b）可用作强度要求不高的家具、门窗和装饰材料。通过对CLBT结构单元进行指接和侧拼，则可制备大幅面板材。以大幅面结构板为基材，可设计生产增厚产品、构件、预制件等，用于建筑领域（图5c、d、e、f）。

图5 竹筒软化展平流程示意图Fig.5 Flow sheet of bamboo culm softening and flattening

正交复合结构特点使得CLBT产品，特别是作为梁或楼板使用时，横向层容易发生平面（滚动）剪切破坏，导致构件失效。在结构设计时，使用速生材作为芯层，由于木材横切面的剪切模量很低，早、晚材抵抗剪切变形的能力不同，当CLBT中锯材横切面受到平面剪切发生剪切变形时，容易在早晚材过渡区域产生裂缝[29]。因此，可根据目标产品性能需求，对速生材进行增强改性，再与展平竹复合。若将展平竹置于芯层，如何使竹质材料的力学性能充分发挥，这些问题仍有待进一步研究[30]。

由于展平竹生产特殊性，整个生产过程不能实现自动化和连续化，存在用工量大、劳动强度高、生产效率低、能耗大等问题。因此，在产品设计的同时，应该注重智能化、自动化的高端设备研发，彻底改变“作坊式”生产模式，加快推进竹材工业化利用进程。

4 结语

展平竹/速生材正交复合板材，具有纹理清新、色泽自然、平整光滑、韧性好、强度高、成本低等特点，其生产过程设计简单、施胶量少、智能化程度高；二次加工产品可实现大幅面、无限接长、无限加厚、大规模生产，产品具有良好抗震、保温隔热和隔声性能，以及优异的力学性能，是墙板、楼板、梁柱、家具、门窗等优良用材，具有广阔的市场前景。展平竹/速生材正交复合材等竹木复合产品的开发与推广应用，为竹材和速生材的工业化应用开辟了新途径，有助于缓解我国木材供需矛盾，促进我国林产工业政策创新，对于推动人工林可持续经营、林农保富增收，维护国家木材安全具有重要意义。