竹材構(gòu)造對(duì)其軟化展開槽的影響研究

張 芊，梁廣元，張曉春，張文標(biāo),王上通，李朝斌

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江德長竹木有限公司，浙江 慶元 323800；3.雙槍竹木科技股份有限公司， 浙江 杭州 311100)

竹材構(gòu)造對(duì)其軟化展開槽的影響研究

張 芊1，梁廣元1，張曉春1，張文標(biāo)1,王上通2，李朝斌3

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江德長竹木有限公司，浙江 慶元 323800；3.雙槍竹木科技股份有限公司， 浙江 杭州 311100)

為了探究毛竹材構(gòu)造特性對(duì)竹筒展開槽及軟化效果的影響，選用壁厚、壁腔比、部位、去青與否、竹節(jié)個(gè)數(shù)等不同構(gòu)造的毛竹筒在溫度180 ℃，時(shí)間6 min軟化生產(chǎn)工藝條件下進(jìn)行軟化實(shí)驗(yàn)，測量分析軟化前后的展開槽大小。結(jié)果表明：毛竹筒構(gòu)造特性對(duì)竹筒軟化展開槽有不同程度的影響，去青和竹節(jié)個(gè)數(shù)對(duì)展開槽的影響最顯著。毛竹壁厚對(duì)軟化展開槽的影響較小，不同壁厚毛竹筒的展開槽相差不明顯；毛竹筒壁腔比對(duì)展開槽的影響較大，竹材壁腔比越小，竹材軟化的效果就越好；竹材基部到梢部的展開槽變化呈增大的趨勢；去除竹青處理可使展開槽顯著增大；竹節(jié)個(gè)數(shù)越多，展開槽就越小。

毛竹材；毛竹筒；構(gòu)造特性；展開槽

隨著“以竹勝木”的發(fā)展和竹材利用的深化及拓寬，近年新出現(xiàn)了竹展平板的開發(fā)利用，它是提高竹材利用率的最有效方法之一。竹材展平板是將軟化后的竹筒在壓機(jī)輥軸壓力作用下展成保持最大限度厚度和寬度平直狀的竹板材。在竹筒展平過程中，竹材的軟化和展平是其中的重要工序，軟化溫度是直接影響竹筒展平效果的關(guān)鍵因素[1]。黃夢雪等[2]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軟化溫度和軟化時(shí)間分別為180 ℃和6 min時(shí)，軟化效果較好。在竹筒軟化前，在其表面需加工一條線槽稱為展開槽，竹筒展開槽是竹筒軟化展平工藝中不可缺少的重要工序。竹筒展開槽軟化前后的展開槽大小變化反應(yīng)了竹筒軟化的程度和效果，竹筒展開槽的越大，則竹筒的軟化效果越好。

目前對(duì)于竹材軟化工藝方面有研究文獻(xiàn)報(bào)道[3-5]，而對(duì)竹筒的軟化工藝，尤其是竹筒展開槽大小的影響因素尚且缺乏。本文通過對(duì)竹材不同構(gòu)造特點(diǎn)的毛竹筒進(jìn)行軟化展平測試，分析對(duì)比毛竹筒經(jīng)過軟化展平后的展開槽大小，來研究壁厚、壁腔比、部位、去青、竹節(jié)等因素對(duì)毛竹筒軟化效果的影響，為毛竹筒軟化及后續(xù)展平的技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

5年生的新鮮毛竹材，含水率介于33%～45%，壁厚7～15 mm，外徑80～150 mm，無明顯缺陷。由浙江德長有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

DC-2500高溫?zé)崽幚砉?、DC-05竹筒去節(jié)機(jī)，浙江德長竹木制品有限公司；MJ6113圓鋸機(jī)，上海森林木機(jī)設(shè)備有限公司；DHG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，杭州藍(lán)天化學(xué)試驗(yàn)廠；AB204-N電子天平，上海光正醫(yī)療器有限公司；AS971含水率測定儀，深圳市富蘭克電子有限公司；精度0.02 mm游標(biāo)卡尺；其他卷尺、記號(hào)筆等。

1.3 試驗(yàn)方法

分別研究不同壁厚、壁腔比、部位、去青與否、不同竹節(jié)個(gè)數(shù)的毛竹筒試樣，沿竹筒纖維方向在圓鋸機(jī)上開一條細(xì)槽，然后將開有槽的竹筒一起放入軟化溫度溫度180 ℃，時(shí)間6 min的高溫?zé)崽幚砉拗熊浕?，分別測量軟化前后竹筒外徑展開槽兩端和中間的寬度，取其平均值。找出竹筒構(gòu)造特性和展開槽之間的變化規(guī)律及對(duì)后續(xù)展平板質(zhì)量影響因素。

1.3.1 不同壁厚竹筒試驗(yàn) 從毛竹中部截取長180 mm、無節(jié)、壁腔比為11%～12%的竹段，將竹段按壁厚分成<9 mm、9～10 mm、10～11 mm、>11 mm 4組并給每段竹筒編號(hào)。

1.3.2 不同壁腔比竹筒試驗(yàn) 從毛竹中部截取長約180 mm且無節(jié)的竹段，將竹段按壁腔比 9%、10%、11%、12%、13%、14%分為6組，并給每組竹筒編號(hào)。

1.3.3 不同部位竹材試驗(yàn) 分別從毛竹基部、中部、梢部截取180 mm長、無節(jié)、壁腔比為11%～12%竹段，將竹段按部位分為基部、中部、梢部3組，并給每組編號(hào)。

1.3.4 去青竹筒試驗(yàn) 在竹子中部截取180 mm長，無節(jié)，壁腔比為11%～12%的毛竹筒，分為2組，一組進(jìn)行去青處理，另一組保留竹青試樣用于對(duì)比。

1.3.5 不同竹節(jié)個(gè)數(shù)竹材試驗(yàn) 為保證毛竹在相同長度的情況下有不同數(shù)量的竹節(jié)個(gè)數(shù)，在毛竹基部截取長為60 mm、壁腔比為11%～12%、竹節(jié)數(shù)不同的毛竹筒，按竹節(jié)數(shù)1、2、3、4分成4組，并給每段竹筒編號(hào)。

2 結(jié)果與分析

2.1 壁厚對(duì)竹材軟化展開槽的影響

圖1 壁厚對(duì)展開槽大小的影響Fig.1 The influence of wall thickness on the open groove size

圖2 壁腔比對(duì)展開槽大小的影響Fig.2 The influence of wall to cavity ratio on the open groove size

將相同部位、長度、壁腔比且無節(jié)的竹筒按壁厚分成4組后的軟化結(jié)果見圖1。從軟化前后的展開槽大小來看，不同高度毛竹筒的軟化前展開槽大小在1.41～2.32 mm之間，軟化前的展開槽受壁厚影響較小。軟化后展開槽大小在7.41～8.54 cm之間，壁厚為<9 mm、9～10 mm、10～11 mm、>11 mm時(shí)的軟化后平均展開槽大小分別為7.96、8.33、8.21、7.85。圖1對(duì)軟化后展開槽大小變化進(jìn)行了曲線擬合，擬合曲線公式為y=-13.207 9+4.348 02x-0.219 27x2，觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)壁厚為8～10 cm時(shí)，展開槽的變化表現(xiàn)為隨著壁厚的增加而增長的趨勢；10～12 cm時(shí)，展開槽的變化表現(xiàn)為隨著壁厚的增加而減小的趨勢。從整體看，展開槽變化表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。而不同壁厚的展開槽變化在8 cm上下0.5 cm的范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，所以不同壁厚毛竹材的展開槽相差不大，即竹壁厚對(duì)竹材軟化展開槽的影響較小。

2.2 壁腔比對(duì)竹筒軟化展開槽的影響

毛竹筒的壁腔比為毛竹壁厚與直徑的比值。將相同長度、部位且無節(jié)的竹筒按壁腔比 9%、10%、11%、12%、13%、14%分為6組后的軟化展開槽結(jié)果如圖2。所有試件的軟化前展開槽大小在1.22～2.60 mm之間，隨機(jī)分布于各組。軟化前的展開槽受壁腔比影響較小。軟化后展開槽大小在36.17～198.18 mm之間。由圖中可以看出毛竹筒的壁腔比越大，則軟化展開槽變化越小。竹筒的直徑增大，竹材的曲率則減小，軟化時(shí)竹筒展開槽在展開時(shí)受到的反向彎力也越小，竹筒更容易展開，竹筒軟化的效果就越好。在壁厚一定時(shí)，對(duì)于直徑比較大的竹筒，壁腔比也越小，展開槽變化則越大。竹材直徑一定是時(shí)，毛竹筒壁厚越大，則壁腔比越大，展開槽變化越小?？梢姳谇槐葘?duì)竹材軟化展開槽的影響較大。

圖3 部位對(duì)展開槽大小的影響Fig.3 The influence of bamboo culm position on the open groove size

2.3 毛竹部位對(duì)竹筒軟化展開槽的影響

將相同長度、壁腔比且無節(jié)的竹材按部位不同分組后的軟化展開槽結(jié)果見圖3。竹筒展開槽變化從基部到梢部呈現(xiàn)出遞增的趨勢。竹材從根部起約1.5 m左右高度內(nèi)竹壁特別厚，由此厚度減薄率大，直至2.0 m高度，再以后厚度的減薄率開始趨緩，直徑的變化也有類似的趨勢。因此毛竹基部竹壁較厚，梢部曲率半徑較小。竹材由根部到梢部的曲率逐漸減小，軟化時(shí)受到的反向彎力也越小，展開槽的變化就越大，則竹筒越容易展平，竹筒的軟化效果也越好。另一方面，隨著取材部位的升高儲(chǔ)存模量逐漸降低，在同一溫度下，毛竹的儲(chǔ)存模量與高度成負(fù)相關(guān)[6，11]。這說明毛竹的剛性從基部到梢部呈下降的趨勢。

根據(jù)高聚物的粘彈性理論可知：竹材試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及三者之間的混溶性有關(guān)[7]。同一根竹材不同部位的化學(xué)組分的分布有著顯著的差異。從整竹而言,木質(zhì)素、綜纖維素從根部到梢部逐漸增加；半纖維素含量呈逐漸下降趨勢,α-纖維素含量沒有顯著變化[8]。同時(shí)毛竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與交聯(lián)程度成正有關(guān)。毛竹材有機(jī)成分的交聯(lián)程度隨其高度的增加而降低。研究可知同一年齡不同高度毛竹加工的竹單板試樣的儲(chǔ)存模量不同[9]?；康拿癫牡牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度和損耗模量要略高于梢部處的，導(dǎo)致了在同一溫度下，竹材的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨著毛竹高度的增加而降低。[10]即越靠近梢部的地方，剛性越小，抗彎曲性能越低。因此竹材基部到梢部的展開槽變化呈增大的趨勢。

2.4 去青對(duì)竹筒展開槽的影響

從軟化前后的展開槽大小來看，未去青毛竹筒的基部、中部和梢部3個(gè)部位的平均展開槽軟化后分別增大5.81 cm、8.01 cm和7.11 cm；去青毛竹筒的基部、中部、梢部3個(gè)部位的平均展開槽軟化后分別增大10.58 cm、11.66 cm和9.59 cm。總體去青毛竹筒比未去青毛竹筒的平均展開槽增大31%。可知在相同軟化工藝處理情況下，去除竹青處理對(duì)軟化前后的展開槽有很大影響，不去竹青展開槽寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于去竹青展開槽寬度。從圖4中可直觀看出在相同部位、壁腔比和胸徑相差在一定范圍內(nèi)的條件下，去竹青毛竹筒相對(duì)未去青毛竹筒的軟化前后展開槽寬度明顯增大，說明去青軟化效果更好，易于后續(xù)展平。

圖4 去青處理對(duì)展開槽大小的影響Fig.4 The influence of bamboo outer layer removal on the open groove size

圖5 竹節(jié)對(duì)展開槽大小的影響Fig.5 The influence of node number on the open groove size

竹材不同竹壁部位的動(dòng)態(tài)粘彈性是影響竹材材性和利用的重要因素。毛竹材的表面主要以木質(zhì)素和各種抽提物為主，而纖維素和半纖維素含量明顯低于木質(zhì)素和抽提物[11]。竹青部位的木質(zhì)素和a-纖維素均比竹肉和竹黃稍高，維管束比較密集，木纖維比較多，并含有蠟質(zhì)。維管束是竹子的通導(dǎo)組織與強(qiáng)固組織的綜合體[12]，竹材維管束越密集的地方剛性越大。

根據(jù)相關(guān)研究顯示[13]：竹青部位的纖維素、木素和半纖維素的百分含量分別為43.68%、30.33%和22.94%；而竹黃部位的分別為34.79%、26.76%和21.53%。由此可見竹青部位各種有機(jī)組成成分均高于竹黃部位。竹青部位的1%NaOH、苯醇抽出物較竹黃稍高，而冷水、熱水抽出物稍低[14]。竹青部位有機(jī)成分的交聯(lián)程度大于竹肉和竹黃部位，導(dǎo)致了毛竹材儲(chǔ)能模量和損耗模量沿著竹壁徑向由內(nèi)而外依次增大，即靠近竹青部位最大，剛性最大。因此，相對(duì)竹黃和竹肉，竹青其強(qiáng)度較高、硬度較大，會(huì)影響到軟化處理的效果。對(duì)毛竹筒進(jìn)行去青處理后，改變了竹材的表面狀態(tài)，實(shí)質(zhì)上也減小了竹材的橫向彈性模量，從而減小了竹材軟化時(shí)展開槽增大收到的反向彎曲應(yīng)力，排除了竹青對(duì)竹筒的約束力，在溫度作用下，容易使竹筒展開槽展開。

2.5 竹節(jié)對(duì)竹材軟化展開槽及展平效果的影響

竹節(jié)把竹稈分成若干個(gè)竹段，竹稈內(nèi)空腔于竹節(jié)的位置上通過竹隔來分隔竹稈。竹材維管束在竹節(jié)間平行排列，紋理一致，但竹節(jié)部分曲折蜿蜒，盤繞繁復(fù)[15]。在毛竹材的軟化展平過程中不可避免的會(huì)有竹節(jié)的存在，而竹材的竹節(jié)與竹間的特征差異，對(duì)竹材的彎曲會(huì)產(chǎn)生不利影響。在基部截取不同竹節(jié)數(shù)的毛竹筒，選取壁腔比為11%的毛竹筒，對(duì)其進(jìn)行軟化展平后的展開槽大小結(jié)果見圖5。從軟化前后的展開槽來看，不同竹節(jié)個(gè)數(shù)毛竹筒的軟化前展開槽大小在1.47～2.04 mm之間，軟化后展開槽大小在5.48～8.03 cm之間，軟化前后展開槽均隨竹節(jié)個(gè)數(shù)的增加而減小。

竹間的纖維排列整齊沿著縱向通直貫穿，到達(dá)竹節(jié)時(shí)，其走向發(fā)生了縱橫交錯(cuò)。有些由內(nèi)側(cè)拐向了外側(cè)后繼續(xù)縱向延伸，而有些則由外側(cè)拐向內(nèi)側(cè)后繼續(xù)縱向延伸或者直接進(jìn)入竹節(jié)的節(jié)隔部分，而且竹節(jié)上的維管束有一定的增粗現(xiàn)象，竹節(jié)部分竹壁厚度相對(duì)大于節(jié)間部分[16-17]。竹節(jié)處的維管束特性、竹節(jié)及相鄰節(jié)間壁厚不均、表面不平整等原因共同導(dǎo)致了在展平過程中竹節(jié)部分會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。因此，毛竹節(jié)子數(shù)對(duì)展開槽有很大影響，竹節(jié)越少，對(duì)竹筒的束縛作用越小，越有利于軟化。

3 結(jié)論

毛竹壁厚對(duì)竹材軟化展開槽的影響較小，竹筒壁腔比、部位、去青與否、節(jié)子對(duì)軟化展開槽的影響較大。不同壁厚的展開槽變化在8 cm上下0.5 cm的范圍內(nèi)波動(dòng)，不同壁厚毛竹材的展開槽相差不大；竹筒壁腔比為9%、10%、11%、12%、13%和14%的竹筒展開槽平均變化分別為144.05 mm、123.44 mm、118.90 mm、82.57 mm、84.28 mm和71.54 mm，竹筒壁腔比越小，竹筒軟化的效果越好；竹筒基部到梢部的展開槽變化呈增大的趨勢；去竹青毛竹筒相對(duì)未去青毛竹筒展平槽寬度平均增大31%，去青毛竹筒的軟化效果更好，易于后續(xù)展平；毛竹筒節(jié)子個(gè)數(shù)對(duì)軟化效果有顯著影響，軟化前后展開槽均隨竹節(jié)個(gè)數(shù)的增加而減小，竹節(jié)的個(gè)數(shù)越多軟化展開越困難。

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The Effect of Structural Properties of Moso Bamboo on the Open Groove

ZHANG Qian1, LIANG Guang-yuan1, ZHANG Xiao-chun1,ZHANG Wen-biao1, WANG Shang-tong2, LI Chao-bin3

(1.School of Engineering, Zhejiang A & F University, Lin′an 311300, Zhejiang, China;2.Zhejiang Dechang Bamboo & Wood Co.Ltd, Qinyuan 323800, Zhejiang,China;3.Suncha Bamboo & Wood Co.Ltd, Hangzhou311100, Zhangjiang,China)

In order to explore the influence of structural properties of bamboo on the open groove and the softening effect. Bamboos with various wall thickness and different ratio of wall to cavity, from different parts, with different number of nodes, with or without skin inPhyllostachyseduliswere chosen as samples. All samples were softened at 180 ℃ for 6 minutes. Then, the open groove size was recorded and compared. The results showed that the structural properties of bamboo influenced on the open groove size at various degree. Removing bamboo skin and the number of bamboo nodes influenced on the open groove size the most. The wall thickness had less effect on the open groove size. The ratio of wall to cavity influenced significantly on the open groove size. The softening effect increased with the decrease of ratio of wall to cavity, the smaller the ratio, the better the softening effect. The open groove size increased from the base to the tip of the bamboo. Removing bamboo skin can increase the open groove size. The more the bamboo nodes, the smaller the open groove size.

Moso bamboo; Moso bamboo tube; Structural properties; Open groove

2017-01-14

浙江省重大科技專項(xiàng)(2014C02018);浙江省重大科技專項(xiàng)(2014C02004)

張芊，在讀碩士，從事竹材工業(yè)化利用方面研究。通信作者: 張文標(biāo)，博士，教授，主要從事竹材加工與利用方面研究。E-mail:zwb@zafu.edu.cn