世界竹藤通讯WORLD BAMBOO AND RATTAN高性能竹基纤维复合材料制造技术余养伦 于文吉 （中国林科院木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点试验室 北京 100091）摘 要：针对我国竹材人造板工业发展过程中遇到的竹材青黄界面有效胶合和竹材单板化利用技术难题，中国林业科学研究院木材工业研究所开发了竹材单板化制造技术、纤维原位可控分离技术、酚醛树脂梯级导入技术和竹基纤维复合材料成型技术等多项技术，研制了多功能竹单板疏解机，建立了竹基复合材料制造技术平台，开发风电桨叶基材、全竹集装箱底板、室外园林景观用材、建筑梁柱、家具、火车车厢底板、水泥模板及建筑撑木等8种竹基纤维复合材料，使毛竹等大径竹材的一次利用率从20%～50%提高至90%以上，使丛生竹、小径毛竹、其他散生杂竹等未能工业化利用的竹材得到高效利用。关键词：竹材；竹材人造板；竹基复合材料Manufacturing Technology of Bamboo-based Fiber Composites with High-PerformanceYu Yanglun Yu Wenji(Key Laboratory of Wood Science and Technology, State Forestry Administration; Research Institute of wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)Abstract: Aiming to give a technical solution to the problems such as the bonding problem of outer and inner bamboo culms and utilization of bamboo veneer in the development process of the bamboo-based panel industry in China, Research Institute of Wood Industry under Chinese Academy of Forestry developed a number of technology including bamboo veneer manufacturing technology, controllable separating technology of bamboo fiber in situ, gradient impregnating technology of phenolic resin and manufacturing technology of bamboo-based fiber composites; originated the multifunctional bamboo veneer fluffer; built a new technology platform for manufacturing of bamboo-based fiber composites; and developed 8 kinds of bamboo-based fiber composites such as wind turbine, container floor, garden landscape, wood structural beam-column, furniture, train compartment floor, cement template and building timber. With the technologies, the yield of large-sized moso bamboo (Phyllostachys pubescen) increased from 20%~50% to more than 90%, and the sympodial bamboo, small-sized moso bamboo and other monopodial bamboo have been used more effectively.Key Words: bamboo timber, bamboo-based panel, bamboo-based fiber composites 中国是世界上最大的竹资源拥有国和竹材生产国，经过近30年的发展，竹产业已经成为具有我国特色的绿色环保产业，据中国第7次森林资源清查报告，全国竹林面积538.10 万hm2，其中毛竹林386.83 万hm2，杂竹林151.27 万hm2；竹林株数829.00 亿株，其中毛竹91.57 亿株，杂竹737.43亿株[1,2]，2012年竹材产量为16.44 亿根，其中毛竹11.15 亿根，篙竹5.29 亿根，竹产业值达1 224基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2010AA101701）。作者简介：余养伦（1979—），男，助理研究员，主要从事木质复合材料加工工艺研究。通讯作者为于文吉（1962—），男，研究员，主要从事竹材材性及加工工艺研究。Email:****************.cn亿，竹地板产量达到0.49 亿m2[2]，2011年竹材人造板产量达到406.14 万m3，小径杂竹产量达到1 177.38 万t[3]，在节约木材、农民增收和环境保护等方面做出了突出的贡献[4]。但是，竹产业主导产品竹材人造板在生产过程中仍然存在着竹材利用率和生产效率低，缺乏高性能、高附加值产品等产业障碍，制约了竹产业提质增效与产业升级[5]。在充分总结了竹材产品发展特点的基础上，针对困扰竹产业发展的重大技术难题，中国林业科学研究院木材工业研究所在“十一五”国家重大科技支撑计划“小径竹制造结构材料与功能性材料的关键技术”、“863”计划“高强度竹基纤维复合材料制造技术”等多项国家级课题的支6 2013年 第11卷 第3期 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.世界竹藤通讯WORLD BAMBOO AND RATTAN持下，集成多项技术，开发出新一代竹材人造板产品—高性能竹基纤维复合材料，在不去竹青、竹黄的条件下，将竹材制造成纤维化竹单板加以利用，突破了制约我国竹产业发展的两大技术瓶颈，即竹材青黄界面有效胶合和竹材单板化利用技术难题，改变了长久以来我国竹材人造板只能采用竹篾和竹条为基本单元的现状，使竹材的一次利用率从20%~50%提高到90%以上[5]，并且使占竹材总资源50%以上的丛生竹、散生竹和小径毛竹等低质竹材得到大规模工业化利用。产品应用领域从室内地板、家具和水泥模板等中低端产品，拓展到高强度风电桨叶和户外高耐候性材料等高端高附加值产品。 侧、根部和稍部径级不同，根据几何学原理，其周长也不同，软化展平后应力大，容易产生变形、开裂，产品质量不稳定，此外，软化展平工艺复杂和成本高。本技术采用机械物理展平法，开发竹材展平设备，采用驱动辊和疏解辊相结合的结构设计，在疏解辊辊面上设置异型齿轮轴系，疏解齿上具有刀刃，刀刃沿圆周方向延伸，各个齿轮上的疏解齿在轴向相错排列。这种异型结构的疏解齿在竹黄面产生交错的线段状裂纹，裂纹使竹黄面周长增加；在驱动辊的辊面上设置麻花纹，使竹青面保持相对完整，又可以增加驱动力，展平后的竹单板的青、黄表面周长基本相同，有效地解决了竹材在展平过程中的劈裂和展平后的变形问题。在展平时，半圆竹筒（图1A）竹黄面对着疏解辊，竹青面对着驱动棍，在驱动辊带动下向前平移，疏解辊对竹黄表面进行局部纵向切割或径向挤压，使竹黄表面产生交错的线段状裂纹（图1B），将竹材展平，形成竹单板（图1B、C）。竹单板的宽度达到原始剖开半圆形竹筒直径的2~5倍，最大宽度达到800 mm，其最大宽度比传统的竹条、竹篾宽度（20~30 mm）增加了30~40倍，实现了竹材单板化，生产效率提高了10倍以上；大片竹束帘采用连续展平工艺，其长度取决于竹材长度，突破了传统竹条、竹篾加工长度的限制，利用大径级的毛竹或巨龙竹展平后的竹单板最大长度达到12 m，可用于生产大跨度结构材，拓展了产品的应用领域。1 高性能竹基纤维复合材料制造技术开发1.1 竹材单板化制造技术竹材径级小、壁薄、中空有节、尖削度大等几何形态，增加了加工利用的难度，使其无法像木材一样，可以通过锯切加工成板/方材、旋切成单板或刨切成薄木，再加工成人造板。目前，竹材人造板单元通常是将竹材经过剖分形成竹条，再经加工成20~30 mm宽的竹篾、竹片或竹束[6]。这种单元结构加工工艺复杂，生产效率低，无法大规模工业化利用，限制了企业做大做强，单板化利用是提高竹材生产效率的有效方法之一，但是，如何将竹材单板化却是竹产业的一项世界难题，我国、日本、印度、美国和我国的台湾地区都进行了大量的研究，重点集中在软化展平[7]。众所周知，竹材为空心椭圆锥形体，外侧和内 A 半圆竹筒 B 竹单板竹黄面 C 竹单板竹青面 D 纤维化竹单板图1 纤维化竹单板制造过程示意图2013年 第11卷 第3期 7 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.世界竹藤通讯WORLD BAMBOO AND RATTAN1.2 纤维原位可控分离技术目的地导入到纤维间隙和细胞腔中，在成型过程中，将空心结构的导管和薄壁细胞密实，有利于提高板材的强度和耐候性，彻底改变了竹材的原有性能，解决了竹材难以渗透的技术难题。1.3 树脂梯级导入技术竹材是一种天然生物质材料，包含竹青、竹黄和竹肉3个部分。竹青和竹黄表面含有难以胶合的蜡质层和硅质层；竹肉主要由纤维、导管和薄壁细胞组成，其中强度大、性能高的竹纤维被包埋在基本组织和导管之间，难以分离。日本、美国、欧盟、我国等国家的研究人员通过化学、酶、汽爆等方法分离竹纤维，但由于成本、生产效率和环境污染等原因，未能应用于人造板生产[8,9]现有技术生产竹材人造板脲醛树脂主要采用涂胶方法，酚醛树脂主要采用浸胶方法，而重组竹所用的胶黏剂为酚醛树脂，所用的施胶工艺为浸胶。浸胶是通过吸附、润湿、渗透，使胶黏剂渗入纤维化竹单板内，由于竹材没有横向的射线组织，横向渗透性较差加之竹束疏解细度不够，采用常规的浸胶工艺，容易造成浸胶不均现象，当产品用于室外时，往往会由于耐候性差，出现开裂、厚度过度膨胀、跳丝等质量问题[10]。本技术通过分子结构调控、有机硅改性以及苯酚/甲醛摩尔比、反应温度、时间和pH值等主要合成工艺条件控制，开发了一种适用于竹材的环保型低分子量高渗透性浸渍用酚醛树脂。并且采用不同浓度树脂多次浸渍导入、真空加压导入、疏解浸胶同步导入等多种方法有机组合，根据产品的性能要求，将酚醛树脂有目的地导入到竹纤维中，形成一层均匀的胶膜，解决了浸胶不均问题，大幅度改善了竹基纤维复合材料的尺寸稳定性、耐候、防虫和防火等性能。产品的28 h循环水煮吸水厚度膨胀率为0.6%，在不添加防腐剂的条件下，防腐等级达到强耐腐级（Ⅰ级）。1.4 竹基纤维复合材料成型技术。目前，竹材人造板单元仍然沿用竹片和竹篾这2种单元，这2种单元生产效率和利用率低，产品附加值不高。因此，寻求更优化的单元结构一直是竹产业不断探索的目标。本技术采用了差速异步传动机构、单辊驱动动力结构、纤维原位可控分离器、网纹摩擦辊和异型叠加旋转疏解器等关键装置，开发多功能纤维化单板疏解机，可将展平后的竹单板直接通过疏解，形成纵向不断、横向交织的网状结构的纤维化竹单板（图1D）。 利用差速异步传动机构中疏解辊之间的速度差产生的摩擦、切割、劈裂和挤压力，使竹材表面难以胶合的蜡质层和硅质层产生点状/线段状微创破坏，在后续的施胶工序中，胶黏剂能通过微创产生点或线段状裂纹渗透到竹材细胞间隙和细胞腔内，固化时形成有效的胶钉，达到良好的胶合效果，从而告别了竹材人造板必须去除竹青竹黄的历史，使大径级毛竹的一次利用率从20%~50%提高至90%以上，使丛生竹、散生杂竹和小径级毛竹等未能工业化利用的竹材利用率也能达到90%以上，有效地解决了竹青和竹黄难以有效胶合的技术瓶颈。纤维原位可控分离器可将竹材维管束中纤维和导管以及基本组织中薄壁细胞进行了有效分离，将竹材分离成1~5个维管束和若干个基本组织组成的纤维束，形成纵向不断、横向交织的网状纤维化竹单板。分离后竹纤维原有形态基本保持不变，通过打开壁薄、腔大的薄壁细胞和导管的细胞壁，增加了竹材的渗透性，可将胶黏剂有现有竹材重组材的成型工艺主要为“冷成型热固化”法和“冷进冷出”热压法。冷成型热固化法采用固化道进行干燥固化，传热效率低，并且板坯长时间处于低温状态，固化时间过长，产品质量不稳定；采用热压法，生产效率低、能耗大、热压周期偏长；并且采用上述两种工艺生产的产品，其长度尺寸均不超过2.4 m，难以满足结构材的尺寸要求[6,10]。在现有“冷成型热固化法”的基础上，研制了连续铺装装置和快速固化装置，利用12 m通长的纤维化竹单板，连续铺装形成板坯，采用间歇式8 2013年 第11卷 第3期 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.世界竹藤通讯WORLD BAMBOO AND RATTAN成型工艺，制造出了跨度达到12 m大型竹基纤维复合结构材，突破了我国现有的林木产品尺寸偏小、难以满足大跨度结构用木构件的需求。本技术开辟了全竹大跨度建筑结构材研究应用新领域。在热压过程，将热电耦植入竹基纤维复合材料板坯的芯层，在线采集板坯固化过程中的芯层温度，并根据芯层温度，通过热压工艺操作系统对液压控制系统和温度控制系统在线自适应闭环反馈，可实时调整固化工艺。对芯层温度的在线实时监控，优化了竹基纤维复合材料的热固化工艺，使生产效率提高了15%，生产能耗降低了10%，并提高了产品的质量稳定性。MPa，横纹6 000 MPa；胶合强度3.24 MPa。性能指标满足集装箱底板性能要求。 2.3 室外园林景观用竹基纤维复合材料以毛竹、红壳竹为主要材料，创制室外用竹基纤维复合材料，28 h循环水煮吸水厚度膨胀率4.9%，宽度膨胀率1.9%，水平剪切强度22.1 MPa，静曲强度141.9 MPa，弹性模量24 GPa，在不添加防腐剂的条件下，产品可以达到强耐腐等级（Ⅰ级）。可以用于园林景观中的地板、廊道、护栏、篱笆、马厩地板等室外用材料。2.4 建筑梁柱用竹基纤维复合材料以大径级毛竹为主要材料，创制建筑梁柱用竹基纤维复合材料，长度达到12 m，静曲强度154 MPa，弹性模量22 GPa，甲醛释放量0.04 mg/100g，不添加阻燃剂的条件下，燃烧性能级别达到GB 8624-2008C-s2，d0，t1级。2.5 家具用竹基纤维复合材料2 竹基纤维复合材料新产品开发通过上述关键技术的集成，建立了竹基复合材料制造技术平台，可以根据目标产品物理性能、力学性能、疲劳性能、耐候性等不同需求，通过对材料密度、酚醛树脂的导入量、疏解度以及制造工艺（包括温度、时间、压力等）的调整，实现竹基纤维复合材料的可调控性和高性能化，制造高性能多用途的竹基纤维复合材料，目前已经开发出了风电桨叶基材、全竹集装箱底板、室外园林景观用材、建筑梁柱、家具、水泥模板、火车车厢底板和建筑撑木等8类不同用途的竹基纤维复合材料。2.1 风电桨叶基材用竹基纤维复合材料以毛竹为主要材料，创制家具用竹基纤维复合材料，静曲强度124.6 MPa，硬度11.8 KN；压痕直径6.0 mm；甲醛释放量为0.4 mg/L。2.6 火车车厢底板用竹基纤维复合材料以慈竹、寿竹为主要材料，创制火车车厢底板用竹基纤维复合材料，6 h吸水率2.5%，静曲强度276 MPa，弹性模量28 GPa，抗压强度167.1 MPa，冲击韧性212 KJ/m2，满足了铁道货车用竹材层压板的要求。2.7 水泥模板用竹基纤维复合材料以慈竹为主要原料，创制风电桨叶基材用竹基纤维复合材料，静曲强度364 MPa，拉伸强度324 MPa，拉伸模量37 GPa，压缩强度194 MPa，压缩模量32 GPa，拉-压疲劳寿命可达到3.96×106次（最大加载应力为90 MPa），所有性能指标均达到风电叶片桨叶材料的要求。利用该材料已制造出世界首支40.3 m、1.5 MW的竹质复合材料风力发电机叶片。 2.2 全竹集装箱底板用竹基纤维复合材料以寿竹、慈竹、白夹竹为主要材料，创制水泥模板用竹基纤维复合材料，24 h吸水厚度膨胀率2.44%，干状：静曲强度：纵向125 MPa，横向76 MPa，弹性模量：纵向14 GPa，横向7 GPa；湿状：静曲强度：纵向114 MPa，横向76 MPa，弹性模量：纵向13 GPa，横向6 GPa。2.8 建筑撑木用竹基纤维复合材料以毛竹、龙竹为主要材料，创制建筑撑木用竹基纤维复合材料，长度达到5.2 m，静曲强度：垂直加载207.9 MPa，平行加载220.6 MPa；弹性模量27.31 GPa；水平剪切强度：垂直加载18.7 2013年 第11卷 第3期 9 以毛竹、绿竹为主要材料，创制全竹竹集装箱底板用竹基纤维复合材料，静曲强度：顺纹105.9 MPa，横纹59 MPa；弹性模量：顺纹11 370 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.世界竹藤通讯WORLD BAMBOO AND RATTANMPa，平行加载29.2 MPa；2 h水煮吸水厚度膨胀率1.8%。 技术切实、有效地延长了竹产业链，提升了竹制品的附加值，对安排农村劳动力就地就业，帮助农民脱贫致富有非常积极的作用，具有显著的社会和经济效益。3 竹基纤维复合材料产业化进展情况本技术紧密跟踪国内外竹材研究和生产领域的热点和重大技术难点问题，采用与设备制造单位以及生产应用单位相结合的方式，在安徽金泰竹业有限公司、龙游均泰科技竹木业有限公司、原铁道部眉山车辆厂、成都达江装饰材料有限公司、洪雅竹元科技有限公司等进行了86次的中试和生产试验，得到了完整试验数据和工艺参数。与廊坊市双安结构胶合板研究所和青岛国森机械有限公司合作开发关键设备，共进行了4代关键设备的研发工作，最终形成了成熟的成套生产工艺技术与装备，该项技术一经推向市场，就受到了业界极强的关注与跟踪。 本技术在院所相关部门的支持下，制定了详细的转化和应用推广方案，在全国的11个重点产竹省区进行了推广，每个省不超过2家企业进行授权和转让。自2009年至今，本项目相关技术与专利已经在福建、安徽、四川等7省市成功推广，建成（筹建）了8条竹基纤维复合材料生产线。竹材主要分布在我国南方的边、老、少贫困山区，本参考文献[1] 国家林业局.中国森林资源报告—第7次全国森林资源清查[R].2009.[2] 国家林业局.2012年全国林业统计年报分析报告[R]. 2013.[3] 国家林业局.2011年全国林业统计年报[R].2012.[4] 杨开良.我国竹产业发展现状与对策[J].经济林研究,2012,30(2):140-143.[5] 于文吉.我国高性能竹基纤维复合材料的研究进展[J].木材工业,2011,25(1):6-8, 29.[6] 于文吉,余养伦.我国木、竹重组材产业发展的现状与前景[J].木材工业,2013,27(1):5-8.[7] 姜海波,彭伊光.竹材软化工艺及设备[J].林业机械与木工设备,2007,35(4):53-54.[8] H.P.S.Abdul Khalila, I.U.H. Bhata, M. Jawaid, et al. Bamboo fibre reinforced biocomposites: A review[J]. 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