竹材定向刨花板生產與應用現狀及前景

李創業 魏任重 王立鑫 蔡成偉 陸銅華

(千年舟新材科技集團股份有限公司 浙江杭州 310000)

我國現有竹林面積756.27 萬hm2， 其中毛竹林面積占竹林面積的70%[1]。 豐富的竹材資源為我國竹產業發展奠定了堅實基礎[2-3]。 竹材生長速度快， 成材周期短， 力學性能優異[4-6]， 且具有較強的固碳能力。 因此， 發展竹產業不僅有利于竹資源的開發利用， 而且對于實現碳達峰和碳中和具有重要意義。

竹材定向刨花板與木材定向刨花板的生產工藝類似， 是以經過刨片后的竹材制備一定長度的大片刨花， 再通過干燥、 施膠、 定向鋪裝、 熱壓等工序加工而成[7]。 竹材定向刨花板充分利用竹材優良的物理力學性能， 具有竹種適應性強、 原竹利用率高、 物理力學性能優異、 應用范圍廣泛、經濟效益高等優點[8]。 目前， 竹材定向刨花板的研究主要集中在刨片形態、 膠粘劑種類、 組坯方式等板材制備工藝對板材性能的影響， 以及其在建筑、 家具、 地板、 包裝等領域的應用及效果。竹材定向刨花板的防腐、 防霉和阻燃等性能也是研究的重要方向。

定向刨花技術是指利用專用設備， 將竹刨片按照一定方向進行排列， 形成單層或多層結構的板坯。 該技術充分利用竹刨片縱向強度高的特點，增大了竹刨片之間的接觸面積， 減少了板材內部的孔隙， 提高了板材的強度和尺寸穩定性[9-11]。隨著定向刨花技術的發展， 目前已經出現2 種定向結構人造板: 刨花芯表層縱橫交錯排列組坯的竹定向刨花板(OBSB) 和大長細比刨片沿板長方向定向排列組坯的竹定向刨花層積材(OBSL)，二者在建筑、 建材領域都有著廣泛的應用前景[2，12-13]。 然而， 目前在國內竹材定向刨花板的生產與應用尚處于起步階段， 相關技術和工藝亟待完善， 產品的品質和穩定性亟待提高。 本文綜述了竹定向刨花板制備工藝與應用的研究現狀，提出了今后的研究重點， 以期為擴大竹材應用范圍、 提高竹材利用率提供參考。

1 竹材定向刨花板制備工藝

竹材定向刨花板是一種重要的竹質復合材料，其生產流程包括刨片、 干燥、 施膠、 定向鋪裝組坯和熱壓等環節。 與木材相比， 竹材刨片的性能存在較大差異， 因此需要進行有針對性的研究，以優化竹材定向刨花板的生產流程。

1.1 刨片

刨片是竹材定向刨花板生產的關鍵環節， 直接影響產品的質量和性能[14]。 對以3 種規格的竹刨花[200 mm ×10 mm × 1 mm、 (30～50) mm ×10 mm×1 mm、 細碎刨花(4 目及以下) ] 為原材料進行不同組合制備的竹材定向刨花板研究發現: 尺寸較大的竹刨花因其本身良好的抗彎強度和塑性有效提升了板材強度； 尺寸較小的刨花具有良好的流動性， 有效膠合面積大， 制得的OBSB穩定性好； 將尺寸較小的刨花作為輔助填充物添加， 能夠改善單一使用大刨花或小刨花時出現的板材力學性能較低問題[15]。 竹刨片長度影響著板材的力學性能， 板材的靜曲強度會隨著竹刨片長度的增加而增加， 長度為50、 60 和70 mm 竹刨片制備的板材其靜曲強度分別為47.11、 54.62 和55.21 MPa[16]。 刨片的刨花形態也影響著板材的力學性， 增加速生楊木刨片的刨花長度有利于提高板材的靜曲強度和彈性模量， 但會降低板材的內結合強度， 增加刨花厚度也會降低板材的物理力學性能， 而刨花寬度則對板材的物理力學性能影響較小[13]。 劉學莘[17]研究發現， 無竹節竹條的力學性能優于帶竹節的竹條， 有無竹節對抗壓強度、 剪切強度影響不顯著， 但對抗彎強度、 抗彎彈性模量以及抗拉強度影響顯著。 竹青、 竹黃也影響著竹單板層積材的性能， 去除竹黃的板材性能最好， 其次是去除竹黃竹青的板材， 竹青、竹黃均未去除的板材性能最差[18]。 可見， 竹節、竹青、 竹黃影響著板材的性能， 但是目前關于竹節、 竹青、 竹黃對竹材定向刨花板性能影響的研究較少。

1.2 干燥

干燥方式影響著毛竹細胞壁的孔隙結構， 常規干燥的毛竹細胞壁孔隙率(3.35%) 明顯低于冷凍干燥 ( 4.89%) 和 CO2超臨界干燥(5.35%)， 表明冷凍干燥和CO2超臨界干燥能較好地保存毛竹細胞壁的孔隙結構[19]。 Chen 等[20]對圓竹、 層壓竹材和扁平竹板進行干燥發現， 在干燥過程中竹節產生的裂縫要比節間產生的多，其原因是竹節的切向收縮率較大， 節上維管束的增厚和偏移導致了更高的纖維含量和物質密度，從而導致了更大的收縮率。

盡管對于竹材干燥的研究已經得到了廣泛關注， 但是對于竹刨片干燥機理的研究相對較少。竹刨片干燥是竹材定向刨花板制造過程中的關鍵環節， 深入研究竹刨片的干燥機理對于優化竹材定向刨花板的生產工藝、 提高竹材利用價值具有重要意義。

1.3 施膠

施膠量和膠粘劑種類均影響著竹材定向刨花板的力學性能。 3 種施膠量(4%、 6%、 8%) 下竹材定向刨花板的力學性能隨著施膠量的增加而增加[21]； 對比三聚氰胺二甲醛(MF)、 三聚氰胺脲醛酚醛(MUPF)、 酚醛(PF) 和聚二苯甲烷二異氰酸酯(pMDI) 4 種膠粘劑對竹定向刨花層積材力學性能的影響發現， pMDI 制備的板材物理力學性能明顯優于其他3 種膠粘劑[22]。 王洪艷等[23]研究表明， 氧冷等離子體處理可使竹材膠合強度提高25%～30%。

目前， 對于竹材刨花板施膠的研究較為廣泛，但為了提高竹材刨花板的力學性能和環保性， 需要進一步探究適用于竹材的膠粘劑。

1.4 定向鋪裝組坯

研究表明， 表層定向角對層積材性能的影響較大， 順紋方向上表層定向角越小， 層積材的靜曲強度和彈性模量越大； 芯層定向角對層積材性能的影響較小， 芯層隨機鋪裝在一定程度上有利于層積材的內結合強度的提高[13]。 對稱的表面結構可有效避免局部應變集中導致的定向刨花板力學失效， 從而有助于提高定向刨花板的靜曲強度[24]。

木材定向刨花板鋪裝組坯工藝相對較為完善，相對木材而言竹材這方面研究仍有較大差距。 簡單地依照木材定向刨花板的鋪裝組坯工藝來開發生產竹材定向刨花板并不能有效地提高其性能表現及滿足生產要求。 因此， 開展竹材定向刨花板竹刨片的鋪裝組坯工藝研究尤為重要和緊迫。

1.5 熱壓

熱壓工藝參數影響著竹材定向刨花板性能。在酚醛樹脂條件下， 熱壓溫度為160 ℃時板材性能最好， 溫度過高或過低均會造成板材性能下降；隨熱壓壓力的增加， 板材力學性能指標明顯提高，板材密度也隨之提高； 當熱壓時間為70 s/mm 時，試樣的各項性能優異， 熱壓時間過長或過短， 均導致試樣的力學性能下降[21]。

目前， 對竹材定向刨花板熱壓工藝的研究多集中在熱壓參數對板材性能的影響方面， 關于縮短熱壓時間以提高產品工業化生產效率的研究較少。

1.6 竹材定向刨花板制備工藝的發展趨勢

竹材定向刨花板的生產制備正朝著自動化和智能化方向邁進， 但距離實現自動化仍然有很長的一段路。 目前， 國內僅云南有一家竹材加工企業具有竹定向刨花板生產線， 并進行工業化生產，難以滿足市場需求。 竹材定向刨花板的自動化生產受多方面影響， 竹材的前道加工環節對于定向刨花板的產量具有明顯影響。 與木材定向刨花板不同， 竹材壁薄中空、 直徑較小、 尖削度大、 結構不均勻， 竹材刨片無法進行大規模批量加工。因此， 需要不斷開發和優化竹材前道加工環節的自動化加工設備， 包括去除竹青和竹黃的設備、截斷設備、 刨片設備、 干燥設備等。 例如， 可以通過精確調控竹材刨片設備， 以滿足刨片尺寸形態和產量的要求； 或者利用竹材維管束排列規整的特點， 開發竹刨片自然干燥設備， 并提取竹材干燥氣體中的有益成分(如竹醋液等)， 這樣既能夠實現節能減排， 又能夠達到降本增效的目的。

膠粘劑是竹材定向刨花板的重要原料之一。為解決竹材在粘結性能、 防霉和防腐性方面存在的問題， 需要持續開發適用于竹材性質的膠粘劑，同時根據市場需求開發無甲醛添加的膠粘劑， 生產ENF 級(甲醛釋放量≤0.025 mg/m3) 竹材定向刨花板， 滿足人們對綠色健康生活的要求。 高密度、 高強度的竹材定向刨花板可以應用于建筑建材等高附加值領域。 然而， 在卸壓過程中， 高密度、 高強度的竹材定向刨花板容易出現鼓包、爆板等問題。 因此， 需要開發相應的熱壓設備，并研究有效的熱壓工藝， 以提高板材的生產效率和質量。

2 竹材定向刨花板應用

2.1 家具領域

竹材定向刨花板因其優良的物理力學性能，已經在家具領域得到了初步的應用。 除了傳統的板式家具連接方式外， 針對竹材定向刨花板的優良性能， 也已經開發出了一些適用于它的新型連接結構。 朱珍珍等[25]采用插接式和連接件作為家具連接方式， 設計了可拆卸竹材定向刨花板家具。張婷婷等[26]使用竹材定向刨花板設計了可多功能組合、 可組裝拆卸重復使用的陳列家具， 滿足了陳列道具的結構多樣性和尺寸可調節性的需求。張倩[27]總結了定向刨花板的外觀屬性、 力學性能、 加工屬性等， 研究了其在家具設計中的應用形式和應用方法， 并以定向刨花板為原材料設計了柜類、 凳類和臥房系列家具。

竹材定向刨花板的強度高、 耐用、 穩定性好等優點使其在家具制造領域有著廣闊的應用前景[27]。 隨著定向刨花板在家具領域的不斷推廣應用， 竹材定向刨花板將朝著環?？沙掷m、 輕質高強、 多樣化設計和與其他材料結合等方向發展。

2.2 建筑領域

盡管竹材已被廣泛應用于工程材料領域， 包括重組竹、 竹集成材等， 但有關竹材定向刨花板在建筑工程領域的應用研究仍相對較少。 孫玉慧[28]以竹定向刨花板為原材料設計制備了竹質工字梁和型材柱， 并研究了其性能， 認為竹定向刨花板在建筑材料方面具有較大的應用潛力。

隨著建筑行業對材料強度、 耐久性等要求的不斷提高， 如何提高竹材定向刨花板的性能以滿足這些要求顯得尤為重要。 因此， 逐步完善并提升竹材定向刨花板的性能， 對于建筑建材領域具有重要意義。

2.3 竹材定向刨花板應用前景

竹材定向刨花板的物理力學性能表現出色，具備在產品包裝、 家具建材以及裝配式建筑等領域廣泛應用的巨大潛力。 其板材性能參數、 規格尺寸、 板材功能性以及成板利用方式等均可調整，能夠使其滿足不同的應用需求。

隨著定向刨花板連續化生產線的自動化程度不斷提高， 大幅面竹材定向刨花板可被廣泛用作包裝板。 該板材具有生產簡單、 制箱費用低、 板材強度高以及良好的耐水性等優點。 與木材定向刨花板相似， 竹材定向刨花板可通過細表面處理后壓貼裝飾紙來制備飾面板， 或直接對板材表面進行簡單的涂飾處理。 竹材定向刨花板的板材表面紋理自然粗獷， 具備獨特的裝飾效果， 適用于家具、 建材領域。 近年來， 我國大力推廣裝配式建筑， 并通過相關利好政策大力扶持行業發展。然而， 國內的裝配式建筑研究主要集中在混凝土結構方面， 對竹木結構裝配式建筑的研究相對較少。 竹子具有較好的固碳能力， 因此開發以竹材定向刨花板為原材料的預制裝配式建筑， 能夠有效降低能源消耗和環境污染[29]。

3 結論與展望

竹材定向刨花板具有優異的力學性能和穩定性， 在建筑、 家具等領域具有廣泛的應用前景。目前， 竹材定向刨花板在國內尚處于起步階段，還需要進一步完善相關技術和工藝， 提高產品的品質和穩定性。 同時， 竹材定向刨花板的市場需求不斷增加， 還需要加強與市場的聯系， 不斷拓寬應用領域， 推動產業發展。 未來， 隨著人們對健康環保和可持續發展的要求不斷提高， 竹材定向刨花板將會得到更廣泛的應用和推廣， 成為建筑和家具領域的主流產品之一。 滿足未來需求，竹材定向刨花板應重點開展以下研究。

1) 提高竹材定向刨花板的強度和穩定性。 目前， 竹材定向刨花板的強度和穩定性還有一定的提升空間， 高強度竹材定向刨花板的相關生產工藝參數可以實現其自上而下的性能調控， 不同性能的竹材定向刨花板能夠滿足其在不同領域的應用。 應探索新的加工工藝和技術， 使竹材定向刨花板能夠更好地滿足各領域的應用要求。

2) 加強竹材定向刨花板在室內裝飾領域的應用研究。 隨著人們對室內環境和健康的要求越來越高， 竹材定向刨花板將會成為健康環保的室內裝飾材料。 應不斷探索竹材定向刨花板的表面處理技術， 使其具有更好的防水、 防潮、 防火等性能。

3) 探索竹材定向刨花板在外墻保溫材料、 屋頂材料、 建筑材料等領域的應用。 竹材定向刨花板具有很好的保溫、 隔熱和力學性能， 應不斷探索竹材定向刨花板在外墻保溫材料、 屋頂材料、結構建筑等領域的應用， 為建筑行業提供更加環保、 高效的建筑材料。

4) 實現竹材定向刨花板的智能化生產。 竹材加工是勞動密集型產業， 從砍伐運輸到生產加工都需要較多的人工參與， 因此， 提高竹材定向刨花板的生產質量和效率離不開竹材自動化、 智能化處理設備的研究。 未來的研究應集中在竹材自動化砍伐運輸設備、 竹材加工自動化設備、 竹材定向刨花板連續智能化生產線等方面， 以點帶面推動整個竹產業發展。