纵向无刻痕一体化竹展平技术解析∗

张秀标 刘焕荣 张方达 姜应军 费本华

（1.国际竹藤中心，国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102； 2.龙竹科技集团股份有限公司，福建 南平 354200）

竹展平板是竹筒或弧形竹片经软化、展开、定型而成的片状材料[1]，是圆竹高效加工利用的一种新形式。竹展平板保留了竹材天然的纹理和竹节结构，在砧板和地板等领域有着广泛应用。竹展平技术的关键在于克服竹材自身中空、壁薄、具有尖削度，且内、外周长不一致的结构特性，通过高温高湿软化及机械外力的作用使其转变为矩形截面的平整板材。

我国竹展平技术和装置的研发始于20 世纪80 年代，经历了简单热压板机械展平[2-4]、损伤（扎眼和刻线槽）展平[5-17]、纵向无刻痕一体化展平[18-20]等三代技术的发展。目前，工业化应用较多的是点损伤（扎眼）和线损伤（刻线槽）竹展平技术。这类竹展平技术通过带有突起或刺棱的机械辊对刚软化出炉的竹筒或弧形竹片的竹黄面进行扎眼或刻线槽，以达到释放竹材内部生长应力，缩小竹材内外壁周长差的目的，再借助机械外力作用将其展开。与热压板直接压平技术相比，点损伤和线损伤竹展平技术采用横向或纵向竹展平设备对竹筒或弧形竹片进行展平，取代绝大部分手工操作，竹展平机械化程度和生产效率有了较大提升，竹展平成功率和竹展平板质量显著提高，并实现了整竹展平。然而，扎眼或刻线槽会在竹黄面形成加工缺陷，导致板材表观质量差，还会降低竹展平板的物理力学性能[21-23]，进而对其胶合性能产生一定的影响[24]。为了满足加工需求，去除部分扎眼或刻线槽的痕迹会进一步降低板材的出材率。此外，在竹材预处理阶段的去竹青、去竹黄和去内、外节等各工序分开进行，劳动力密集，劳动强度大，生产成本较高，生产效率偏低。因此，开发一种优质高效的竹展平技术势在必行。

基于扎眼和刻线槽等有损伤竹展平技术，国内研发了纵向无刻痕一体化竹展平技术。该技术通过对竹筒进行科学定段，壁厚、径级分级，锯切剖分，等弧定厚微整形，一体化展平、定型以及分段式干燥和喷蒸等多个工序的集成创新，实现了竹材纵向无刻痕一体化快速展平，获得了高性能、高出材率的竹展平板。本文重点解析该技术及其创新性，并结合该技术的实际应用情况，提出该技术今后改进和完善的重点研究内容。

1 纵向无刻痕一体化竹展平技术流程

纵向无刻痕一体化竹展平主要分为三个阶段：圆竹的预处理、展平和后处理。其中，圆竹预处理主要包括竹秆定段，壁厚和径级分选，竹段锯切剖分和软化等工序；展平阶段主要包括去内、外节，定弧定厚微整形，逐级扩弧展平，二次展平和冷却定型；后期处理主要包括堆垛，干燥，铣边，精刨，陈放等工序，最终形成具有一定规格和尺寸的竹展平板。其中，竹秆定段，分级，锯切剖分，分段软化，无刻痕一体化展平和多段干燥是该展平技术的重要技术创新。其工艺流程如图1 所示。

2 纵向无刻痕一体化竹展平关键技术

2.1 竹秆定段、分级与剖分

2.1.1 竹秆合理定段

竹秆定段是基于竹材在高度方向上具有一定尖削度，且其直径、节间长度和壁厚呈梯度变化[25]。以胸径为10.0 cm的竹秆为例，在0.0 m（根部）至11.0 m（近梢部）范围内，尖削度呈明显下降趋势，即从2.8降至1.2；在0.0～0.9 m段内，其直径从14.0 cm急速下降至10.0 cm，而在高度为11.0 m处，其直径仅有4.3 cm；而节间长度的变化趋势则与直径和尖削度相反，靠近根部的节间长度由下至上快速增大，在0.0～0.9 m段内其节间长度从8.0 cm增至16.0 cm，1.0 m以上则缓慢增加，到竹材梢部后呈下降趋势；在0.0～0.9 m段内其壁厚从1.4 cm下降至1.1 cm，1.0 m以上缓慢下降，在高度为11.0 m处仅有4 mm。

为了科学合理地使用竹材，需根据目标产品尺寸要求将一定长度的竹秆锯成不同长度的竹段，竹秆定段方法如表1 所示。

表1 竹秆定段方法Tab.1 The segmentation method of bamboo culm

竹秆定段的具体做法是将竹秆分为根部、中部和梢部等三个部分，自竹秆根部向上依次截取一定长度的竹段，分别标记为第一段，第二段，第三段等，以此类推。竹段常规长度为1.05 m。当竹段大头直径≤6.0 cm时，则截取2.05 m竹段，可用于制备长2.05 m、厚度为4～5 mm的竹展平板。

2.1.2 竹材壁厚分级

竹材壁厚沿生长高度方向呈梯度减小趋势。据此，通过人工或分级设备将竹段分成不同厚度等级；在后续工序中，可根据壁厚等级调整圆竹或弧形竹片的软化温度和时间，从而提高软化质量，减少展平过程中开裂，同时还可以有效控制炭化温度，保证板材色泽的均匀性。圆竹壁厚分级方法及所对应的板材厚度如表2 所示。

表2 圆竹壁厚分级及相应竹展平板厚度Tab. 2 Grading of bamboo wall thickness and corresponding thickness of bamboo flattened sheet

2.1.3 圆竹定宽剖分

圆竹剖分采用锯切剖分的方式，即采用多片圆盘锯片对一组相同径级的竹筒（通常4～6根）进行同步剖分，剖分方法如图2所示。圆竹筒通常被锯切成3～5片宽度相同或部分宽度不相同的弧形竹片。采用该方法使竹筒的锯切剖分更加精准和高效，所得弧形竹片侧边平整，可有效减少展平后板材的刨切量，提高竹材综合出材率。而传统撞竹剖分方式得到的弧形竹片侧面不规则，且竹片宽度不均一，在后续的展平和裁边过程中需要去除多余不规则部分，降低了板材出材率，两种方法获得的弧形竹片如图3所示。

同一圆竹段有多种剖分方式，需要结合目标产品的宽度进行选择。以直径为120 mm的竹段为例，其理论周长为376.8 mm（假定截面为标准圆），去除锯路约8 mm后，可有如下几种剖分方案供选择：1）4 片9 cm宽弧形竹片；2）3 片8 cm宽弧形竹片，1 片10 cm宽弧形竹片；3）4 片7 cm宽弧形竹片，1 片8 cm宽弧形竹片。

通过圆竹定段，壁厚分级及锯切剖分等关键技术的实施，有效减少了竹材尖削度及自身尺寸对加工利用的不利影响，避免了不必要的刨切和裁边，与传统竹展平工艺相比，竹展平板出材率提高至55%～65%[23]。

图2 圆竹剖分示意图Fig.2 Schematics of bamboo culm splitting

图3 撞竹剖分和锯切剖分弧形竹片侧边对比图Fig.3 The comparison of two bamboo splits prepared by impacting and sawing respectively

2.2 分段式软化工艺

水分和温度是影响竹材软化效果的两个重要因素，可通过提高含水率和温度来降低竹材的玻璃态转化温度，进而降低竹材的弹性模量[21-22]。纵向无刻痕一体化竹展平技术以高温饱和蒸汽为介质，采用分段软化法对竹材进行软化，可以有效避免因蒸汽压力较大导致竹材水分散失过快，造成竹片软化不均匀。通常第一阶段软化压力和温度分别为0.5 MPa和140 ℃，第二阶段软化压力和温度分别为1.1 MPa和180 ℃。此外，不同竹壁厚度的弧形竹片其软化时间也不尽相同，具体工艺参数如表3 所示。

表3 不同壁厚弧形竹片软化工艺参数Tab. 3 Softening process parameters of bamboo splits with different wall thickness

2.3 一体化展平工艺

纵向无刻痕一体化竹展平主要包括三大部分：辊压去内节、定弧定厚微整形和展开及二次压平[18-20]。第一部分辊压去内节，软化后的弧形竹片（竹黄面朝上，图4a）由多组球形压辊传动进料。球形压辊的下压辊为哑铃型，表面光滑，而上压辊为椭球型，表面带有突出的定位针（针状突起），上下压辊之间形成球面半径相同的间隙。弧形竹片的内节在球形压辊的连续作用下被压溃并脱落，初步去除内节；第二部分定弧定厚微整形，去除内节的弧形竹片在表面光滑的球形辊传送过程中，通过上、下相邻的多组弧形刨刀（图4b），实现下表面去竹青（外刨刀）、上表面去竹黄（内刨刀）。上下相邻的内刨刀和外刨刀之间形成弧面半径相同的间隙，可保证加工后的弧形竹片两端厚度和弧面半径相同，即定弧定厚（图4c）；第三部分展平，定厚定弧的弧形竹片在依次通过几组由球形压辊逐渐变成圆柱压辊的传动装置时从中间向两边被逐渐展平（图4d）。由于竹材生长应力尚未完全消除，刚展开的竹片会有小弧度的弯曲回弹，此时采用连续辊压的方法将其二次压平并冷却定型，具体做法是将展平后弯曲回弹的弧形竹片（竹青面或竹黄面向上，图4e）送入一台由多组圆柱形辊轮构成的连续长冷压辊压机，在连续压辊的作用下对其进行二次压平并冷却定型，最终形成较为平整的竹展平板（图4f）。

图4 弧形竹片纵向无刻痕一体化展平流程图Fig.4 Procedure process of integrated bamboo flattening technology

纵向无刻痕竹展平技术在一台设备上实现了竹片去内节、去竹青、去竹黄，定弧定厚微整形，扩弧、展平等，与传统展平技术相比，劳动力减少，劳动强度降低，生产过程更安全。据生产企业测算，新技术使劳动力成本下降5%～10 %，材料的出材率提高10%～15%左右。

此外，新技术对竹材表面无破坏，且在高温软化后通过扩弧辊压一次展平和连续辊压二次展平，在一定程度上对板材进行了密实化处理。通过对新技术制备的竹展平板部分物理和力学性能测试，得出如下结果：气干密度为0.65～0.76 g/cm3, 弦向气干干缩率为6.1%～7.5%，径向气干干缩率为3.4%～6.8%，静曲强度和弹性模量分别为142.62～177.25 MPa, 8.34～14.34 GPa，压缩强度55.47～104.23 MPa，顺纹剪切强度16.35～22.45 MPa，拉伸强度126.91～145.46 MPa。可以看出，新技术制备的竹展平板保留了竹材优良的物理力学性能。杨晓梦[23]系统比较了不同展平工艺制备的竹展平板物理力学性能的差异，研究结果进一步验证了上述结果。

2.4 一体化干燥技术

干燥工艺对竹展平板的表观质量有决定性影响。合理的干燥工艺和堆垛方式，不仅有利于缩短干燥时间、减少能耗，更有利于提高板材质量。竹展平板与木材不同，前者是将弧形竹片通过高温高湿软化后再经机械加压展成平整的板材，展开后其剩余内应力在干燥过程中如果不能完全释放，会导致竹展平板开裂和翘曲变形。针对弧形竹片在展平过程中受压、干燥过程中回弹以及竹材水分主要沿纵向排出等特点，创新提出了一种适用于竹展平板干燥技术，即干燥—喷蒸—平衡技术。

竹展平板干燥以过热蒸汽为介质，采用三段式干燥法：1）一次干燥阶段：采用低温、低湿条件干燥，然后逐渐提高温度和湿度并保持一定时间，之后保持高温条件进行排湿处理，保持较高温度和在一定湿度条件下闷窑进行排湿干燥；2）喷蒸阶段：采用更高的温度并进行喷蒸处理，并在此高温高湿条件下保持8～20 h。喷蒸处理的目的是使竹展平板重新获得水分，以恢复板材原有体积；3）平衡干燥阶段：在高温、低湿条件下进行二次干燥，干燥时间24 h以上，当板材含水率干燥至10%～12%时，停止干燥，板材冷却出窑。干燥工艺温湿度曲线如图5所示。

竹展平板干燥周期约8～10 d，板材含水率为10%左右。干燥阶段的梯度升温、增湿和喷蒸，使竹展平板在干燥过程中充分释放内应力，减少了变形和开裂，板材表面平整，有效减少了刨切量，进一步提高了竹材出材率。

图5 竹展平板干燥工艺Fig.5 The drying procedure of bamboo flattened sheet

3 结论

纵向无刻痕一体化竹展平技术是竹材加工利用领域一次重要的技术创新。该技术通过关键技术创新和核心设备研发，实现了竹材纵向无刻痕一体化快速展平，提高了竹材的综合利用率；将多个加工工序融为一体，减少了劳动力，减轻了劳动强度，降低了生产成本；采用新技术制备的板材保留了竹材天然的纹理特征和优良的力学性能，板材表面无损伤，外观质量优良；新技术拓展了竹材加工利用的领域，为竹家具和竹质包装等[26-27]材料的开发提供了技术支撑。

但该竹展平技术在降低板材缺陷、提升出材率，提高生产效率等方面仍有一定的提升空间。由于其工艺流程中竹筒预处理，软化，二次展平、冷却定型以及干燥等工序单独进行，而且在实际生产中各工序的加工设备比较简陋，自动化程度低，竹材软化与展平不能有效衔接，导致软化后的竹材在较高温条件下不能快速展平，增加了板材开裂率，因此，缩短软化与展平时间，提高各工序之间的衔接能力与自动化连续化加工水平将是今后竹材展平技术改进和研究的重点。同时，竹展平板干燥堆垛方式及干燥工艺仍需进一步优化与改进。