饱和蒸汽软化工艺对无裂纹竹筒展平板性能影响的研究
摘 要： 在利用竹材制造竹材胶合板的过程中，需要将半圆形的竹筒展平。近年来竹筒展平多采用饱和蒸汽软化工艺对竹筒进行软化，然后对竹材进行无裂缝展平，以获得无裂纹竹筒展平板。本文以竹筒为研究对象，通过采用不同的软化温度（140℃、 150℃、160℃、170℃、180℃）和不同的软化时间（4min、6min、8min、10min），分析不同饱和蒸汽软化工艺前后无裂纹竹筒展平板的化学成分变化，对其进行物理力学性能的测试，探寻不同的饱和蒸汽软化工艺对其性能的影响，并总结出适合于工业化生产和市场化需求的较佳饱和蒸汽软化工艺。
关键词：饱和蒸汽软化工艺；无裂纹竹筒展平板；性能
1 前言
近年来由于天然林保护工程的实施，木材资源日益紧缺；而竹类植物生长速度快、产量高、代木性好，竹类资源日益受到重视，人工竹林面积迅速扩大［1］。中国竹类资源丰富，栽培利用历史悠久。中国有竹类植物39属，500多种，面积、蓄积量、竹制品产量和出口额均居世界第一，素有“竹子王国”之誉［2］。竹材与木材相比，具有强度高、韧性好、刚度大、易纵向剖削等特点［3］。竹子的生长周期短，3-5年即可成材，易更新，利于实现永续利用，在很大程度上替代木材的使用［4］。
竹材的外观形态、结构及化学组成与木材相比，都有相当大的差异，因此它的加工方法、加工设备也有区别［5］。以竹材为主要原料生产的竹材人造板，由于其结构的合理性，大大改变了竹材的形态与结构，改善和提高了竹材的物理力学性能，扩大了竹材的应用领域［3］。竹材纵向强度大，易弯曲; 横向强度小，容易产生劈裂。多年来竹业界一直想攻克将竹筒沿圆周方向快速无裂纹展平技术，但均未实现。通过竹业界多年艰苦的探索，近期我国竹材加工的“竹筒无裂纹展平技术”的梦想终于实现了。这个工艺主要是将新鲜竹筒在高温高压下加热至150 ～ 190 ℃，达到竹材的软化温度，这时的竹材已变得柔软，塑性增加，通过展平机压辊上的钉齿或刀齿分散竹黄的应力，使弧形竹片加工成上下表面无裂缝的平直条形竹片［6］。
本研究以竹筒为研究对象，研究不同饱和蒸汽软化工艺下竹材性能的变化情况，研究软化时间、温度对竹材的物理、力学、化学性质的影响，探索较佳的生产无裂纹竹筒展平板的饱和蒸汽软化工艺，为提高无裂纹竹筒展平板的物理力学性能提供技术依据。
2 国内外竹材软化工艺研究现状
竹材展平时受到的应力与弹性模量(MOE) 成正比，而MOE与竹材本身的温度及含水率等因素有关，减小竹材MOE，即可减小展平时的反向应力，降低竹片展平时内表面裂缝的宽度和深度。减小竹材MOE的方法和措施称为竹材软化。软化处理主要是以水作为增塑剂，增大竹材细胞壁内自由体积的空间。水分子进入竹材纤维的无定形区使纤维润胀，同时在温度的作用下，利用加热提高分子热运动的能量，降低竹材细胞壁成分的玻璃化转变温度，从而降低MOE，塑性增强，更易变形［7］。近三十年来，学者们对于竹材的软化工艺进行了大量研究。软化方法可分为物理软化与化学软化。物理软化分为水煮软化、高温软化和微波软化。
2.1 物理软化
（1）水煮软化
张齐生院士于上世纪90年代采用以水煮—高温软化—平板展平—辊压处理为核心的竹材胶合板制造方法，将水煮处理后的竹材放入以热空气为介质的高温软化箱中加温软化，然后直接送入两块平板中一次加压展开［8］。将竹片按长度和厚度分类装入吊笼在70～80℃热水中浸泡2～3h,浸泡过程中, 应始终保持水面超过竹片。水分蒸发后应不断补充新鲜水, 且每周应清理1次水煮池。竹片水煮过程不仅可以提高含水率和竹片自身的强度，还可以浸提出很多有机物，有利于提高竹材和竹材胶合板的防虫和防腐能力［5］。黄艳文等以毛竹为研究对象，对竹材进行水煮软化处理，比较研究水煮软化后不同年份、不同部位竹材顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、静曲强度和抗弯弹性模量的变化情况。结果表明：①在水煮软化循环实验处理下，毛竹的顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、抗弯弹性模量均呈现下降趋势;②从竹龄来看，在水煮软化循环作用下， 5.5年生的毛竹材的各项性能变化差异最小，性能较稳定; 1.5年生的毛竹材的性能变化差异最大，较不稳定。③从5个纵向高度看，毛竹材自下而上的顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度的变化差异逐渐减小，即毛竹的基部的性能的变化最大，较不稳定，梢部的性能变化最小，较稳定［9］。付钓钧和赵瑞艳将竹材放入80℃恒温水浴锅中预处理60 min后,放入加热套内100℃继续水煮90 min，结果发现软化后的竹材还具有较强的抗压强度［10］。吴一飞将含水率和力学试件分为12组，并记录含水率试件初始重量。对每组试件分别进行水浴处理，水浴温度分别为40℃、60℃、80℃和100℃，水浴时间为1h、2h和3h,发现随着水煮软化处温度的升高和时间的延长，毛竹材的弹性模量与静曲强度呈下降趋势。当水煮温度为100℃、时间为3h时，毛竹材弹性模量与静曲强度下降最多［11］。
（2）高温软化
