重组竹材料技术创新与面临的关键问题

2021-01-06张亚慧

世界竹藤通讯 2021年5期

杨娜张亚慧

(1 国家林业和草原局机关服务局北京 100714；2 中国林业科学研究院木材工业研究所北京 100091)

竹材具有巨大的生态、产业和文化价值。中国竹产业自1991 年兴起，至今已发展30 年之久，成为国民经济中绿色富民、低碳、可持续发展的朝阳产业，2019 年中国竹产业产值接近3000 亿元。2017 年中国全面停止天然林商业性采伐，由此导致木材资源供给严重不足，同时人民对木材产品及优美生态产品的需求日益增长，寻找木材替代品和提高木材利用率成为迫切需要解决的问题。中国是竹资源大国，竹产业发展水平位居全球首位，竹子生长快、周期短、材质优，是替代木材的最佳选择，因此发挥中国竹资源优势、创新竹材利用方式是解决木材资源短缺的有效途径。

竹材人造板作为实现竹材工业化、规模化和高值化利用的有效途径之一，主要产品包括竹胶合板[1－3]、竹刨花板[4－5]、竹纤维板[6]、竹集成材[7]、竹层积材[8]和重组竹[9]等6 大产品。其中，重组竹在总结传统重组材技术特点的基础上，攻克了竹材青黄难以胶合和竹材单板化利用的技术瓶颈，大大提高了竹材人造板的附加值[10]，实现了竹材的高值化和高效利用，并已成为中国竹产业的主流产品之一。本文总结了重组竹材料技术研究取得的重要进展，分析了重组竹材料在产业化应用中尚需解决的技术问题，以期为今后的高性能木质重组材料的理论研究和实践应用提供参考。

1 重组竹材料技术取得的重要进展

重组竹是由竹束或竹束片为构成单元，按顺纹组坯、经胶合压制而成的板方材。中国已自主研发出重组竹制造关键技术，并实现产业化推广应用。

1.1 压制工艺持续优化，“结构—性能”关联研究不断深入

在宏观方面，探讨了基本单元、浸渍工艺、固化工艺、压缩力度等因素对重组材物理力学性能的影响[11－14]。研究结果表明，上述因素影响胶合过程中树脂的流变性，进而决定胶合界面的性能，最终反映为材料产品性能的差异；在微观结构方面，木质基材的薄壁组织、导管和纤维等细胞均发生了不同程度的密实，细胞壁出现褶皱甚至压溃等现象，同时酚醛树脂在湿热—高压的作用下，与基材的裂纹以及导管、薄壁细胞的细胞腔之间均形成了胶合界面；在化学组分方面，细胞壁的纤维素发生结晶化和晶区出现规整化，但结晶度无明显变化，浸渍用低分子量的酚醛树脂发生了固化，并与细胞壁的活性基团发生交联反应形成疏水基团[15]。目前，已经完成刚竹(Phyllostachys sulphureavar.viridis)、淡竹 (P.glauca)、雷竹(P.praecoxf.pervernalis)、毛竹(P.pubescens)、红壳竹(P.iridescens)、白夹竹(P.bissetii)、寿竹(P.bambusoidesf.shouzhu)、台湾桂竹 (P.makinoi)、慈竹 (Neosinocalamus affinis)、绿竹(Dendrocalamopsis oldhamii)、梁山慈竹 (Dendrocalamus farinosus)、麻竹 (D.latiflorus)、巨龙竹 (D.sinicus)、白节竹 (D.albonudus)、毛龙竹 (D.tomentosus)、缅竹(Bambusa burmanica)、料慈竹(B.distegia)、粉单竹 (B.chungii)、撑绿杂交竹 (Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis) 等19 种竹材的重组竹压制工艺优化，不同竹种解剖特征的差异最终影响材料性能[16－20]。

1.2 夯实基础理论研究，谋求重组技术进一步突破

针对重组材料具有尺寸稳定性较好、强耐腐、力学性能高等特点，重点从单板分离、力学性能增强和耐水性能改善等机理、机制方面进行全面解析。研究表明:单板分离的机理主要是基材细胞在摩擦力、挤压力和切割力的作用下发生脱落和破坏，从而实现分离，并最大限度地保留了纤维的强度，使其不受损伤；力学性能增强的机理包括基本组织和导管等细胞的压缩密实增强和酚醛树脂胶黏剂与基材微观结构形成界面增强2 个方面；耐水性改善的机制包括竹纤维束的表面酚醛树脂胶膜层憎水胶膜层的形成和酚醛树脂胶黏在细胞腔内胶钉的固定[21]。同时，在重组竹环境作用基础理论研究方面，基于Grotthus-Draper 和Stark-Einstein 定律的光化学原理为重组竹光老化降解原理提供了理论支撑，同时重组竹湿热老化降解作用遵循Fick 扩散定律。上述作用机理使材料最终发生可逆的物理或化学反应，导致材料性能发生改变，从过程上看，是对竹材、酚醛树脂及其胶合界面的复杂作用；从效果上看，是材料的物理、化学和力学性能的衰减；从本质上看，是对竹材、酚醛树脂及其胶合界面结构与性能的降解作用。

1.3 应用领域不断拓展，推动产品多样化、功能化

针对重组材料具有性能可控、结构可设计、尺寸规格可调整的特性，克服了速生材的瓶颈，促进重组材料产品多样化、系列化。重点从以下方面取得突破。1) 相关学者提出了重组竹材料力学性能的可靠性评价技术[22－23]，重点表征了材料的强度指标[24－27]、应力应变[28－29]、断裂特性[30－34]和粘弹性[35－38]，研究了梁柱构件[39－46]和连接设计[47－50]优化技术，实现重组材料在建筑建构领域的应用。2) 通过研发胶合技术，生产功能重组材料，改善材料使用性能，拓展重组材料产品使用领域。重点集成竹材重组单元物理化学手段预处理优化工艺、染料体系筛选、上染可控工艺以及复合压制耦合工艺等技术手段[51－52]，形成竹材重组染色复合技术体系，实现重组竹色彩调控；采用分子组装、尺度调控和共混复配等技术手段，完成了材料表面紫外屏蔽系统的构建，达到重组竹表观的长效防护；基于重组竹表面浸渍纸饰面与漆面涂饰的工艺优化[53－55]，实现了重组竹装饰性能的改良；采用不同添加方式和处理工艺完成对重组竹产品的物理填充，提高药剂的固着率和抗流失性，达到良好的霉菌防治作用[56－61]；通过优化无机矿物质[62]、氮磷系、硼系以及氮磷硼复合系阻燃剂[63－65]添加工艺，达到阻燃抑烟功能。通过上述研究，极大促进了重组竹产品的多样化、系列化。目前，竹材重组材料已经实现了从室内地板、家具[66－67]、集装箱底板[68]到风电叶片[69]、建筑结构[70]、户外材料[71]等领域拓展。

2 重组竹产品开发需要解决的科学问题

虽然重组竹材料技术取得了突破性进展，但作为一项新技术，对重组竹材料的基础研究和应用基础研究相对较少，限制了以该种材料为基础的新产品开发。因此，有必要借鉴传统复合材料的先进理论和研究方法对重组竹材料进行系统研究，从而进一步促进材料的推广与应用。

2.1 微观结构变化

重组竹的成型有冷成型热固化工艺和热压工艺2 种，其区别在于热压工艺压缩过程伴随着湿热的传递过程，细胞壁组织有一个逐渐受热软化的过程，而冷成型热固化工艺则没有此过程。因此，将木质重组材料压缩至同样的密度，热压工艺过程所需要的压力只有冷成型工艺过程的十分之一左右。初步研究结果发现，在重组竹成型过程中，基材的薄壁组织几乎处于完全闭合状态，而微管束组织中的空隙也几乎被压缩了90%以上。但由于基材细胞的细胞壁厚度不同，如竹纤维是厚壁细胞，基本组织和导管是薄壁细胞，从而导致在压缩过程中各细胞受到的损害程度可能有较大差异，对于特定的材种来讲，其极限压溃值依据不同的成型工艺有所不同，不同材种的微观结构变化所呈现出的“结构—性能”关联性，有待于进一步研究确认。

2.2 力学性能变化

重组竹通过压缩密实和界面增强使力学性能得到大幅度增强，宏观表现为密度和施胶量的协同增强效应，但这种协同效应并非简单的线性关系，不同力学性能指标呈现的变化规律不同，同时竹种的差异对木质重组材料力学性能影响很大。材种的差异对力学性能的影响机制以及不同材种力学性能变化规律与极限力学性能需要进一步研究。

2.3 材料耐候性

重组竹作为一种户外用新型产品，其耐久性是评价产品在使用和存放过程中能否长期保持其性能的技术指标之一。现阶段虽然对重组材料的老化性能进行了一些探索性的研究，发现其在自然老化环境下重组材的颜色会逐渐加深，力学性能发生变化，在不同人工老化条件下重组材性能呈现不同程度的变化[72－73]；但缺乏木质重组材料在光辐射—湿热协同作用下微观层面的结构—性能关联研究，对其气候老化机理的研究尚待进一步深入，同时在根据人工加速老化规律提出的自然老化寿命预测方法的研究还很欠缺，而这些研究对重组竹的可靠性的评价非常重要。

2.4 其他问题

重组竹材作为一种新型建筑材料，需在结构设计规范的整体框架内，规定重组竹材料及构件加工制作时的基本要求和生产制作质量控制要求，并进一步确定重组竹产品的强度等级和设计指标，规定胶合木构件设计、连接设计、防火设计的计算方法。同时，重组竹作为新开发的一种生物质基复合材料，除了上述所提到的部分科学问题，其他如热处理条件下材料的强度化学变化机理，热处理对树脂渗透性能的影响规律，材料的阻燃、防霉、防腐机理，重组材料的表面性能等，都需要进一步研究探索，以期更好地促进其技术进步和行业发展。

同时对于成型制造工艺来说，工艺装备是其研究与应用的基础，现阶段，相关流程设备主要存在因无法连续化、衔接性差而造成生产效率低以及信息化水平偏低等技术难题，后续单机还是成套设备都将围绕高效率、高品质、节能降耗、提高可靠性、简化操作和提高适宜性等方面进行研究开发。在机械结构上应向零部件、装置和功能等的模块化设计发展，并采用精良的制造工艺。另外，高效利用、节约能耗、设计人性化也将成为关注的重点，最终为实现重组竹整线的连续化生产提供设备基础。