全 文 ：夕 研究与分析 林 产 工 业 E RS A E RC H &A A S S Y I L NC l l】 NA F口 l R资 T州顶 JS I叹 Y
刨切薄竹用竹方软化新技术 `
庄启程 ` 黄永南“ 柳桂续 “
摘要 :软化处理是竹方刨切薄竹的关键环节 ,直接影响着薄竹的质量和利用率 , 本研究利用高频加热技术对竹材进行
软化处理 ,发现刨切的薄竹不仅质量好 ,优等率和利用率高 , 而且具有生产环保 、 软化速度快 、投资少 、生产成本低 、操作
方便等优点 ,具有极高的经济和社会效益 。
关键词 : 刨切薄竹 ; 高频加热软化 ; 胶合强度 ; 硬度
中图分类号 :阶 95 文献标识码 : A 文章编号 : 1 00 1 一 5 29 9 (2 00 3 ) 05 一 0 03 8 一 0 4
A d v a nc ed T ec h n o l o gy fo r S o ft e n in g B a l ul x犯 B IOC k
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近年来 , 随着可用木材资源的 日益减少 ,素有我国
“ 第二森林 ”之美称的竹材的利用 日渐提到日程 。 国家
计委更是明确将竹材列人了《当前国家重点鼓励发展
的产业 、产品和技术 目录 》中 ; 国家科技部则将竹木复
合材料的研究开发列人国家 863 计划 。 国家政策的倾
向和市场的需求使竹材资源的开发利用得到了迅猛发
展 。 充分挖掘竹资源潜力 ,开展竹资源的精加工 、深加
工已成为研究热点仁`」。 其中竹集成材的开发成功便
是竹材利用的一大飞跃 。 随着胶接技术的飞速发展和
竹材加工技术的研究开发 , 竹材集成材 的生产已 日渐
成熟 , 目前国内江苏 、浙江等地企业已基本实现了竹集
成材的流水线批量生产 。 由于竹集成材的利用范围较
窄 , 于是如同刨切薄木一样开发生产刨切薄竹 、刨切微
薄竹成为扩大竹集成材用途的一个关键环节 。 试验证
明 , 决定刨切薄竹质量的关键是看软化程度的好
坏红2 ] 。 目前普遍采用 的软化方法是常压水煮法 , 采用
此法不仅生产成本高 、 占地面积大 、 生产周期长 , 而且
由于其工艺的局限性 ,对胶层有较大的破坏作用 (对使
用改性脉醛树脂生产的竹集成材影响尤其明显 ) ,致使
刨切的薄竹质量偏低 , 开裂较多 , 优等品少 , 降低了其
利用价值 。 维德集团德华建材 (苏州 )有限公司经过多
年的生产实践 , 开发高频加热竹集成材 (以下简称竹
方 )的软化技术 ,取得了可喜的成果 。 本文旨在介绍这
种全新的竹材软化技术 , 以促进竹质产品向高档化 、 多
用途 、高技术含量和高附加值方向发展 。
二 本项发明专利申请号 : 03 13 2 0 6 6 . x
庄启程 , 教授 , 维德集团 , 香港
黄永南 , 维德集团德华建材 (苏州 )有限公司 , 苏州 21 51 51
柳桂续 , 通讯地址同第二作者
收稿 日期 : 2 0 3 一0 7一 14
·
38
·
1 竹方刨切的特点
1
.
1 硬度高
竹材的密度在 0 . 7一 0 . 8 9 c/ 时 左右 ,硬度一般在
林产工业 2003 年第 30 卷第 5 期
夕 研究与分析 林 产 工 业R S R CH E EA &AL A NYS IS C H I NAFO R I路 1, PR ODUC 伟 D 刃旧STRY
65一 7 5M P a 之间 , 而 同样密度的木材硬度仅 35 一
45 M P
a ,故刨切竹材的难度和对刀具 、设备性能的要求
比刨切普通木材要高的多。
1
.
2 纵横强度比高 ,横向结合力小
竹材的纵横强度比高达 30 : 1 , 而一般木材却仅为
2 0 : 1
,且竹纤维的排列走向平行而整齐 , 纹理一致 , 没
有横向联系闭 , 因而竹材的纵向强度大 , 横向强度小 ,
容易产生劈裂 。 直接刨切薄竹背面裂隙多 , 表面粗糙 ,
凹凸缺陷多 , 不平整 , 啃丝起毛现象严重 , 可利用价值
不高 ,并且很难刨切得到 0 . 6 ~ 以上的薄竹
, 大大限
制了刨切薄竹的生产和利用 。
所以 ,竹材刨切前的软化处理是竹方刨切薄竹生
产工艺重要环节之一圈 。 它不仅影响着刨切薄竹的
质量 ,而且其处理方法制约着刨切薄竹用竹方生产所
使用的胶粘剂类型 。 目前许多企业为了提高刨切质
量 , 降低刨切前的水煮软化对胶合强度的影响 , 不得不
全部采用水性胶 A P I进行集成胶合 , 导致生产成本居
高不下 ,影响了竹方用途的扩展 。
2 常用的竹方软化方法
常采用的软化方法有 : a )常压水煮法 ; b) 化学药剂
法 ; c )高温软化法等方法 。 其中化学药剂法因为成本
高 ,对胶层破坏性大 , 且对环境存在污染 , 故实际应用
价值不高 。 高温软化法对软化设备 、操作工艺 、辅助设
施等方面的要求较高 ,实际操作困难 ,且卸压后温度会
迅速下降 。 所以目前各企业普遍采用的方法为常压水
煮法 , 而此法的处理时间长 , 能源消耗量大 ,处理成本
高 ,难以处理大幅面的竹材 ,软化质量不稳定等 。 维德
集团德华建材 (苏州 )有限公司开发的高频加热软化竹
方技术具有软化时间短 , 能源消耗量少 , 处理成本低 , .
幅面尺寸无限制 ,软化质量高 ,生产清洁等优点 。 笔者
对常压水煮法和高频加热法分别进行了试验 , 比较了
两种方法的软化质量 、 投资成本 、 运营成本等 ,本文将
对试验过程和试验结果进行详细阐述 。
化处理试验 ,处理后立即进行检验和刨切 。
3
.
2 软化工艺
试验 A :采用常压水煮法 。 工艺采用 目前多数企
业常用的经多年生产实践得出的最佳工艺 。 设备 :蒸煮
池 ;能源 :蒸汽 ;水温 : 40 一 60 ℃ ; 升温速度 : 1 . 5一 2 . 0
℃ h/ ;软化时间 : 夏季 2 4 一 4 8h ;冬季 4 8一 7 2h 。
注 : 具体软化时间由竹方的体积决定 , 一般宽 (或厚度 )每增加 cI m ,需
延长时间约 0 . 8一 h1
试验 B : 采用高频加热软化处理方法 。
设备 : 高频发生器 ;能源 : 工业 用电 ; 电源 : 380 V
( 50 H
z
) ;输出功率 : 3 0 0 kw ;栅极电流 : 0 . 2 5一 0 . 6A ; 阳
极电流 : 2 . 0一 3 . 0 A ;软化时间 : 4 0 一 SOm i n (不受气温
影响 ) 。
注 :软化时间与竹方的高度和含水率有关 , 含水率在 35 % 一 40 % 条件下
竹方高度在 6 0 ~ 以内的加热软化时间不超过 9 0而 n
3
.
3 试验方法
本次试验共测试竹方的 4 个指标 : 胶合强度 、 弦面
硬度 、温度变化 、 含水率变化 。 其中胶合强度测试参考
国家标准 GB 17 6 5 7 一 1 9 9 9《人造板及饰面人造板理化
性能试验方法》 , 弦面硬度测定参照 G B 1 941 一 9 1《木材
硬度试验方法》进行 。
温度的检测采用红外线测温仪 ,检测竹方各层四
周侧面的中间温度 ,取平均值 ;
含水率的检测采用高周波感应式含水率测试仪 ,
检测刨切时高度方向间隔 18/ 处的竹材平面含水率 4
点的平均值 。
胶合强度检测试件在竹方径切方向制取 ,厚度为
10 ~
,试件尺寸为 :
L K W x H = ( 7 5 士 1 ) n l n l 只 ( 7 5士 l ) n u 飞1义 1 0 n l n l
弦面硬度检测试件在竹方弦切方向制取厚度为
10 ~
,试件尺寸为 :
L 又 W x H = 3 0 n l n l x 2 0 n 刀11 x 10 11卫刀
3 试验材料与试验方法
3
.
1 试验材料
试材为浙江安吉恒丰竹业有限公司所生产的侧压
竹方 ,竹条均为 a6 竹龄毛竹 。 规格为 2 5 40~ (长 ) 又
65 o
mnr (宽 ) x 230 一 4 0( ) n洲 (高 )
, 初平均含水率约为
4 0%
,初始竹材温度为 26 . 6℃ ,试验时室温 27 . 8℃ ,刨
切设备为意大利产卧式倾斜刨切机 (内谬 1 Cern 刃an .
T N 28)
。 随机各抽取 10 根竹方分别用上述两种进行软
刨切薄竹用竹方软化新技术— 庄启程 黄永南 柳桂续
4 试验结果与分析
4
.
1 加热软化处理对含水率的影响
未经处理及经不同方法处理的竹方含水率曲线分
布见图 1 。 从试验 B 高频加热处理后 ,竹方含水率曲
线图中可以看出 , 高频加热对竹材软化处理几乎未影
响其含水率的变化 。 这样可以断定 : 通过高频加热方
式对竹材软化处理的过程中减小或消除了因为含水率
的变化不均匀而引起的干缩 一湿涨应力 ,避免了该应力
对胶层的破坏 。
从试验 A 常压水煮法处理后竹方含水率变化曲
线图中可以看出 ,含水率呈明显的外部高中间低的分
,
39
·
夕 研究与分析 林 产 工 业 RE SE A C RH& A NA YS I S LC HI NA F O R璐 T P RO DU C 伟 D旧U S T RY
渐舞由甲甲由布趋势 (由于竹材的吸水速度与竹材的长度成反比 ,两端吸水速度快 ,所以本试验取竹方的中间部位测量 ,检测其高度方向的含水率分布 ) 。 由此可以断定 ,竹材在
常压水煮处理的过程中必定产生了干缩 一湿涨应力 ,从
而引起微小形变 , 并对胶层产生一定程度的破坏 。 在
该试验中 ,有几根竹材在处理过程中表层胶合层就产
生了轻微开裂的事实也证明了这一点 。
螃
O
O
被极化的带负电荷的分子
被极化的带正电荷的分子
上部 上 18/ 处上 x闷处 中间 下 14/ 处下 l 8/ 处 下部 (竹材部位 )
图 3 高频电场中某一时刻极化分子运动情况
的竹材的胶合强度比未经软化的竹材的胶合强度要略
高 (恢复到同种试验条件下测试 ) 。 经分析认为 , 在加
热软化的过程中对胶层进行了后固化作用 , 使未完全
固化的胶层达到了完全固化的状态 , 这种现象对于使
用改性脉醛树脂胶胶合的竹方尤为明显 。
通过对比分析可 以得知 ,高频加热软化竹材技术
在处理的过程中对竹材胶合强度的影响是微乎其微
的 。 而且由于避免了高温水煮 ,在竹材制造过程中的
竹片的胶合完全可以采用改性脉醛胶进行胶合 ,胶合
效果同样能达到要求 ,而生产成本却可大大降低 。
4
.
3 软化前后胶合强度的变化
通过对软化前 、试验 A 软化后 、试验 B 软化后的
竹方的胶合强度的检测发现 ,经试验 A 处理后与处理
前相比胶合强度有明显的下降 , 随着水煮时间的延长
和水煮温度的升高 ,胶合强度下降愈大 ,在同样的处理
时间和处理温度情况下 , 加人软化剂比不加软化剂要
大 。 经试验 B 处理后与处理前相 比胶合强度的变化
不明显 ,大多要略微高于未处理的竹材的胶合强度 ,试
验中也有略微低于未处理的情况 ,但都不超过 2 % ,在
试验误差之内 ,见图 4 。
605432100ǎ乙并关和希任契拿
图 1 软化处理后含水率在竹材中的变化
4
.
2 加热软化处理过程对温度的影响
常压水煮软化竹材过程中热的传导过程主要是通
过竹材和水分子作为介质进行的 , 由于水分子在竹材
中主要是沿竹材维管束进人竹材 , 并且进人速度随长
度的增加而减小图 , 而竹材又属 于热的不良导体 , 热
传导速度慢 ,所以处理过程中温度梯度明显 (见图 2 ) ,
外围温度先升高 ,外围温度高于内部温度 , 产生的热涨
一冷缩应力明显 ,对胶层也产生一定的负面影响 。 它与
含水率的梯度变化产生的应力共同造成了常压水煮法
处理过程中竹材的开裂和对胶合层的破坏 。
声办气车声夕找翔扣- ~ , -一 -卜一- , - -叫卜一
54石32乃4 1内、ù,ú01
ǎ。山芝à侧裂巾姿
50432100一舒à侧担明仁
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 (各层积层 )
一 加热前温度 ~ 水煮加热后温度一高频加热后温度
图 2 1 层层积的竹方软化处理前后高度方向温度分布图
高频加热软化的原理是通过将竹材置于高频高压
振荡电流所产生的高压交变电场的两极之间 , 竹材中
的活化分子 (主要是水分子 )被极化 , 并随电场的变化
在两极之间做往返运动 , 相互之间或与不动分子之间
产生摩擦和碰撞 ,从而将竹材纤维加热软化 (原理如图
3 所示 ) 。 其特点为加热时间短 , 加热均匀 , 竹材的内
外部同时加热 ,避免了温度梯度产生的应力 。 且热量
不易散失 ,为刨切竹薄木提供了足够的时间 。
试验 B 进行过程中的温度梯度曲线图如图 2 所
示 。
在试验过程中 ,笔者还发现 ,经过高频加热软化后
.
40
.
上部 卜114 处 中间 下114处 下部 傲材部位 )
一 未软化 ~ 水煮软化 一高频加热软化
图 4 不同方法软化处理后胶合强度比较
通过试验比较可以得出 ,高频加热软化处理对胶
合强度基本无负面影响 ,且有利于提高竹方的胶合强
度 。
4
.
4 软化前后竹材硬度的变化
未经软化及经试验 A 软化 、试验 B 软化后竹材弦
面硬度的曲线图见图 5 。
由 图中可 以看出经试验 A 与试验 B软化后竹材
林产工业 20 03 年第 30 卷第 5期
夕 研究与分析 R S E E AR C H& N AL A YS S I
_
林 产 工 业
C HN IF AOR I路 P TR O U DC铭 D用侧 5 1砚 Y
5
.
2包 J切成本的分析
序号 项 目
优等品产出率
竹材利用率
包」刀损耗
(mn l左 0 0 0卯 s )
刨切厚度 ~
未处理
< 0 5 %
(7 0 %
水煮软化 高频加热软化
<7 0 %
蕊8 5 %
妻 90 %
》 9 5 %
S D7 06 5 42 3 0 10
ǎ曰么芝à胃翘
2 3 5 468 7 0 9 1 11 (各层积层 )
}一 未软化 一 水煮软化 一高频加热软化 }
2一 3 1, 2一 1 . 5 0 . 5一 0 . 6
0
.
12 ~ 0
.
6 0
.
12 一 0 . 8 0 . 12 一 1 . 5
图 5 竹材软化前后弦面硬度的变化
外部效果相近 ,但经过试验 A 处理的竹材中间硬度明
显高于边部硬度 ,主要是因为热能未能完全透人竹材
集成材的中部 , 导致中部软化效果较低 ; 而试验 B 则
软化效果均匀 , 中部略优于边部 。
因此 ,高频加热软化处理对竹材的软化处理效果
明显 , 软化质量均匀 ,刨切效率高 , 刨切薄竹质量好 。
这种优势在气温低于 20℃时更为明显 。
4
.
5 软化前后刨切薄竹的质量对比
通过对软化前后刨切薄竹的表面光滑度 、背面裂
隙 、 开裂等缺陷和优等品产出率 、刨切利用率进行分析
发现 ,对同一批次 、相同宽度和长度 、相同层数的竹材 ,
经高频加热软化处理后其优等品产出率比未经软化处
理的要高 35 % 以上 , 比水煮软化处理的要高 15 % 左
右 ,且刨切的薄竹表面光滑 , 背面裂隙少 ,无表面啃丝
起毛现象 。
5 高频加热软化技术的经济效益分析
5
.
1 软化处理成本的分析
序号 项 目 常压水煮软化 高频加热软化
1 软化处理时间 ( h ) 2 4一 2 8 (冬季 4 8一 72 )
2 单位能耗 (折标煤 吨 / h13 ) 30 一 50
3 水资源消耗 ( t n/ 户) 3一 5
4 废水处理成本 (元 t/ ) 1 . 0
5 岗位人员 (人 ) 2
6 刨切设备性能要求 要求高
7 辅助设施 锅炉 、废水处理设施
6 结论
6
.
1 高频加热法软化竹方打破了刨切薄竹生产的瓶
颈 ,是竹材软化的一项新技术 、新发明 。 为竹材资源的
精 、深加工 、提高竹材的利用率解决了一项关键技术 ,
是刨切薄竹工业的技术革命 ,使 “ 以竹代木 ” 的研究发
展跨进了一大步 ,解决了竹材工业化生产的诸多问题 ,
值得大力推广和应用 。
6
.
2 高频加热软化技术所生产的刨切薄竹质量 、利用
率 、优等品产出率都远远高于其他传统方法 ,并且高频
加热软化处理技术有利于加工规格尺寸较大的竹方 ,
使刨切薄竹的生产向机械化程度高 、技术含量高 、附加
值高的方向发展 。
6
.
3 高频加热软化处理的生产成本低 、投资少 、 占地
资源少 、软化速度快 (处理周期只有传统方法 的 1刀O
一 12/ 0左右 ) ,且可以在刨切区就近处理 ,及时 、快速 ,
避免了周转投资和周转费用 ,具有较高的经济效益 。
6
.
4 高频加热软化处理完全实现了清洁化生产 ,仅需
电能 , 无煤 、 水等资源的消耗 ,仅有约 50 dB 的风机噪
声输出 ,无废水 、废气等环境因素产生 , 具有显著的社
会效益和生态效益 。
0
.
6一 1 . 5
1 0一 1 5
1
要求一般
无
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(责任编辑 张德衍 )
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