竹材人造板分類及結構研究

竹子是森林中最重要的資源之一。它是一種特殊的植物，具有特殊的經濟、生態和社會價值。我國是竹子種類最豐富、分布最廣的國家,素有“竹子王國”之美稱。據第六次森林資源普查結果,我國現有人工經營的竹林面積484余萬hm2,主要分布在我國南方的17個省(市),其中以福建、浙江、湖南、江西等地居首。竹子是速生材,是世界上生長最快的植物,3~5年生的竹材即適宜作人造板材料。竹材作為可再生速生生物質材料具有獨特的性能。其一竹材的強度高,抗壓抗彎強度高,結實耐用。其二竹材質感好,表面光滑,不積塵、不結露、易清潔。其三竹材美觀適用,紋理清晰、板面美觀、色澤自然、竹香怡人,質感高雅氣派。其四竹材加工性好,容易干燥。其五竹材用途廣泛,可用于建筑、家具、裝飾領域等。但竹材也有其不足,如直徑小、壁薄中空、具尖削度;結構不均勻,各向異性明顯;易蟲蛀、腐朽和霉變,難以長期保存等。了解竹材的這些特性,對利用竹子的優良特性、克服竹材的不足、制訂適宜的人造板工藝和參數、制造優良的竹材人造板產品具有很重要的意義。1竹材人造板的種類竹材人造板是以竹子或部分竹子為原料,經過切削加工、干燥、施膠、組坯、壓縮膠合等一系列工藝,而制造成的一種人造板材。竹材人造板幅面大,材質細密,不易開裂,尺寸穩定性好,具有抗壓、抗拉、抗彎強度高,剛性好耐磨損,各向異性差異減小等優點。竹材人造板品種繁多,從竹材結構單元在人造板中的分布狀況來看,竹材人造板主要有竹膠合板、竹集成材、竹地板、竹層積材、竹復合板、竹碎料板和竹纖維板7大類,主要用作裝飾材料、建筑模板、車廂底板、包裝箱板、家具面板等,廣泛應用于建筑、包裝、家具、運輸等行業。竹膠合板:竹編膠合板、竹簾膠合板、竹片膠合板。可作竹材車箱板材、竹模板材、裝飾板材、家具材。竹集成材:竹家具裝飾板、刨切薄竹。可作地板材、家具材、廚房菜板、裝飾貼面材。竹地板:徑面竹地板(側壓竹地板)和弦面竹地板(平壓竹地板)。可用作室內外地面裝修。竹層積材:竹簾層積板、重組竹。可作建筑結構材,家具材。竹復合板:竹塑復合板、竹木復合板。可作建筑模板、裝飾材、地板材。竹碎料板:竹碎料板、竹材中纖板。可作包裝箱材、貼面板基材。竹纖維板:高密度、中密度纖維板。可用作家具材料、包裝箱材、裝飾材。2竹材板的制造技術2.1竹采用板類形式竹材加工成篾片或竹片,經過不同方式的編織,經施膠、層疊組坯、壓縮膠合而成。按組坯結構分,主要品種有竹席膠合板、竹簾膠合板和竹片膠合板等品種。竹膠合板主厚度的大幅面人造板材,其特點是內部的組成篾片或薄片在不同層之間縱橫交錯,板材兩面結構主要用作建筑用模板、車廂板、包裝箱板和家具、裝飾板等。按用途分類為竹膠合板模板、竹集裝箱板、竹裝飾膠合板等。目前市場用量最大的是竹膠合板模板,其次是竹集裝箱板。2.1.1竹席織物和竹席板竹席膠合板是將竹子剖成厚1~2mm、寬10~15mm左右的竹篾,編成長方形竹席,經干燥、涂膠或浸膠,竹席縱橫交錯組坯后熱壓膠合而成的人造板。竹席膠合板可以具有不同厚度。竹席膠合板具有很高的物理、機械性能,其產品適合做結構材和建筑水泥模板材。其缺陷是竹席的編織難以機械化;耗膠量大;表面凹凸不平。竹簾膠合板是將竹子剖成厚1~2mm、寬10~15mm左右的竹篾,用細棉線、麻線或尼龍線將其連成長方形竹簾,經干燥、涂膠或浸膠,竹簾縱橫交錯組坯后熱壓膠合而成的人造板。竹簾編織簡單且容易機械化,竹篾沒有重疊部分,因而不會影響膠合強度。竹簾膠合板具有很高的物理、機械性能,其產品適合做結構材、建筑水泥模板和裝飾板材。竹片膠合板是將徑級較大的竹子如毛竹、龍竹、巨竹或麻竹,除去竹青、竹黃后經刨削加工成等厚的竹片,經干燥、涂膠、縱橫交錯組坯、熱壓膠合而成的膠合板材。具有強度高、剛性好、變形小、耗膠量少、易于工業化生產等特點,是一種理想的工程結構材料,可廣泛應用于集裝箱、客貨汽車、火車底板和高檔建筑模板。2.1.2竹材、竹席、墻竹子→截斷→篾片或竹片加工→竹席或竹簾編織→干燥→浸膠→二次干燥→組坯→熱壓→鋸邊→砂光→分等檢驗→包裝入庫。竹子:眉徑9cm以上的毛竹或桂竹、麻竹、巨竹、龍竹等,圓直粗壯,4~6年生,無霉變、腐朽。篾片或竹片加工:篾片有弦向篾片和徑向篾片。弦向篾片是傳統的剖篾加工方式,通過剖分機將原竹剖分成竹條,沿弦向剖篾,除去了竹青和竹黃,質量好,但厚度偏差大,出材率低,生產效率低。徑向篾片可實現機械化操作,竹筒經剖篾機加工,一次即出篾片,厚度可在0.6~2.3mm范圍內調節,篾片之間均勻,厚度偏差小,篾面光潔,耗膠量減少,無需去青去黃,竹材利用率可達85%。竹片是將竹子用剖分機加工成竹條,再經過去青、去黃的刨削加工而成等厚的竹片。竹席或竹簾編織:手工或機械編織。竹席采用經、緯篾縱橫交錯,按挑一壓一、挑二壓二等方法編成。竹簾是將竹篾用細棉線、麻線或尼龍線連接而成。干燥:100℃,8%~12%。浸膠:24%酚醛樹脂的膠粘劑浸漬60s,浸膠后的含水率30%~40%。二次干燥:在80~90℃下干燥至10%~15%,竹篾不粘手。組坯:竹簾縱橫交錯組坯。熱壓:竹膠合板素板采用“熱-熱”膠合工藝,如壓力2.4MPa、溫度135℃、每毫米板厚加熱時間60s。分等檢驗:氣干密度0.85g·cm-3;膠合強度1.57MPa;抗拉強度72.6MPa;抗彎強度93MPa。2.2竹家具的分類竹集成材是一定厚度竹條經組坯、膠合等多道工序加工而成的一種人造板材料。根據用途可分為竹家具裝飾板、刨切薄竹等。從板面紋理來分主要有竹材弦面集成材、竹材徑面集成材等,從竹條排列情況來分有平行結構和垂直結構集成材。可以加工成一定規格的幅面及厚度,可用作家具裝飾板、地板、刨切薄竹、建筑梁柱等材料。2.2.1粗高效制作芯板竹家具裝飾板每層為精加工后的竹條縱向膠拼成一定寬度的竹板,然后竹板間再垂直膠合成一定厚度的人造板,多為三層結構。通常幅面為310~1220×2440mm,厚度14~25mm。選材→鋸截→開條→粗刨→水煮→干燥→精刨→選片→涂膠→組坯→膠合→截邊→砂光→包裝。選材:圓直粗壯,4~6年生,眉徑10cm以上的毛竹。粗刨:刨去竹條外節,竹青、竹黃。水煮:殺菌除蟲,去營養物質,漂白、均色、防霉、防蟲。干燥:含水率7%~9%。精刨:平整光滑,厚度精度誤差±0.2mm。涂膠:60%脲膠,游離甲醛含量≤0.1%,粘度0.3~0.5Pa·s,涂膠量200~250g·m-2。組坯:通常采用兩次成型工藝,即首先制造芯板,然后三層合成。膠合:熱壓、冷壓、高頻膠合工藝均可。側壓2~3MPa,正壓1~1.5MPa。95~110℃熱壓9~12min。砂光:雙面兩遍砂光。100#頭遍,180#二遍。2.2.2竹材的制作一般可選用磚、墻裝、熱壓、膠合物刨切薄竹是一種新型的表面裝飾材料,它是將竹片經過一系列加工處理,膠合成方材,軟化刨切成一定厚度的薄竹片。刨切薄竹的厚度在0.15~1.5mm之間。一般在其背部覆一層無紡布增加強度,防止破裂。可用于人造板貼面,制造成各種裝飾用貼面板和地板。刨切薄竹經漂白、染色、防腐和阻燃處理后,改良竹材性能,增加竹材視覺觀賞性,豐富竹材產品種類,具有很大的發展空間。竹材順紋集成板→軟化→涂膠→組方→壓縮膠合→竹集成材方材→軟化→刨切→涂膠→組坯→熱壓→剪切→包裝。竹材順紋集成板:顏色均勻,耐水,寬度200~350mm,砂光。軟化:熱水浸泡軟化,并加適當軟化劑。涂膠:耐水膠粘劑,pH6~8,固體含量55%,粘度7~8.5Pa·s,250~300g·m-2。壓縮膠合:壓力2~4MPa,時間2~4h。軟化:升溫速度2℃·h-1,50℃時保溫36h左右,pH8~9。刨切:橫向刨切機,刨切后角1~2°,楔角18°左右,刃傾角5°。2.3面為水造板的要求更高竹地板是一種特殊的人造板,其加工精度,美觀度等方面比其它人造板要求更高。因此,在生產工藝上通常采用的工藝流程是,先將圓筒狀的竹材加工成等寬等厚的竹片,然后再按一般的木材集成材的加工方法進行后續制作。2.3.1炭化竹地板片竹地板按表面結構可分為徑面竹地板(側壓竹地板)和弦面竹地板(平壓竹地板)兩大類。按竹地板的加工處理方式又可分為本色竹地板和炭化竹地板。本色竹地板保持竹材原有的色澤,而炭化竹地板的竹條要經過高溫高壓的炭化處理,使竹片的顏色加深,并使竹片的色澤均勻一致。竹材地板的加工工藝與傳統意義上的竹材制品不同,它是采用中上等竹材,經嚴格選材、制材、漂白、硫化、脫水、防蟲、防腐等工序加工處理之后,再經高溫、高壓熱固膠合而成的。2.3.2竹片的制作和蒸煮斷料→開片→粗銑→炭化(或蒸煮)→干燥→精銑→涂膠→熱壓→砂光→開邊槽→銑端槽→涂裝→包裝。斷料:取新鮮、四齡以上的原竹按照預先設定的長度用截斷機裁鋸成一段一段的竹筒,俗稱下料。原竹梢部由于竹壁較薄,不宜用于加工地板,因此在實際生產過程中,一般壁厚小于7mm的竹梢,用于生產竹筷、竹串或加工竹簾。開片:將截斷機所截取的竹筒,用開片機鋸開,得到等寬等長的竹片。通常,竹片寬度越寬,則刨削竹青、竹黃時的切削量就越多,竹材的利用率就越低。因此,必須合理確定竹片開片的寬度。通常,如果生產的是徑向板則竹片的寬度以20~25mm左右為宜。粗刨:將竹片兩面竹青、竹黃去掉,并刨削加工成斷面形狀為矩形的竹片。因為竹青組織致密、質地堅韌,外表還附有一層蠟質,竹黃維管束稀疏,如不去掉竹青竹黃,不僅蒸煮漂白時,化學藥物難以滲透進去,達不到應有的效果,而且在熱壓時影響膠粘劑的附著,降低膠合強度。碳化或蒸煮:竹材比一般木材含有更多的營養物質,這些有機物質是一些昆蟲和微生物的最好營養,容易引起霉變和蟲蛀,生產上即通過竹材碳化和蒸煮來解決這個問題。碳化的原理是將竹片置于高溫、高濕、高壓的環境中,使竹材中的有機化合物,如糖、淀粉、蛋白質分解變性,使蛀蟲及霉菌失去營養來源,同時使附著在竹材中的蟲卵及真菌被殺死。竹材經高溫、高壓后,竹纖維焦化變成古銅色或類似于咖啡的顏色,地板顏色古色古香,別具一格。竹材蒸煮是制作本色竹地板的必要環節。蒸煮處理可將竹材中的可溶性有機物析出,并殺死竹材中的蟲卵和霉菌,以達到防蟲防霉的目的,通常與竹材漂白相結合。2.4小材大用,變廢為寶竹層積材是將竹材通過不同方式加工成條狀,經干燥、施膠、組坯、壓縮膠合等方式而制成的竹材人造板,其特點是竹條按同一方向排列,可小材大用,強度高、幅面大,可制成大規格方材,主要品種有重組竹、竹簾層積板等,可作建筑結構材、室內裝飾材、家具等。下面簡要介紹重組竹的生產工藝流程和參數。重組竹是將小徑竹經碾壓、干燥、浸膠、組坯和熱壓處理而制成的竹材人造板。我國小徑雜竹迄今尚未得到有效利用,據統計現有200萬hm2雜竹面積,1180萬t的雜竹產量中,大部分為小徑雜竹。據估算一個年產3000m3的重組竹生產廠,可消耗竹材4600t。重組竹可小材大用,變廢為寶,既可解決解決小徑雜竹的利用出路問題,為竹農致富,又可解決竹鄉竹農的就業問題,其產品可作建筑結構材、裝飾材。竹材→去青→截斷→碾壓→干燥→浸膠→干燥→組坯→熱壓→裁邊。去青:刮去竹材外層的竹青。截斷:截成500mm的竹段。碾壓:將竹材完全碾壓至完全疏解成竹束。干燥:100℃將竹束干燥至10%含水率。浸膠:浸漬固體含量30%的酚醛樹脂1~2min。干燥:在50℃條件下將浸膠后的竹束干燥至含水率10%~15%。組坯:組成同向多層板坯。熱壓:熱壓壓力為4.0MPa,熱壓溫度為140℃,每毫米板厚熱壓時間為1min。2.5竹復合板2.5.1品的物理力學性能以竹膠合板為基材,兩表面覆貼木質單板和浸漬紙熱壓而成的人造板。該產品具有極高的靜曲強度和彈性模量、硬度、耐磨損等物理力學性能,作為混凝土模板在近代建筑業和大型工程施工中應用廣泛,且還具有很大潛力。通常竹塑復合板則采用“冷-熱-冷”膠合工藝或兩步法“冷-熱-冷”膠合工藝。(1)次浸漬+沖壓復合熱壓工藝①素板處理:水泥模板素板→刨光→補膩→砂光②浸漬紙處理:牛皮紙→一次浸漬→二次浸漬→干燥→冷卻→膠膜紙③緩沖層處理:軟質單板(厚度1~1.2mm,雙面涂膠量300~340g·m-2)→涂膠④組坯:上鏡面板+浸漬紙+緩沖層+素板+緩沖層+浸漬紙+下鏡面板⑤熱壓工藝:坯板→進料→熱壓→陳放→冷卻→檢驗(2)脂摩爾比和溫度浸漬用牛皮紙一般技術要求100~120g·m-2。浸漬膠粘劑為水溶性酚醛樹脂。合成樹脂摩爾比為苯酚∶甲醛∶氫氧化鈉=1∶1.5∶0.25。樹脂固體含量45%以上,粘度0.6~1.2Pa·s(20℃),游離酚2.5%以下。熱壓工藝參數為熱壓溫度140~150℃,單位壓力(兩段加壓)1.2~2MPa,加壓時間3~5min,陳放48h。2.5.2市場前景產品竹木復合板材,是將竹片作為表板,速生材木單板或木板條作為芯層材料,通過膠合熱壓而成的竹木復合板,常作為地板或室內裝飾板材料。該板以竹材物理力學性能好、表面裝飾性好的特點,與速生豐產木材質輕、力學性能差的特點結合,可取長補短,有望成為很有市場前景的產品。由于竹材與木材有許多相同的材性,又各有其特點,因此竹木復合人造板是一類品種最多的竹材復合人造板。其結構形式主要是層積復合結構。木材主要以木單板(或薄木)、木方(或木板)的形態參與復合;竹材多加工成竹片、竹席、竹簾和竹單板,兩者都可以分別是復合板的芯層和表層,這主要決定于復合板的性能或用途要求。金春德以濕法中密度纖維板生產工藝生產的高密度纖維板為基材,采用熱進冷出熱壓工藝研制浸漬三聚氰胺的紙質裝飾貼面板、浸漬三聚氰胺的天然薄木裝飾貼面板;以冷壓法研制基材表面覆蓋竹片,背面配置普通旋切木質單板的竹材復合板。這些裝飾材料的物理力學性能達到:密度>0.95g·cm-3,含水率<3%,吸水率<4%,厚度膨脹率<7%,靜曲強度>45MPa,彈性模量>8500MPa。2.6竹碎料板2.6.1竹碎料板的種類竹碎料板是利用小徑竹材和竹材加工剩余物為原料,加工成竹碎料為構成單元而壓制的一種板材,它是開發利用各種竹材和提高竹材利用率的一條重要途徑。竹碎料根據竹碎料的幾何形態和板坯的鋪裝方法不同,可分為普通竹碎料板、竹絲碎料板、竹大片碎料板和定向竹料板等四大類型。普通竹碎料板主要利用小徑雜竹或竹制品加工剩余物為原料,由于竹種繁多和剩余物的幾何形態等情況不同,壓制的板材性能差別也較大,一般與木刨花板的性能相近,用途也基本相同,是竹碎料板中的一個主要產品。目前我國已建成幾十家小型碎料板廠,產品主要用作貼面板基材、包裝箱材料。2.6.2竹片碎料加工原料→備料→篩選→干燥→拌膠→鋪裝→預壓→熱壓→堆放→裁邊→檢驗→產品。備料:備料的設計工藝及選用設備與原材料的種類有關,采用雜竹、毛竹梢頭為原料時,可將竹段經碾壓、切斷、再碎。如原料為竹材加工剩余物,則先將竹片切斷后經再碎機加工成碎料。碎料形態為針狀竹絲或纖維束。干燥:原料初始含水量多在40%以上,可選用轉子式干燥機將其干燥碎料干燥至3%~5%含水率。拌膠:室內用脲醛樹脂膠,室外制品用酚醛樹脂膠。使用脲醛樹脂膠時常加石蠟乳液防水劑。鋪裝:在保證結構和尺寸要求情況下,必須滿足產品密度要求。因此鋪裝時要保證平面和厚度方向結構均勻,兩面結構對稱。熱壓:通常竹碎料板廠,多為小型加工廠,使用單層熱壓機。熱壓是在一定熱力和壓力條件下完成的。熱壓溫度的高低與使用的膠種及熱壓條件有關。熱壓壓力與板坯的壓縮特性、板材的密度、碎料板的施膠量及熱壓溫度等因素有關。2.7高密度纖維板竹材纖維板是以竹纖維或以竹纖維為主制造的纖維板,從制造方法來分有干法纖維板和濕法纖維板,從密度來分有高密度、中密度和低密度纖維板。宋孝金等研究了用毛竹、綠竹、麻竹為原料制造中/高密度纖維板的工藝,通過正交法優選出了上述竹材制作竹或竹木質中/高密度纖維板的較佳工藝,用該工藝生產出來的纖維板產品的理化性能達到或超過了現行標準規定的技術指標。施霖利用中小徑間伐竹部分替代木材生產強化木地板用高密度纖