梁 璞等
中国竹材资源丰富， 竹种资源约占世界的 １／３，竹林面积位于世界首位。 据统计， ２０２１ 年我国竹林面积为 ７５６. ２７ 万 ｈｍ ２ ， 占全国森林面积的３.３１％ 。 竹子具有生长快、 产量高、 物理力学性能优良等特性， 而且还具有可再生、 绿色、 低碳、 可降解等特点， 具有巨大的社会、 经济和生态价值。 目前， 在国家 “以竹代塑” 发展计划下， 竹产业蓬勃发展， 横跨一二三产业， 并向着深加工、 精加工方向发展， 被广泛应用于建筑、家具、 汽车和日用品等多个领域 。
由于竹子固有的径小、 壁薄、 中空、 有尖削度等特性， 导致原竹应用受到了极大的限制。 自古以来， 人们就懂得将竹子加工成薄片形竹篾用于制作各类生产与生活用具， 现代竹加工产业同样也继承了该理念， 因此竹篾的出现和应用， 大大的打破了竹材的应用局限。 通过对竹材微观结构的了解， 并根据竹材结构特点加工成不同规格的竹篾， 不仅有助于指导竹篾结构设计和制造，对竹资源利用、 下游产品设计与制造等均具有重要意义。
１ 竹材微观结构与宏观力学性能关系
竹子是由维管束和薄壁细胞基体所组成的天然复合材料， 这些细胞结构的形态和排列方式对竹材的宏观力学性能有着直接的影响。 其中， 维管束沿轴向排列整齐， 对竹材的力学性能贡献最大， 是主要的承力元件， 使竹材具有较高的强度和刚度， 薄壁细胞则主要起连接和传递载荷的作用。
竹横截面微观结构显示 （图 １）， 维管束的分布密度自内层 （竹黄） 至表皮 （竹青） 沿径向逐渐增大。 竹青组织致密， 细胞排列整齐， 纤维含量高， 薄壁细胞较少。 这一部分的竹材具有纤维增强材料的特性， 其密度、 强度、 模量等力学性能都比较高。 竹黄组织疏松， 薄壁细胞较多， 质地脆弱， 除少量的维管束具有较高的强度外， 其他性质均与木材相近 。
图 １ 竹材维管束—薄壁细胞微观结构示意图
在纵切面上， 由于竹材靠上部 （８０％竹高范围） 相对下部光合作用养分吸收较丰富， 竹材秆壁的密度自下向上逐渐增大， 纤维层较厚且细胞排列更加规则整齐， 所以竹材靠上部力学性能更优， 整体呈现上部竹秆高于下部竹秆， 且沿竹壁径向自内层向外层递增的变化规律。
竹材独特的宏观和微观结构使其理化性能呈现阶梯性变化， 差异较大， 限制了竹材自身的利用率和应用范围， 加强竹材微观结构分布与宏观力学间的关系的研究， 可以更好地理解和利用这一天然材料， 对于竹篾的设计制造及竹复合材料增强设计均具有实际指导意义。
２ 竹篾加工工艺
２. １ 竹材主要加工单元
由于原竹壁薄中空的结构特点， 原竹构件难以满足工业结构对材料力学性能及构件结构尺寸的要求。 为了解决该问题， 人们针对竹材维管束和基本组织的梯度分布结构， 将原竹经剖切、 分切等工艺处理后， 加工成长条形初加工单元， 并利用初加工单元开发了竹胶合板、 竹蔑层积材、竹集成材、 竹重组材和竹材刨花板等产品， 极大地推展了竹材的应用。
目前竹材加工单元主要有竹片、 竹条、 竹篾、 竹束和竹丝等 （图 ２）。 各竹材单元之间的承力机理和性能有较大差异， 应用范围也有差别。
图 ２ 几种典型的竹材初加工单元形态
注： ａ） 竹条； ｂ） 竹篾； ｃ） 竹束； ｄ） 竹丝。
竹片是指竹筒经纵向剖分、 带有竹青和竹黄的窄长片材， 根据加工厚薄程度， 可制作人造板单元、 工艺品及竹席等。
竹条是竹筒开片后， 经过机械加工形成具有一定规格、 横断面基本为矩形的长条状竹片， 在厚度上竹条去掉了竹青和竹黄仅剩中间的部分，竹条长度一般为 ５００ ～ ３ ０００ ｍｍ， 宽度为 １０ ～３０ ｍｍ， 厚度为 ３～１０ ｍｍ， 具有竹材特有的结构梯度， 主要用于加工竹地板、 竹集成材家具以及竹质材料。
竹篾是竹片在厚度方向经劈分形成的较薄单元， 厚度通常为 ０. ８～２. ０ ｍｍ， 宽度通常为 ５. ０～２５. ０ ｍｍ。 竹篾比较柔软、 韧性好。 根据竹秆横截面维管束分布及制备工艺有竹青篾、 竹黄篾和径向篾、 弦向篾之分， 常用于制作竹席、 竹帘、胶合板和竹缠绕复合材料等。
竹束是竹材经碾压或锤击疏解等加工方式形成的相互交联并保持纤维原有排列方式的疏松束状单元。 竹束并没有真正分离成竹单根纤维， 它是以不规则的、 分离成松散状态而又在垂直纤维方向相互连接的纤维束状态存在， 主要用于重组竹、 工程竹材等竹质复合材料以及编织品。
竹丝是将原竹压破碎后用梳花机加工成细长形状的单元，其直径较小，一般指截面小 ４ ｍｍ ２ 、且截面为方形或圆形的长条形竹材，按照取材部位划分为竹丝和青丝，常用于竹编工艺品和竹装饰材等 。
２. ２ 竹篾制造工艺
竹篾作为竹材最常用的初加工单元之一， 因其优良性能， 在竹材相关领域特别是深加工领域得到了广泛应用。 因此， 这里以竹篾为例介绍竹材单元的制造工艺。 竹材单元一般选用大直径散生竹为加工对象， 通常选用全国分布广泛、 出材率高的竹龄在 ３ 年以上的毛竹进行加工。 原竹砍伐后， 切断成一定长度并劈成竹片， 再进行开片和拉丝后就制成竹篾， 竹篾经过蒸煮、 “三防”（防霉、 防腐、 防蛀）、 干燥等处理后即可用于竹人造板材的制造。 具体工艺流程见图 ３。
图 ３ 竹篾生产加工流程
在竹篾加工过程中， 竹条拉丝工序较为关键。由于竹材特殊的梯度分布结构， 根据下游应用场景不同开发了多种形式的竹篾。 按照剖切方向，可将竹篾分为沿垂直于半径方向剖切获得的弦向篾和沿半径方向剖切得到的径向篾。 弦向篾材质相对较为均匀， 但产出率低、 表面粗糙且厚度不均； 径向篾同时包括竹青、 竹肉与竹黄部分， 平滑均匀， 产出率高， 但韧性略低。 目前弦向篾多用于编织制品， 径向篾多用来制造竹胶合板、 竹集成材等。 此外， 根据竹篾颜色和取材位置不同，可将弦切竹篾继续划分为头层青篾 （第 １ 层青）、二层青篾和黄篾 。
２. ３ 竹篾处理工艺
在竹篾制造过程中， 除了上述机械加工工序外， 竹篾的处理对其加工成型工艺、 力学性能和耐久性也具极为关键。
１） 竹材软化处理。 竹子韧性强， 强度大， 通过软化处理降低竹材弹性模量来改善竹材材质性能， 使其脆性降低、 塑性增强， 对后续加工处理质量和效率有着重大影响。 目前竹材软化处理主要采用水蒸煮的方式对竹篾进行软化， 一般经过沸水蒸煮１２ ｈ， 也可在 ｐＨ 值约为９. ３ 碱性溶液中进行蒸煮， 这样可将蒸煮时间缩短至 ２～４ ｈ。 对竹篾进行水煮， 依靠水的渗透作用提高竹材含水率， 并通过高温来软化竹材。 软化后的竹材更利于后续加工， 能够减少刀具磨损、 提高工作效率，同时水煮过程能促进竹材中的部分淀粉溶解、 浸提出有机物， 并且彻底杀虫和虫卵， 提高竹篾的防霉、 防虫和耐久性。
２） 干燥处理。 含水率是衡量竹篾性能的一项重要指标， 影响着竹篾的力学性能。 研究表明，在到达纤维含水量饱和点前， 随着含水率的增加，竹材强度会降低， 韧性会增加。 Ｌｅｅ 等发现， 竹材的纵向弯曲强度从鲜材状态的７０ ＭＰａ 升到气干状态下的 １０３ ＭＰａ， 纵向弹性模量从鲜材状态的７. ２ ＧＰａ 升到气干状态下的 １０.７ ＧＰａ。 此外， 竹篾含水率对下游胶合板等的浸胶、 热压等制造工序均有重大影响， 含水率过高， 不仅增加加工周期， 还会降低产品质量， 提高制造成本。 竹篾干燥一般采用高温快速干燥， 干燥温度为 １４０ ～１６０ ℃， 干燥后的竹篾含水率一般控制在 ８％ ～１２％ 。
３） 防霉处理。 由于竹篾中含有大量的淀粉、蛋白质、 糖类和脂肪等营养物质， 使得竹篾极易霉变。 霉变会在竹篾表面呈黑色不规则的零星状或块状分布， 影响外观质量， 还会降低其冲击韧性。 竹材传统防霉处理主要通过使用防霉剂来抑制霉菌生长。 常用的防霉剂是主要为铬化砷酸铜和铜唑， 但是均存在防霉剂毒性大、 环保性差等问题。 近年来， 人们开发了无机纳米防霉、 γ 射线辐照防霉、 超声防霉等新型防霉处理技术， 并取得了一定的研究成果， 有望改变竹材防霉处理的现状 。
４） 炭化处理。 即将竹篾放进高压碳化锅炉进行蒸汽碳化处理。 通常炭化压力为 ０. ４～０. ５ ＭＰａ、温度 １３０～１６０ ℃、 炭化周期 ３～４ ｈ。 经过高温高压处理， 可以降低竹篾中的水分， 杀灭竹篾中的细菌， 使竹篾产生碳元素改变竹篾颜色， 使表面形成坚硬的碳化微粒层。 经炭化处理后， 竹材密度有所下降， 吸水率降低， 具有更好的防蛀和防霉效果。
３ 竹篾加工设备
与木材不同， 竹材中空、 薄壁、 易开裂， 竹青和竹黄物理力学性能差异较大， 使其加工工序多、 难度大。 由于我国相关研究起步晚， 关于竹材加工机械特别是初加工机械方面的研究相对薄弱， 竹篾等竹材初加工自动化程度普遍不高， 缺乏机械化和连续化生产装备， 需要人工辅助以完成工序加工， 劳动强度大， 制造效率低， 且竹材加工精度差、 竹材利用率不高， 这也导致竹材加工经济效益不显著， 在很大程度上制约了竹材产业发展。 近年来， 得益于我国丰富的竹林资源，下游竹深加工产品的发展， 加之政府的大力支持和推动， 目前在竹加工设备方面已取得一定的技术突破。
在断竹工序上， 国家林业和草原局北京林业机械研究所等单位在国家重点研发计划 “竹材高值化加工关键技术创新研究” 的支持下， 依托该项目研制了原竹智能定段装备， 该装备可实现５０～２００ ｍｍ 径级竹材自动有效去头梢， 竹段长度在 ５００～３ ０００ ｍｍ 范围内的标准定长及任意长度的柔性定段分级， 且竹节可智能识别与物理精准避让， 实现了竹段小端无节， 能够快速保障后续工序的开展。 相对人工定段效率至少提高 ２７％，降低了 ５０％以上的劳动力成本。
在剖切工序方面， 浙江安吉吉泰机械有限公司、 广东省广宁县亚达实业有限公司、 广众竹业机械厂等企业研制的竹材径向剖分设备能够自动对壁厚相近的竹材进行外径测量， 而后自动选择适合刀盘进行剖竹， 从而得到符合生产要求的竹条， 剖切设备相对成熟、 效率较高。 国家林业和草原局北京林业机械研究所研制的自动破竹机器人更是将竹工机械首次引入了机器人时代， 可实现送料速度 １１. ２ ｍ／ ｍｉｎ、 加工长度 ５００～２ ０００ ｍｍ、加工直径 ８０～１９０ ｍｍ。
竹片开片和拉丝工序设备目前也较为成熟，已经研发出可同时实现去竹青、 竹黄、 分片等多个功能的竹篾加工一体机， 实现了自动化、 连续式生产， 生产效率大大提高。 其中， 依托 “原态重组等 ４ 种竹材加工关键技术装备开发与应用”国家重点项目开发的竹片四面刨床可降低生产成本 １５％， 同时提高加工精度 ２０％以上， 加工效率提高 ５０％以上， 目前该成果已在全国得到了广泛推广应用， 极大改善了竹材加工现状 。
４ 发展方向
虽然竹篾加工近年来取得了众多重大突破，研制了新的技术和设备， 极大的改善了竹篾加工生产现状， 提高了竹篾生产经济效益， 增强了人们对竹材加工的积极性， 但是目前仍然有诸多问题亟需解决， 为此提出如下建议。
４. １ 提高竹材原料利用率
竹秆上部直径＜５０ ｍｍ 的部分由于加工困难，出材率低， 为提高效率必须舍弃。 此外， 由于竹篾加工中一般要去掉难以胶合的竹青、 竹黄， 增加了工序， 降低了剖篾效率， 因此导致竹材利用率普遍不高， 竹材成本居高不下。 在各类产品的竹材利用率中， 竹席竹帘胶合板为 ４５％ ～ ５０％，竹胶合板为 ３５％ ～ ４０％， 竹材层积材约为 ５０％，竹地板为 ２０％ ～ ２５％， 竹材综合利用率普遍在４０％左右。 因此， 应加大竹材性能研究和竹复合材料的开发， 应充分考虑其特殊的自然生长构造，有效发挥竹子优异性能的， 提高竹材的利用率；同时要加大对竹粉、 竹渣等竹材剩余物的二次开发利用， 用于制造竹炭、 竹制托盘等产品， 多途径、 全 方 位 综 合 考 虑 以 提 高 竹 材 的 材 料 利用率 。
４. ２ 加强竹产区基础设施建设， 研发适用加工设备
我国竹资源多位于偏僻山区， 山区道路、 运输管道、 仓储设施等方面基础建设薄弱。 目前竹材砍伐主要依赖人工， 难度大， 效益不明显， 竹农积极性不高， 导致大量竹资源下山难。 此外，目前自动化成套设备推广效率较低， 由于下游竹材需求和采购量成本等原因导致竹材初加工机械化升级困难， 目前竹篾生产多道工序仍然由人工完成。 因此， 应继续开展成套连续化生产设备的研发， 实现设备高效、 小型化和低成本， 减少竹加工企业的资金投入， 同时兼顾竹林开采、 运输设备的开发， 切实解决竹材上游初加工的痛点。此外， 需要政府引导和资金支持， 以改善产竹山区的基础设施建设， 让竹材能够下山、 出山。
４.３ 研发竹材精深加工产品， 增加产品附加值
近年来竹产业得到了快速发展， 但是现阶段主要依靠竹凉席、 竹材人造板和竹材加工产品等初级产品， 随着生产规模的扩大， 市场逐渐饱和，精深加工不足的矛盾突出， 制约了竹材产业发展。因此需要加大对竹材资源的深度加工产品及新工艺的开发， 加大高竹材利用率的人造板、 高增值的薄切微薄竹和高附加值的全竹化学产品领域的研究和探索， 以科技创新引领竹产业的结构调整和转型升级。
