我国是全球第一产竹大国, 现有竹种39属500余种, 是我国第二大森林资源(张齐生等, 2003; 刘道平, 2001)。以往的竹材产品品种少, 竹材加工工艺都不太复杂, 多数属劳动密集型产品, 加工层次低, 经济效益不显著。因此, 开发技术含量高、经济效益好、市场竞争力强的竹类资源深加工产品, 是竹材加工业的当务之急。而旋切竹单板正是这样一种新兴竹产品。

在旋切竹单板的生产过程中竹材软化是关键工序之一, 常用的软化处理工艺是将截好的竹段放入40 ~ 50 ℃的水中浸泡6 ~ 10 h后缓慢升温, 温度升至80 ~ 120 ℃后保温1 ~ 2 h, 然后自然冷却到50 ~ 70 ℃即可。为了使竹子快速软化, 在蒸煮时常加入10 %的NaHCO₃(李新功等, 2001; 李德清, 2000; 何德芳等, 2001); 但采用NaHCO₃软化竹材破坏竹材的部分组分, 同时由于竹材吸水速度较慢, 采用这种常规软化法, 竹筒水热处理所需时间较长(程瑞香, 2004)。本研究在密闭容器中采用高温软化处理的工艺, 对处理后的竹材性能及对旋切单板的质量进行研究。

1 材料与方法 1.1 试验材料

采用的竹材为毛竹(Phyllostachys pubescens)。

1.2试验方法

1.2.1 密闭高温软化处理竹材的弹性模量

竹材弹性模量的试验方法参照国家标准GB/T 17657 -1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行, 试件尺寸(长×宽×厚)为150 mm ×20 mm ×6 mm, 试件长度为顺纹方向。

工艺分120 ℃高温软化处理(高温处理)30 min和无软化处理(对照组)2种情况。

高温软化竹材工艺:首先把竹筒放入水池中浸泡8 h, 捞出后再放入装有水的密闭罐中, 注意密闭罐中的水一定要淹没竹段, 以免高温蒸汽使竹材变色, 然后打开阀门, 通入蒸汽使温度升高到120 ℃并保温30 min。

弹性模量的测定在深圳市新三思计量技术有限公司生产的ANS微机控制电子万能力学试验机上进行。试件跨距为120 mm, 中央集中加载, 试验时每个试件的近青面均朝下。软化处理的试件取出擦干后应立即进行试验, 从试验机上直接读取载荷和挠度值并计算抗弯弹性模量。

1.2.2 动态热机械分析(DMA)方法对高温软化竹材T_g的测定

在同一竹片上截取2段, 分别标记1和2。把标号为1的作为对照组的试件, 把标号为2的试件放入密闭蒸煮罐中, 在120 ℃保温30 min。分别把标号为1和2的2种竹片置于(103 ±2)℃下烘至绝干, 再制成四角方正、四边平齐的尺寸为(长×宽×厚)60 mm ×8 mm×5 mm的试样, 在德国NETZSCH DMA 242动态热机械分析仪上进行试验。试验中采用三点弯曲的承载方式, 温度范围35 ~ 200 ℃; 气氛为空气; 升温速率为5 ℃·min^-1; 动态力4 N, 频率3.3 Hz。

1.2.3 密闭高温软化竹材硬度的测定

竹材硬度试件的制作参照国家标准GB/T 1941 -1991《木材硬度试验方法》。试件尺寸为(长×宽×厚)70 mm×20 mm ×6 mm, 其长轴应与木材纹理相平行。

试件处理条件分高温处理30 min和对照组2种情况, 试验方法参考GB/T 1941 -1991。我国国家标准GB/T 1941 -1991规定采用Janka硬度测定法, 其原理即以静荷载将直径为11.28 mm的钢半球压入木材时, 测得的最大荷载值即为木材的硬度, 单位N, 称金氏硬度。但由于竹片的尺寸小, 如果采用直径比较大的钢半球, 竹片易被压裂, 影响试验结果, 因此, 本试验采用直径为4 mm的非标准的钢压头。分别检测生材和处理后的每个试件近青面和近黄面的硬度, 试件检测硬度后及时测定其含水率。

具体方法如下:将试样放于硬度试验设备支座上, 并使试验设备的直径为4 mm钢半球端部正对竹片试验面中心位置, 以3 ~ 6 mm·min-1的速度将钢压头压入试样的试验面, 直至压入2 mm深。将载荷读数计下, 准确至10 N。

采用SIBER HEGNER CO.LTD生产的木材万能试验机, 带有电触型硬度试验设备, 包括一个直径为4 mm钢半球的压头。

1.2.4 旋切竹单板质量的测定

对经高温软化30 min和对照组的旋切竹单板质量进行测定。本试验采用的旋切机为盐城轻工机械厂生产的卡盘式竹材旋切机, 旋刀安装高度-0.3 mm, 旋刀长度为600 mm, 本试验采用的卡盘直径为120 mm。

1) 单板厚度偏差的检测    用于检测单板厚度偏差的试件尺寸为(长×宽)150 mm ×200 mm。检测单板厚度偏差时, 分别在竹段刚进刀处、旋切中部和接近旋切竹芯处截取检测, 3处厚度的平均值与名义厚度之差为一组厚度偏差。而每一处的厚度又为3点的平均值, 这3点如下确定:在150 mm ×200 mm的单板条上, 距两端20 mm处和板条中央用螺旋测微器分别测定单板的3点厚度。

2) 单板背面裂隙的检测    截取10 cm×10 cm的旋切单板, 使其含水率接近30 %, 在单板背面涂以适量的绘图墨水, 干后, 沿试件横向纤维方向切开, 在显微镜下观察断面上裂隙的深度和条数, 计算平均裂隙度。

式中:N为在测定的长度范围内单板背面裂隙的条数; S为单板的厚度; h_i为单板第i条背面裂隙。

2 结果与分析 2.1 密闭高温软化处理竹材的弹性模量

高温软化处理30 min和对照组竹材的抗弯弹性模量见表 1。从表 1中可以看出:对照组竹材的弹性模量平均值为8 912 MPa, 经高温软化处理后, 竹材的弹性模量下降到6 417 MPa, 竹材的含水率增加, 可见竹材经高温软化处理后可以提高塑性, 有条件保证旋切竹单板的表面质量。

高温软化可以提高竹材塑性的主要原因是采用高温软化处理竹材, 水分子进入无定形区使纤维润胀(李文珠等, 2001), 从而使竹材的弹性模量降低。

2.2 高温软化处理后T_g确定

120 ℃软化30 min和对照组竹材和的DMA损耗角正切(tanδ)如图 1所示。以tanδ峰值表示玻璃化温度T_g, 则对照组竹材的T_g为120 ℃, 高温软化处理竹材的T_g为88 ℃, 高温软化处理竹材的T_g比未软化处理竹材的T_g下降了26.7 %。

2.3 高温软化竹材硬度的测定

120 ℃软化30 min和对照组竹材的硬度见表 2。从表 2中的试验结果可以看出, 经120 ℃高温软化30 min后, 竹材的硬度大幅度下降, 近青面和近黄面分别下降了42.0 %和54.7 %。

2.4 旋切竹单板质量的测定

经120 ℃软化30 min旋切的竹单板的厚度偏差和背面裂隙度见表 3。从表 3的结果看, 单板厚度偏差在±0.05 mm以内, 单板背面裂隙也较好, 可见, 120 ℃软化30 min的软化工艺能保证旋切竹单板的表面质量。

3 结论

1) 经120 ℃软化30 min后, 竹材的弹性模量大幅度下降, 竹材的弹性模量由软化处理前的8 912 MPa下降到6 417 MPa, 说明高温软化处理可以提高竹材的塑性。

2) 在DMA试验中, 未软化处理的竹材的T_g为120 ℃, 软化处理的竹材的T_g为88 ℃, 软化处理竹材的T_g比未软化处理竹材的T_g下降了26.7 %。

3) 硬度测试结果表明:经120 ℃软化30 min后, 竹材的硬度大幅度下降, 近青面和近黄面分别下降了42.0 %和54.7 %。

4) 通过对旋切竹单板质量的测定表明:在此软化工艺下, 旋切的竹材单板表面质量可以得到保证。