竹木復(fù)合層積材是一種新型結(jié)構(gòu)材料。它充分利用竹材強(qiáng)度高、硬度大、吸水膨脹率低以及馬尾松間伐材密度較低、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以多層薄竹簾壓制而成的高密度板材為面層材料、馬尾松間伐材鋸制的數(shù)層薄板材為芯層材料，專門研制的間苯二酚改性酚醛樹脂為膠粘劑，經(jīng)二次熱壓膠合而成。我國是竹子生產(chǎn)大國，竹林總面積379萬hm2，總蓄積量9632萬t。竹材年產(chǎn)量1160萬t，約相當(dāng)于1000萬m3木材量，約占我國木材市場消耗量的12%～15%。竹林與木材相比，具有強(qiáng)度高、韌性大、剛性好、色淺、易漂白等特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料都具有廣闊的開發(fā)、應(yīng)用前景。竹木復(fù)合層積材開發(fā)成功，為我國工業(yè)化利用竹子和馬尾松間伐材、小徑材開辟了新的途徑。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際用途，又分為鐵路平車地板用的實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材和造船用的空心結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材產(chǎn)品。實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材具有強(qiáng)度高、耐磨性好、易打入鐵釘且握釘力強(qiáng)、裝車后平整等優(yōu)點(diǎn)，目前已成功地以45mm厚的竹木復(fù)合層積材替代70mm厚的優(yōu)質(zhì)松木應(yīng)用于鐵路平車地板;空心結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材具有強(qiáng)度高、剛性好、重要輕的特點(diǎn)，可替代造船行業(yè)使用的木腳手板，在建筑行業(yè)亦有廣泛的應(yīng)用前景。
1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
研制竹木復(fù)合層積材的目的是替代國內(nèi)供應(yīng)緊張的大直徑優(yōu)質(zhì)針葉材(如以優(yōu)質(zhì)紅松或北美黃杉厚板材制造的鐵路平車地板和造船用腳手板等典型產(chǎn)品)。由于造船用腳手板要求重要輕，只能采用空心結(jié)構(gòu)，所以竹木復(fù)合層積材結(jié)構(gòu)形式針對(duì)不同用途又分為實(shí)芯結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)，均為承重構(gòu)件。受力情況可簡化為筒支梁和多點(diǎn)支撐梁，主要承受靜彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力(面層承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯層承受剪應(yīng)力)，且拉應(yīng)力為主要破壞應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按照斷面應(yīng)力分布設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，將強(qiáng)度高、耐磨性好的竹材作面層材料，3層由馬尾松小徑材鋸制的薄木板作芯層材料全部縱向排列，使中心層與木材相重合，以提高抗剪切性能。為了有一定的橫向強(qiáng)度，在多層薄竹簾面層材料加一層橫向竹簾�？招慕Y(jié)構(gòu)采用多層薄竹簾為面層材料，馬尾松小方材為骨架，均為縱向排列。其結(jié)構(gòu)剛性好、重量輕，能滿足造船用腳手板的要求。
竹木復(fù)合層積材結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示(圖1略)。
結(jié)構(gòu)(a)為實(shí)芯結(jié)構(gòu)，厚度為45mm，可作為鐵路平車地板代替70mm厚的紅松地板;結(jié)構(gòu)(b)為空心結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品重量輕、強(qiáng)度大、剛性好，主要用作造船用腳手板，其長度為3m和4m、厚度50mm和60mm。
2）.竹木復(fù)合層積材生產(chǎn)工藝
(1)實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材生產(chǎn)工藝流程 首先將5～7層浸膠薄竹簾熱壓成板、單面砂(刨)削后再與松木板二次熱壓成復(fù)合層積材。
上述生產(chǎn)工藝經(jīng)中試工廠浙江省諸暨市竹膠板廠生產(chǎn)實(shí)踐，證明工藝成熟、可操作性強(qiáng)。當(dāng)然，由于中試工廠的條件，工藝也存在可進(jìn)一步改進(jìn)之處，如干燥后松木板整張化最好采用拼板機(jī)進(jìn)行機(jī)拼，效果更好。
(2)空心竹簾復(fù)合結(jié)構(gòu)板生產(chǎn)工藝流程 空芯結(jié)構(gòu)板也采用二次成型工藝。
3）.主要工序及材料
(1)原料 竹片和竹簾應(yīng)選用4年生以上毛竹作原料。竹簾編織應(yīng)松緊適宜，竹篾厚度應(yīng)均勻(1.0～1.2mm)，無霉變。用于竹片、竹簾復(fù)合結(jié)構(gòu)的松木薄板(厚度15mm)，可利用間伐材和小徑材剖制，輕微的干燥變形不影響使用�？招窘Y(jié)構(gòu)所用的厚板(厚度45mm)，應(yīng)選用樹齡30年以上、節(jié)子直徑較小，節(jié)子數(shù)量較少的優(yōu)質(zhì)馬尾松或落葉松，以減緩節(jié)子對(duì)空芯結(jié)構(gòu)板剛度的影響。
(2)干燥 一般薄板刨削后干燥，空心結(jié)構(gòu)用的厚板應(yīng)干燥后再刨削、剖分。以保證小木方直線性及厚度均勻性。板材干燥終含水率≤12%，竹簾浸膠前干燥至含水率≤12%，浸膠后干燥終含水率16%～18%。
(3)涂膠和浸膠 木單板涂膠、竹簾浸膠，均須達(dá)到規(guī)定的上膠量。膠粘劑采用間苯二酚改性酚醛膠，涂膠用的膠粘劑可加入一定比例的面料和木粉，充分拌膠后用于單板涂膠。浸膠用膠粘劑用水稀釋合適的固含量，不加面粉和木粉。竹簾浸膠后陳化或低溫干燥至不粘手才能組坯。
(4)竹簾熱壓 竹簾復(fù)合結(jié)構(gòu)板所用的竹簾面板采用5～7層薄竹簾熱壓而成�？招慕Y(jié)構(gòu)板用的面板采用13～15層薄竹簾熱壓成板。熱壓參數(shù)為;單位壓力4.0～5.0MPa;溫度130～140℃;加壓時(shí)間隨組坯厚度、熱壓工藝(熱進(jìn)熱出或冷一熱一冷工藝)不同而變化。
(5)膠合面單面砂(刨)削 由于竹簾采用浸膠方式上膠，熱壓膠合制成的竹簾板，其表面覆有一層固化膠膜，影響二次熱壓成型。必須利用砂光機(jī)除去需二次熱壓膠合的竹簾板面上的膠膜。
(6)組坯 實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材由竹簾板和用氣釘連成整張化的3層薄木板一起組成板坯。組坯時(shí)，靠竹簾面層板的木板雙面涂膠，芯層木板不涂膠，同時(shí)竹簾板刨削面也可涂上較薄的一層膠，再一同組坯，以保證膠合質(zhì)量;空心結(jié)構(gòu)復(fù)合板組坯時(shí)，構(gòu)成芯層木框的3～4根小木方上、下表面涂膠，同時(shí)在竹簾面板條相應(yīng)地方涂上較薄的一層膠，以保證膠合良好。小木方與竹簾面板相對(duì)位置確定后，用手提鉆打孔，再用削制的竹釘定位。一般沿縱向長度釘入7～12顆帶膠竹釘，以便搬運(yùn)和二次成型熱壓。
(7)成型熱壓 實(shí)芯結(jié)構(gòu)的竹簾薄面板和空心結(jié)構(gòu)的竹簾面板經(jīng)過砂削刨削，表面較平整，可采用較低壓力，一般為1.5MPa左右，既可保證膠合，又可減少壓縮率。熱壓溫度130℃，時(shí)間0.8min/mm板坯厚。
(8)后期加工 竹木復(fù)合層積材如用作鐵路平車地板，須剖成寬度為300mm的窄長板，再經(jīng)表面定厚刨削、銑槽，才能制成可供裝車使用的產(chǎn)品�？招慕Y(jié)構(gòu)板也需進(jìn)行表面刨削、修邊、油漆封端頭等后期加工。
2.關(guān)鍵技術(shù)、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國內(nèi)外同類技術(shù)的比較
(一)關(guān)鍵技術(shù)
(1)運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理，結(jié)合竹材和木材的物理、力學(xué)性能，按照等應(yīng)力設(shè)計(jì)理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立空心結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材力學(xué)計(jì)算模型，保證實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、剛度、重量等指標(biāo)。
(2)采用高密度的竹簾板作面層材料，實(shí)芯結(jié)構(gòu)以3層馬尾松間伐材、小徑材鋸制的薄板作芯層材料，空心結(jié)構(gòu)以松木條為骨架，經(jīng)熱壓膠合而制成竹木復(fù)合層積材。具有結(jié)構(gòu)合理、重量較輕、材料利用科學(xué)的特點(diǎn)。
(3)加工工藝上，采用二次熱壓成型工藝。先采用較高的壓力將多層薄竹簾熱壓成板材，再二次組坯熱壓。二次熱壓時(shí)采用低壓，減少木材壓縮率，達(dá)到節(jié)約木材、降低產(chǎn)品吸水厚度膨脹率的目的。
(4)為保證膠合強(qiáng)度和產(chǎn)品的耐久性，專門研制了間苯二酚改性中溫快速固化的酚醛樹脂，從而強(qiáng)化了產(chǎn)品的耐侯性能和使用壽命。
(5)實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材已獲實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL98 2 27629.X;空心結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材已申請(qǐng)了發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?00112378.5。
我國是竹子生產(chǎn)大國，竹材工業(yè)化利用起步早，研究開發(fā)水平較高，國外尚未開展同類產(chǎn)品的研究。
(二)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
實(shí)芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材主要物理、力學(xué)性能如下;
密度:≤0.80g/cm3
縱向靜曲強(qiáng)度:≥75MPa
橫向靜曲強(qiáng)度:≥10MPa
縱向彈性模量:≥6000MPa
沖擊韌性:≥80kJ/m2
抗壓強(qiáng)度:≥10MPa
握釘力:≥1400N
膠合強(qiáng)度:≥1.5MPa
空心結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合層積材主要性能指標(biāo)如下;
厚度:≥50mm
密度:≤0.65g/cm3
膠合強(qiáng)度:≥1.0MPa
實(shí)例一 實(shí)例二
長 4000mm±5mm 3000mm±5mm
寬 300mm±5mm 300mm±5mm
厚 60mm±2mm 50mm±3mm
重量 ≤32.5kg ≤22.5kg
撓度 ≤36mm/225kg ≤24mm/225kg
強(qiáng)度450kg荷重，5min靜壓卸載后無破壞現(xiàn)象
面板氧指數(shù):≥28
