竹单板复合管生产技术研究*

2021-06-18李延军吴新武娄志超毛胜凤

林产工业 2021年5期

李延军吴新武娄志超陈跃毛胜凤

（1.南京林业大学竹材工程研究中心，江苏南京 210037；2.杭州华宇集团有限公司，浙江杭州 353003）

随着社会的发展和科技的进步，卷管复合材料（以下简称管材）使用量和使用范围逐年增大。传统管材主要分为金属管材（如无缝钢管、球磨铸铁管等）、塑料管材（如PVC管、HDPE管等）、水泥管材与玻璃钢管，管材性能各异，各有其优缺点，例如无缝钢管[1-3]承压能力强、耐高温、易加工，但其重量大、易腐蚀、加工困难且使用寿命一般；塑料管重量轻、耐腐蚀，便于加工，但耐温性能和承压能力较差，刚度小且容易老化；玻璃管材和塑料管[4-5]废弃后不易降解，对环境造成一定污染。因此，利用天然可降解材料制造管材，在某些特定领域代替现有的部分产品将是重要的发展方向。

随着对竹材研究的深入和竹材加工技术的提升，我国开始走“以竹胜木”新理念下的转型升级之路[6-9]。李延军等[10-13]对刨切微薄竹的制备和加工工艺进行深入研究，探索将刨切微薄竹应用于人造板贴面[14-16]。竹缠绕是竹材加工领域的一种新型加工方式，是由线性制品到非线性制品加工工艺的一次飞跃[17]。张志威[18]等发明了一种高性能竹条缠绕复合压力管，以竹纤维无纺布为内衬层，以浸有酚醛树脂的竹篾和浸有环氧树脂的碳纤维布为增强层，通过复合缠绕工艺制成卷管，该管材适用于耐压强度要求较高的场合。叶柃[19]等发明了一种具有保温、隔热、强度高等优点的竹缠绕复合压力管，管材可用于流体运输，进一步拓宽了竹卷管的应用领域。张淑娴[20]等通过测试竹缠绕复合管的环刚度值，以期为优化竹缠绕复合管的连接结构提供有价值参考。Kaynak等[21]研究了用纤维缠绕法制备连续纤维增强环氧复合材料管的工艺参数，得出纤维缠绕角度较树脂种类和纤维类型对管材的力学性能影响更大。近年来，随着相关标准的提出，竹缠绕复合管开始步入正轨，也愈加受到行业青睐，前景光明[22-25]。

纵观国内外相关研究，缠绕式卷管工艺占据主体地位，而将竹单板用于模压制备异形结构产品或机械搓卷制备竹单板复合管等工艺尚未见报道。本文以刨切竹单板为试验材料，探究一种以机械搓卷的方式制备卷管复合管的新工艺。

1 材料与设备

1.1 材料

刨切竹单板，2 500 mm×1 250 mm，平均厚度0.3 mm，含水率8%，杭州和恩竹材有限公司；热压环氧树脂胶黏剂（E51型），固体含量99%，黏度10 000mPa·s（25 ℃），嘉兴宝盈通复合材料有限公司；XS-528稀释剂，嘉兴宝盈通复合材料有限公司；950A型白乳胶，固体含量50%，杭州和恩竹材有限公司；MDI胶（异氰酸酯胶黏剂），固体含量100%，佳成塑料原料有限公司；环氧树脂脱模剂和双向拉伸聚丙烯薄膜带（BOPP带），嘉兴宝盈通复合材料有限公司。

1.2 试验设备

JG-1S型卷管机，威海东发精工机械有限责任公司；TWC36-Ⅱ型碳素卧式缠带机，威海国丰渔具有限公司；GD-TG50型脱模机，上海合强实业有限公司糖果饼干机械厂；S.C.101-6型鼓风电热恒温干燥箱，嘉兴市新塍镇东兴电热仪器厂；UUTB1300型涂胶机，温州韦盛机械有限公司；XLB-D型平板硫化机，湖州顺力橡胶机械有限公司；游标卡尺（精确到0.02 mm），无锡凯保鼎工具有限公司制造；电子秤（精确到0.01 g），上海良平仪器有限公司制造。

2 生产工艺

竹单板复合管制造工艺流程如图1所示，主要包括竹单板涂胶、卷管、缠绕定型、干燥固化、脱膜、拉漆打磨、后续处理等工序。

图1 竹单板卷管制造工艺流程图Fig.1 Bamboo veneer coil manufacturing process

2.1 前期准备

2.1.1 裁剪

将平均厚度为0.3 mm，初始含水率为8%的刨切竹单板手工裁剪成规格为1 000 mm×160 mm，备用。

2.1.2 涂胶

用涂胶机将E51型环氧树脂喷涂在离型纸表面，形成胶膜，胶膜含胶量为50～55 g/m2。再将裁剪好且表面洁净的竹单板置于离型纸表面，用壁纸刀沿竹单板边缘裁剪出2张与竹单板尺寸相同的离型纸，将其贴至竹单板前后表面。然后将3～5张贴有离型纸的竹单板上下叠放，置于平板硫化机热压，热压温度为90 ℃，压力7 MPa，热压时间为10 s。采用上述方法将环氧树脂胶黏剂涂覆于竹单板表面，同时采取双面施胶法以避免缺胶少胶现象。上述施胶工艺需重复2次，以确保竹单板单面施胶量在100～110 g/m2之间。热压结束后取出竹单板，在工作台上静置15 min，使其降温至室温，待使用时撕去离型纸。

2.1.3 钢管模具处理

选取所需尺寸的模具，将模具放入恒温干燥箱中，加热至110 ℃左右取出，用粗砂纸打磨掉表面的锈迹或杂物，然后将脱模剂均匀擦涂在模具表面，待模具温度降至60 ℃左右用于下道工序。

2.2 卷管

如图2a所示，将上好胶的竹单板平铺于卷管机台面，撕去离型纸，将钢管模具沿竹纤维平行方向紧贴竹单板里侧长边边缘安置，接着用力按压模具，使竹单板边缘与模具黏在一起。启动卷管机，卷管机的上压板向下移动，将模具夹在上压板和下台面之间，压力为1 MPa, 上压板与下台面均以0.3 m/s的速度反向运动，上压板沿着垂直竹单板纤维方向移动，将竹单板按照模具的轮廓搓成圆管。需要注意的是，由于平行纤维方向卷曲应力过大，易发生断裂，因此卷管时当直径较小时，宜采用垂直纤维方向卷曲的方式。

卷管机搓管，钢管模具温度以50～60 ℃之间为最佳。当模具温度低于50 ℃时，浸渍在竹单板表面的胶黏剂与模具之间的黏性不强，单板不易随着模具的滚动联动起来，易发生表面褶皱现象；而当模具温度超过60 ℃，温度过高时又会导致胶黏剂提前固化，不利于胶合。

若使用其他胶黏剂，需在模具上先卷半圈竹单板用以定型，如图2b所示，再用卷管机搓管。此外，控制上压板与下台面之间的压力很重要，压力过小，则每层竹单板之间存在空隙，当利用BOPP带在碳素卧式缠带机上缠绕夹紧固定时，单板间的空隙会发生挤压，使竹单板无法自动贴合拧紧，导致竹单板卷管表面出现皱皮现象，影响卷管的外观和质量；若压力过大，则会对竹单板造成挤压破坏，如图3所示。

图2 卷管示意图Fig.2 Schematic diagrams of the tube

图3 试件破坏图Fig.3 Sample destruction diagram

2.3 缠绕定型

搓卷后的竹单板卷管连同钢管模具一起架设在碳素卧式缠带机上，将BOPP带先缠绕于竹单板卷管端部，启动碳素卧式缠带机，带动模具一起旋转，使BOPP带缠绕于整个竹单板卷管表面，然后对其加压固定。BOPP带的张力为0.8 MPa，带距为1.4 mm，如图4a所示。为保证管件表面的平整度，在碳素卧式缠带机进行加压固定时，需确保安放BOPP带的轮盘稳定不摇晃，否则会导致缠绕在竹单板卷管表面的带距不同，从而使密集处压力较大，疏松处压力较小，固化后影响管件表面的平整度；此外，轮盘前进速度要与模具转速相匹配，不宜过快，保证带距在1.4 mm左右，误差不超过0.05 mm。

图4 缠绕定型示意图Fig.4 Schematic diagram of winding setting

2.4 干燥固化

将缠绕定型后的竹单板卷管放入鼓风电热恒温干燥箱，升温至80 ℃后保温1 h，以避免因温度变化过大使竹单板卷管内外层胶黏剂固化不同步，而导致其内部出现裂纹，影响力学强度。随后，升温至136 ℃，保温2 h后取出，冷却至室温。在干燥固化过程中需控制好保温时间，时间过短会降低卷管的强度和硬度，脱模时易变形和损坏。

2.5 脱模

将内径与模具外径相匹配的圆形垫块套入模具中进行封头，使其卡于竹单板卷管一端，然后将模具上的卡槽与脱模机相连，启动脱模机，通过液压装置将模具从卷管中抽出，如图5所示，然后用碳素卧式缠带机将卷管表面的BOPP带撕除。

脱模时应注意以下几点：1）模具要与液压杆在同一条直线上，当钢管模具脱出时，模具不能与挡板发生摩擦，否则会破坏磨具表面平整度，影响后续制备的竹单板卷管质量。2）用白乳胶或白乳胶/MDI混合胶、冷压环氧树脂胶等胶黏剂制备竹单板卷管时，在胶黏剂固化后用脱模机分离复合管与模具的过程中，增加拉力会破坏卷管。其原因在于，这几种胶相对于热压环氧树脂固化后硬度较差，尤其是白乳胶和白乳胶/MDI混合胶，不能为竹单板提供较强的支撑力，再加上外层缠绕着加压固定的BOPP带，使卷管与模具接触面的摩擦力增大，导致脱模较为困难。

图5 脱模示意图Fig.5 The schematic diagram of demolding

2.6 拉漆打磨

脱模后，检验竹单板卷管表面是否平整，端头是否变形或损坏,检验合格的竹单板卷管用400号水砂纸打磨至表面光滑，且卷管最外一层接口处不能有棱槽，衔接平滑。然后用水清洗干净，静置至表面干燥后进行拉漆。具体操作如下：将漆料倒入月牙型容器中，再加入33%的XS-528稀释剂，搅拌均匀，将竹单板卷管从大口进入，小口拉出，使漆料均匀涂覆于竹单板复合管表面。随后，将涂覆漆料的卷管静置3 h至表面干燥，再用800号水砂纸打磨至表面光滑，用水清洗干净，静置待表面干燥后进行第二遍拉漆，然后放入烘箱升温至80 ℃干燥1.5 h后取出，静置降至室温，再用800号水砂纸打磨至表面光滑。采用上述方法再拉第三遍漆。每次拉漆完成后放入干燥箱中烘干，烘干过程中干燥箱的升温速度不宜过快，否则会导致漆料和竹单板内部的水分蒸发过快，使漆膜表面出现气泡，而影响产品的整体美观度，升温速度通常为2 ℃/min。