我国竹材资源丰富,利用具有丰富资源的竹材开发新型竹材弧形原态重组材料及其相关技术,以竹代木,对包括非木质材料在内的生物质材料的可持续发展和利用具有十分重要的意义。本文为国家“十一五”科技支撑计划重大项目“以竹代木高效利用关键技术装备研究与开发”(2006BAD11A16)课题资助。开展创新性研究,将毛竹通过加工(含切段、破竹、去青去黄等)成符合要求的弧型竹片,前期处理、干燥、指接、涂胶、组坯、热压(含平压、侧压)、刨光等工序,开发竹材弧形原态重组材,并研发了机械破竹机、高频热压机(含平压与侧压)等专用设备。本文对竹材原态弧形重组材料及其相关技术设备进行研究,得出以下结论:(1)根据竹材弧形原态重组材料的数学模型进行力学分析,相对于曲率半径趋于∞的矩形竹单元而言,具有较小曲率半径的弧形竹材单元强度较高,在承受相同荷载的情况下,相对不易发生变形或断裂。当荷载均匀分布的情况下,弧形竹材单元曲率半径为常量,圆弧形的竹单元相对于非圆弧形(包括矩形竹单元)能够承受较大的荷载。竹材弧形原态重组材料充分合理利用竹材纤维材料的固有特性,使竹竿抗弯、抗压和抗剪能力增强,既保留了竹材原有的物理力学性能,又保证了竹材的高利用率,强度高、规格大、密度分布均匀,保持了竹材的天然纹理结构。(2)在前期制造工艺中,涉及保持竹材原态以及后续成型高频热压,对弧形竹片的干燥尤为重要。在弧形竹片的干燥特性试验中,干燥温度越高,干燥速度越快,在干燥时间相同时,干燥温度高的含水率低,而高温干燥较低温干燥,干缩率大,变形也较大。随着弧形竹片含水率的下降,干缩率提高,半径增大,当含水率降至5%以下时,干缩率与半径趋于稳定。弧形竹片在干燥过程中,除了发生干缩变形外,还会产生皱缩、开裂等缺陷。干燥温度不同,弧形竹片发生缺陷的情况也不同。当干燥温度低于70℃时,干燥效果较好,并未产生明显缺陷,当干燥温度高于70℃时,弧形竹片将产生翘曲现象;当干燥温度大于90℃时,弧形竹片在产生翘曲变形的同时还伴随着皱缩现象;当干燥温度大于100℃时,弧形竹片同时存在翘曲、皱缩和开裂现象。在弧形竹片的不同部位,存在着一定的干缩差异。在弦向,竹青侧干缩率大于竹黄侧干缩率,约为竹黄侧干缩率的2倍;弦向平均干缩率大于径向平均干缩率。就弧形竹片整体而言,长度和竹节对竹片的干缩率、几何尺寸及半径的影响不大,但竹节部位干缩率小于无节部位干缩率。(3)根据实验室试验和工厂中试,以酚醛树脂为胶黏剂生产竹材弧形原态重组材比水溶性异氰酸酯生产竹材弧形原态重组材的性能略低,考虑到生产成本,工业生产中以采用酚醛树脂胶粘剂为宜。酚醛树脂胶粘剂双面涂胶量为250g/m2时,板材的各项性能良好。单位热压力为2.0MPa和3.0MPa时,板材的各项性较好,相差不大。考虑到节约能源、降低成本,单位压力为2.0MPa是理想的单位压力条件。经力学测试,竹材弧形原态重组材的静曲强度及弹性模量基本达到60E优等品结构用单板层积材、C级结构用竹木复合板和B类50型竹胶合板,可作为结构材用于承重场合。(4)在竹材的破除过程中开发设计弹力夹紧式去内节破竹机,在破竹刀盘上安装固定去内节刀盒,破竹刀盘后部内壁固定刀盒,刀盒内装有弹力夹紧式的固定片、弹力动片以及去内节刀。集破竹、去内节于一体,节约成本,简化工艺流程,提高生产效率。(5)在竹材弧形原态重组材料生产技术设备中,高频热压机是尤为重要的设备。高频热压机具有上压、侧压、纵压三维加压功能,具有双工位生产方式,自动进出料功能;压机的控制系统采用三级联网控制结构,设备控制级控制机器,现场控制级完成工艺控制,可选项工厂控制级完成生产经营的协调;高频热压机设计有高频电磁防护功能,将高频加热正极板包在屏蔽罩内,防止电磁波泄露。高频热压机采用三维加压和压力联动可调方式,避免弧形竹片发生翻滚。采用高频介质加热方式加工竹质厚板材(厚度可达60mm),具有效率高、加热快、内外整体加热、绿色环保等优点。