辊压树脂定向渗透工艺对竹束干燥及重组竹性能的影响

张亚梅,祝荣先,余养伦,于文吉

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

重组竹是在不打乱竹纤维排列方向、保留竹材基本特性的前提下，将竹材疏解成竹束并按顺纹组坯重新组合，制造成性能可控、规格可调、结构可设计的高性能竹质重组材料[1-2]。重组竹制造技术于2017年被国家发改委列入《国家重点推广节能低碳技术推广目录》加以重点推广；2018年被住房城乡建设部列入“装配式建筑技术”开发项目予以重点支持；2016和2018年两度被国家林草局列入年度100项重点推广技术目录；2020年被国家发改委、科技部、工业和信息化部、自然资源部四部委列入《绿色技术推广目录(2020)》，具有广阔的发展前景。

竹束施胶前后的干燥工艺和施胶工艺是重组竹制备过程中的关键工序[3-4]。目前，企业主要采用间歇式吊笼施胶工艺，即将竹束放入特制的吊笼中，然后在施胶池中放置一段时间后吊出胶池，并沥干多余的胶液后再进行干燥，此法操作简单、投资较小，但是存在以下3个问题:①施胶量和施胶均匀性难以精准控制。此工艺中，竹束施胶量的控制主要是通过调解竹束的疏解度、胶黏剂的固含量，以及控制施胶时间和沥胶时间等来实现的，是对大量竹束整体施胶量的控制，无法对单根竹束进行控制。而竹束施胶的均匀性直接影响重组竹产品的质量[5]，此施胶工艺会导致产品质量的不稳定。②干燥能耗高。此工艺是利用竹束与胶液间的含水率梯度将胶液吸附并渗透进竹束中[3]，如果竹束的含水率较高，则含水率梯度较小，不利于竹束的施胶，因此要求施胶前竹束的含水率控制在10%以下，而竹束施胶后的含水率控制在15%以下，此过程中需要干燥竹束中50%以上的水分。竹束施胶前和施胶后的干燥能耗占整个重组竹生产能耗的 30%以上，这大大增加了重组竹的生产成本。③难以连续化生产。此施胶工艺中，将竹束装入吊笼和取出吊笼均需要人工操作，而随着劳动力成本的升高和企业规模的扩大，这种施胶工艺难以满足重组竹产业发展的要求。因此，改进竹束的干燥工艺和施胶工艺，对提高重组竹的生产效率和改善产品质量，以及节省能耗和保护环境都具有十分重要的意义[6]。

针对现有间歇式吊笼浸胶法存在的问题，中国林科院木材所研制了辊压树脂定向渗透设备，并研发了辊压树脂定向渗透技术。该技术是将定向竹束置于辊压树脂渗透设备中，通过挤压辊上线段状和点状的凸齿，将胶黏剂定向导入竹材中；同时，通过设置挤压辊的间隙，精准控制胶黏剂的施胶量。辊压树脂定向渗透技术的开发可以解决间歇式吊笼施胶过程中施胶不均匀、干燥成本高等技术瓶颈问题，对降低干燥能耗和提高重组竹质量具有重要意义。笔者主要研究了辊压树脂定向渗透技术对竹束干燥和重组竹物理力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试样制备

毛竹(Phyllostachysedulis)采自浙江杭州，竹龄4～5 a，胸径80～100 mm，竹壁厚8～10 mm。竹材经剖分后，采用疏解机疏解成竹束(宽度为120～130 mm)，竹束的绝对含水率为62.39%。

酚醛树脂(PF)胶黏剂，红褐色透明液体，固含量为48%，黏度(25 ℃)为40.5 mPa·s，pH为10.55，水溶倍数为11倍，游离酚质量分数<1%，游离醛质量分数为0.10%，购于广东太尔有限公司。

1.2 仪器设备

疏解机，自制辊压树脂定向渗透设备，热压机，万能力学试验机，水浴锅，烘箱，扫描电子显微镜(SEM)，超景深光学显微镜(UTDM)。

1.3 重组竹制备工艺

1.3.1 重组竹制备工艺流程

重组竹的制备工艺流程如图1所示。将新疏解的竹束分别干燥到绝对含水率为35%和11%，然后分别采用间歇式吊笼浸胶法和辊压树脂定向渗透法施胶，并采用热压法制备成密度为1.10 g/cm3的重组竹。热压温度145 ℃，热压时间1 min/mm，热压压力3.0～3.5 MPa，热压工艺采用“热进冷出”。重组竹制备成400 mm(长)×160 mm(宽)×20 mm(厚)，每个条件压制3块板。

图1 重组竹制备工艺流程Fig. 1 The diagram flow of manufacturing process of bamboo scrimbers

1.3.2 竹束施胶工艺

1)间歇式吊笼浸胶法：将疏解的竹束干燥至绝对含水率为11%，并放置到固含量为20%的PF胶液中浸渍20 min后沥胶，控制竹束的施胶量为13%～14%。

2)辊压树脂定向渗透法：将疏解的竹束干燥至绝对含水率为35%，并放置到固含量为30%的PF胶液中进行辊压浸胶，通过控制压辊间隙和辊压次数来控制竹束的施胶量为13%～14%。

1.4 辊压树脂定向渗透设备

辊压树脂定向渗透设备(图2)是由基座、胶槽、驱动器、若干上挤压辊及下挤压辊构成。胶槽、驱动辊、上挤压辊和下挤压辊支撑在基座上；驱动器连接有相对间隔的上、下挤压辊；上、下挤压辊的外缘圆柱面上设置有凸齿。通过上、下压辊的间隙调节和浸渍树脂的固含量来控制竹束的施胶量；同时，通过压辊上凸齿齿形的设计，将胶黏剂定向导入竹材中。

1.机架；2.驱动电机；3.主动压辊；4.被动压辊；5.配电箱及操作面板；6.压辊联动齿轮；7.胶液盒密封装置；8.出料压辊；9.胶液盒；10.进料压辊。图2 辊压树脂定向渗透设备示意图Fig. 2 The schematic diagram of resin directional penetration by rolling equipment

1.5 性能测试

按照GB/T 30364—2013《重组竹地板》中规定的方法，对重组竹的含水率、密度、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、水平剪切强度(HSS)、吸水厚度膨胀率(TSR)和吸水宽度膨胀率(WSR)进行测试。其中，TSR和WSR试件的处理方法参照室外用重组竹地板。每个检测项目各取10个有效试件，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 竹材含水率对其干燥时间的影响

竹材中的水分为自由水与吸着水，其水分存在状态如图3A所示。自由水存在于竹材的细胞腔中，当细胞腔中的自由水蒸发殆尽，竹材只含有吸着水时，竹材的含水率为纤维饱和点，一般为23%～32%[7]。竹材中的吸着水主要存在于细胞壁中，与细胞壁中的亲水性组分如纤维素、半纤维素等物质以氢键等方式结合[7]，竹材中的水分对竹材加工工艺和利用都有一定影响。

图3 竹材中水分的存在状态(A)及竹束干燥时间与含水率变化曲线(B)Fig. 3 The water status in bamboo (A) and drying time and moisture content curve of bamboo bundle (B)

竹材干燥是竹材加工过程中的重要工序。在实际生产过程中，一般采用85 ℃左右的温度对疏解后的竹束进行干燥。将4 kg左右的竹束放入85 ℃的烘箱中干燥，竹束干燥时间与含水率变化曲线见图3B。由图3B可知，当竹材含水率高于纤维饱和点时，随着含水率的降低，干燥时间呈直线上升；当含水率高于10%而低于纤维饱和点时，干燥时间与含水率关系曲线斜率增大；而当竹材的含水率低于10%时，干燥时间与含水率曲线的斜率显著增大。这是因为当竹束的含水率高于纤维饱和点时，竹束的干燥主要以蒸发自由水为主，自由水容易从竹材中逸出；当竹材含水率低于纤维饱和点时，主要以蒸发吸着水为主，干燥时是以水蒸气或水、气混合方式移动为主，而吸着水不易从材料中逸出。因此，竹束含水率对其干燥时间影响显著。

2.2 辊压树脂定向渗透法对竹束干燥工艺的影响

2.2.1 辊压树脂定向渗透法对竹束施胶前干燥时间的影响

疏解后的竹束，必须经过干燥后才能进入施胶工序。采用间歇式吊笼浸胶法一般要求将竹束的绝对含水率在施胶前控制在11%以下；在辊压树脂定向渗透技术中，将竹束施胶前的绝对含水率控制在35%左右。

将4 kg左右的竹束放入85 ℃的烘箱中干燥，竹束的绝对含水率由62.39%分别干燥至11%和35%所需要的干燥时间如图4所示。相对于间歇式吊笼浸胶法，辊压树脂定向渗透技术中竹束的胶前干燥时间降低幅度约为65%。这是因为当竹材的含水率在纤维饱和点以上时，干燥过程中主要是蒸发竹材中的自由水；而当竹材的含水率为11%时，不仅要蒸发竹材中的自由水，还要蒸发竹材中的吸着水，因此干燥时间会显著增大。

图4 施胶方法对竹束胶前干燥和胶后干燥时间的影响Fig. 4 Effect of glue blending method on the drying time of bamboo bundles before and after dipping process

2.2.2 辊压树脂定向渗透法对竹束胶后干燥时间的影响

间歇式吊笼浸胶法采用控制胶液固含量、竹束施胶时间和沥胶时间来实现对施胶量的控制，并利用胶液本身的质量将多余的胶液自然沥去。本试验过程中，配置PF胶液的固含量为20%，并控制竹束的施胶量为13%～14%，采用干燥法测定施胶后竹束的绝对含水率为95.35%。采用辊压树脂定向渗透法施胶过程中，配置的PF胶液的固含量为30%，通过调节压辊间隙和辊压次数，控制竹束的施胶量为13%～14%，采用干燥法测定施胶后竹束的绝对含水率为58.23%。由此可知，采用辊压树脂定向渗透法施胶竹束的胶后含水率比采用间歇式吊笼浸胶法施胶竹束的胶后含水率显著降低，降低幅度为38.93%。

竹束施胶后的干燥是生产重组竹的关键工序。为减少胶液预固化，一般控制干燥温度为(65±5)℃[3]。将采用两种施胶方法施胶后的竹束在65 ℃烘箱中干燥至含水率为11%～12%，所用干燥时间如图4所示。在相同干燥条件下，辊压树脂定向渗透法施胶后竹束的干燥时间比间歇式吊笼浸胶法施胶后竹束的干燥时间缩短幅度为48%。因此，采用辊压树脂定向渗透法可显著降低竹束胶后干燥时间，从而提高竹束施胶后的干燥效率。

在重组竹制造过程中，提高竹束施胶前的含水率和降低竹束施胶后的含水率，会显著缩短竹束的干燥时间，这对于提高重组竹制备过程中的干燥效率和降低能耗有重要的意义。

2.3 辊压树脂定向渗透法对竹束形貌和胶液在竹束中渗透的影响

采用辊压树脂定向渗透法施胶过程中，通过调节压辊的间隙来控制竹束的施胶量。在此过程中，压辊的压力对竹束的形貌会产生一定的影响，如图5所示，竹束在压辊压力的作用下向宽度方向延展，延展率约为20%。采用扫描电镜观察竹束的微观形貌，如图6A～C所示。由图6可知，辊压树脂定向渗透法使得竹束表面的裂隙增多(图6C)。这主要是因为采用辊压树脂定向渗透法施胶过程中，压辊对竹束的弦切面施压，而竹材中的导管和薄壁细胞抗压能力较差，在压力的作用下会产生破坏[8]，导管和薄壁细胞的破坏增加了胶液在竹束中的渗透通道。

图5 辊压树脂定向渗透法对竹束形貌的影响Fig. 5 Effects of the resin directional penetration by rolling technology on the morphology of bamboo bundles

将施胶后的竹束放入烘箱中固化后，采用超景深显微镜和扫描电镜观察胶液在竹束中的分布情况，如图6D～I所示。采用间歇式吊笼浸胶法施胶，胶液主要分布在竹材疏解产生的裂隙中。而采用辊压树脂定向渗透法施胶，由于胶液在竹束中的渗透通道增多，因此胶液在竹束中的分布更加均匀，如图6E、F所示(圈示为胶液分布位点)。通过扫描电镜观察可知，采用间歇式吊笼浸胶法施胶，胶液基本附着在细胞壁的表面，在固化过程中附着在细胞壁表面的胶液出现明显的裂纹。而采用辊压树脂定向渗透法施胶，胶液在压辊压力的作用下向竹材细胞壁内渗透，并在纹孔内形成胶钉(图6I)。因此，采用辊压树脂定向渗透法可以提高胶液在竹束中的渗透和胶液分布的均匀性。

2.4 辊压树脂定向渗透法对力学性能的影响

采用间歇式吊笼浸胶法和辊压树脂定向渗透法所制重组竹的力学性能见表1。对比可知，采用两种施胶方法制备的重组竹静曲强度差异不明显。这是因为重组竹的静曲强度主要是由竹材本身强度决定的，主要依赖于纤维断裂和界面解离，因此纤维是决定竹材强度和韧性的关键因素[9]。采用辊压树脂定向渗透法施胶过程中，竹束径向的纤维细胞和薄壁细胞在压辊的作用下被压缩[8]。竹材含水率对其力学性能和微观结构有显著影响[10-14]，当竹材含水率较高时，其拉伸强度增大[14]。辊压树脂定向渗透法施胶过程中竹束施胶前的绝对含水率控制在35%，水分作为增塑剂[15]，可以减少压辊对竹材纤维细胞的破坏。因此，辊压树脂定向渗透法对重组竹静曲强度的影响不大。

相比间歇式吊笼浸胶法制备的重组竹，采用辊压树脂定向渗透法制备的重组竹弹性模量和水平剪切强度显著增大，增幅分别为17.85%和59.25%。这是因为在辊压树脂定向渗透法中，压辊压力的作用增加了胶黏剂的渗透通道，提高了胶液在竹束中分布的均匀性和在细胞壁中的渗透性，使得重组竹中的胶合位点增多，从而增大了重组竹的刚度，同时提高了重组竹的胶合性能。

2.5 辊压树脂定向渗透法对耐水性能的影响

水分的存在与变化是导致重组竹尺寸不稳定的主要原因之一[7]。本研究采用28 h循环处理法模拟测试重组竹在室外环境放置后的吸水膨胀率，并以此表征重组竹的尺寸稳定性。重组竹经28 h循环处理后，其吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率如表2所示。与间歇式吊笼浸胶法相比，采用辊压树脂定向渗透法制备的重组竹，其吸水宽度膨胀率和吸水厚度膨胀率都显著降低，降低幅度分别达到36.48%和22.67%。这说明采用辊压树脂定向渗透法制备的重组竹耐水性显著提高，尺寸稳定性得到改善。这主要是由于辊压树脂定向渗透法使得竹束产生更多的裂隙，胶液在竹束中分布更加均匀，同时胶液在压力的作用下向细胞壁内渗透，形成了更多的胶合点，从而使得重组竹的耐水性增强，提高了其尺寸稳定性。

3 结 论

研究了辊压树脂定向渗透技术对竹束干燥工艺和重组竹物理力学性能的影响，并与间歇式吊笼浸胶法制备重组竹的竹束干燥工艺和重组竹性能进行了对比。

1)采用辊压树脂定向渗透技术，可以将竹束施胶前的绝对含水率提高至35%，并将竹束施胶后的绝对含水率降低至55%左右。在相同干燥条件下，采用辊压树脂定向渗透技术时竹束施胶前、后的干燥时间比间歇式吊笼浸胶法的干燥时间缩短幅度分别约为65%和48%。由此可知，辊压树脂定向渗透技术可大大缩短竹束施胶前、后的干燥时间，提高干燥效率和降低能耗。

2)相对于间歇式吊笼浸胶法制备的重组竹，辊压树脂定向渗透技术制备重组竹的静曲强度变化不大，而弹性模量和水平剪切强度显著增大，增大幅度分别达到17.85%和59.25%；同时，重组竹的吸水宽度膨胀率和吸水厚度膨胀率均显著降低，降低幅度分别达到36.48%和22.67%。

3)辊压树脂定向渗透法施胶过程中，在压辊压力的作用下，竹束表面的裂隙增多；同时胶液在辊压压力的作用下向竹材细胞壁内渗透，胶液在竹束中的分布更加均匀。