张齐生、蒋身学、朱一辛
  

    竹木复合层积材是一种结构材料，主要用于室外承载和作业。实芯结构用作铁路平车地板，空心结构用作造船用脚手板。铁路平车是铁路运输重要的货运车辆之一，主要承运大型车辆、坦克、钢材等重载货物。由于铁路平车常年暴露野外，要经历各地不同的恶劣气候的残酷考验，因此，要求平车地板具有高强度、高耐候性、高耐磨性;同时对入钉性、握钉力、摩擦系数等也有特殊要求。但是，也不是强度越高越好，一般情况下，要提高竹木材料的强度必须增加密度，密度大则地板自身重量也大。对运输车辆来说，增加自重意味着增大能源消耗，从而增加运输成本。长期以来，铁路平车一直使用优质红松或北美黄杉作为平车地板材料。自80年代后期我国竹材人造板发展以来，铁路系统实施了以竹材替代优质木材的战略，其他货运车辆如棚车，其底板、旁板、顶板均成功地以竹材人造板替代木质板材。但是，平车地板却一直使用(长×宽×厚)3000mm×300mm×70mm的松木厚板，成为{zh1}一道难题。究其原因，主要是平车地板的要求特殊，使用环境恶劣，全竹板材难以满足要求，而竹木复合层积材的xxx，可满足平车底板的特殊要求，解决了全竹板材的难点问题。例如，竹材层压板强度高、硬度大，但由于密度大，无法钉入用于固定货物的铁钉;竹材胶合板虽然能勉强打入铁钉，但存在成本高、自重大、板厚偏差不能保证等缺陷。
　　空心结构竹木复合层积材用作造船用脚手板。造船用脚手板用于高空作业，对它的安全性能和强度、特别是刚度要求很高。长期以来，一直使用(长×宽×厚)4000mm×300mm×60mm的优质松木厚板作为造船用脚手板。各造船厂对使用其他材料替代松木脚手板非常重视，如采用钢板焊接、成型塑料板等措施，均未达到满意效果。竹木复合空心脚手板具有质感好、强度高、刚度大、重量轻等优势，使用效果良好。除此之外，竹木复合空心脚手板还可以减少脚手板人为损耗。据上海沪东造船厂介绍，该厂每年都有一定数量的木质脚手板丢失(如新船交付使用时被船员随船带走，或被锯成小料带出工厂)。
　　2.成果的推广应用情况
　　实芯结构竹木复合层积材用作铁路平车地板获铁道部认可，并于2000年2月正式发文(中车机辆［2000］29号)，安排装配竹木复合层积材地板的三台样车在上海铁路局抗州北车辆段进行运用考验。同年9月，杭州北车辆段的使用情况报告认为，经6个月运用考验，竹木复合层积材地板仍然平整、表面无裂纹、固定螺栓坚固，使用性能明显优于现役的松木地板。铁道部将于2001年上半年召开鉴定会，然后在全行业推广应用。
　　铁路平车地板用竹木复合层积材生产技术已转让浙江省诸暨市竹胶板厂，2001年形成规模生产。
　　空心结构竹木复合层积材作为造船用脚手板已在上海沪东造船厂使用一年，反映良好。沪东造船厂将于2001年上半年召开行业推广会，尽快在造船行业推广这种新型材料。
　　按照目前中试产品价格，实芯结构竹木复合层积材生产厂每生产1m3产品可创利税1000元，机车车辆厂每装配一辆平车可降低成本2500多元;空心结构竹木复合层积材生产厂每生产1m3产品可创利税630元，造船厂每制造万吨船可降低工装费用7000元。
　　推广应用竹木复合层积材作为铁路平车地板和造船用脚手板，每年可替代大直径松原木6万～7万m3，从而缓和国内优质大径材供应紧张的压力。另一方面，我国南方每年都有相当数量的马尾松间伐材和小径材，木材材质较差，无法作为工业用材而缺乏应用出路;同时，速生的毛竹蓄积量和采伐量均呈上升态势，供给量可以保证。竹木复合层积材采用上述两种材料作原料，符合国家xx林保护工程和可持续发展方针，可实现资源的永续利用，具有明显的社会效益和环境效益。此外，如果两项产品全面投产，每年可为生产企业带来1200万～1300万元利润，解决数百人就业。同时，铁路平车装车成本降低，增加用户经济效益;平车自重减小，降低铁路货运的燃料消耗。使用竹木复合空心脚手板除了可降低造船成本外还可减少脚手板人为损耗。竹木复合层积材的研制与开发，为马尾松间伐材、小径材和竹材的利用开辟了新的工业用途。
　　竹木复合层积材生产技术基本成熟，可选择二家有条件的竹胶板厂进行技术改造，形成生产能力。铁路系统推广使用后，每年对竹木复合层积材的需求量约8000m3多，可为生产厂创产值3000余万元，创利税800余万元;每年为铁路部门节省开支1100多万元。造船行业推广应用后，每年的需求量为1万～1.5万m3。如果以每年1万m3空心结构竹木复合层积材脚手板替代木脚手板计，每年可为生产厂创产值2800万元，创利税630万元，为造船业降低费用600万元。
【关键词】竹木复合材 加工工艺
【技术内容】1.成果内容概述
　　竹木复合层积材是一种新型结构材料。它充分利用竹材强度高、硬度大、吸水膨胀率低以及马尾松间伐材密度较低、价格低廉的特点，运用复合材料力学理论进行结构设计，以多层薄竹帘压制而成的高密度板材为面层材料、马尾松间伐材锯制的数层薄板材为芯层材料，专门研制的间苯二酚改性酚醛树脂为胶粘剂，经二次热压胶合而成。我国是竹子生产大国，竹林总面积379万hm2，总蓄积量9632万t。竹材年产量1160万t，约相当于1000万m3木材量，约占我国木材市场消耗量的12%～15%。竹林与木材相比，具有强度高、韧性大、刚性好、色浅、易漂白等特点，作为结构材料和装饰材料都具有广阔的开发、应用前景。竹木复合层积材开发成功，为我国工业化利用竹子和马尾松间伐材、小径材开辟了新的途径。根据产品实际用途，又分为铁路平车地板用的实芯结构竹木复合层积材和造船用的空心结构竹木复合层积材产品。实芯结构竹木复合层积材具有强度高、耐磨性好、易打入铁钉且握钉力强、装车后平整等优点，目前已成功地以45mm厚的竹木复合层积材替代70mm厚的优质松木应用于铁路平车地板;空心结构竹木复合层积材具有强度高、刚性好、重要轻的特点，可替代造船行业使用的木脚手板，在建筑行业亦有广泛的应用前景。
　　1)结构设计
　　研制竹木复合层积材的目的是替代国内供应紧张的大直径优质针叶材(如以优质红松或北美黄杉厚板材制造的铁路平车地板和造船用脚手板等典型产品)。由于造船用脚手板要求重要轻，只能采用空心结构，所以竹木复合层积材结构形式针对不同用途又分为实芯结构和空心结构，均为承重构件。受力情况可简化为筒支梁和多点支撑梁，主要承受静弯曲应力和剪切应力(面层承受拉应力和压应力，芯层承受剪应力)，且拉应力为主要破坏应力。结构设计时按照断面应力分布设计复合结构，将强度高、耐磨性好的竹材作面层材料，3层由马尾松小径材锯制的薄木板作芯层材料全部纵向排列，使中心层与木材相重合，以提高抗剪切性能。为了有一定的横向强度，在多层薄竹帘面层材料加一层横向竹帘。空心结构采用多层薄竹帘为面层材料，马尾松小方材为骨架，均为纵向排列。其结构刚性好、重量轻，能满足造船用脚手板的要求。
　　竹木复合层积材结构示意图如图1所示(图1略)。
　　结构(a)为实芯结构，厚度为45mm，可作为铁路平车地板代替70mm厚的红松地板;结构(b)为空心结构，产品重量轻、强度大、刚性好，主要用作造船用脚手板，其长度为3m和4m、厚度50mm和60mm。
　　2）.竹木复合层积材生产工艺
　　(1)实芯结构竹木复合层积材生产工艺流程　首先将5～7层浸胶薄竹帘热压成板、单面砂(刨)削后再与松木板二次热压成复合层积材。
　　上述生产工艺经中试工厂浙江省诸暨市竹胶板厂生产实践，证明工艺成熟、可操作性强。当然，由于中试工厂的条件，工艺也存在可进一步改进之处，如干燥后松木板整张化{zh0}采用拼板机进行机拼，效果更好。
　　(2)空心竹帘复合结构板生产工艺流程　空芯结构板也采用二次成型工艺。
　　3）.主要工序及材料
　　(1)原料　竹片和竹帘应选用4年生以上毛竹作原料。竹帘编织应松紧适宜，竹篾厚度应均匀(1.0～1.2mm)，无霉变。用于竹片、竹帘复合结构的松木薄板(厚度15mm)，可利用间伐材和小径材剖制，轻微的干燥变形不影响使用。空芯结构所用的厚板(厚度45mm)，应选用树龄30年以上、节子直径较小，节子数量较少的优质马尾松或落叶松，以减缓节子对空芯结构板刚度的影响。
　　(2)干燥　一般薄板刨削后干燥，空心结构用的厚板应干燥后再刨削、剖分。以保证小木方直线性及厚度均匀性。板材干燥终含水率≤12%，竹帘浸胶前干燥至含水率≤12%，浸胶后干燥终含水率16%～18%。
　　(3)涂胶和浸胶　木单板涂胶、竹帘浸胶，均须达到规定的上胶量。胶粘剂采用间苯二酚改性酚醛胶，涂胶用的胶粘剂可加入一定比例的面料和木粉，充分拌胶后用于单板涂胶。浸胶用胶粘剂用水稀释合适的固含量，不加面粉和木粉。竹帘浸胶后陈化或低温干燥至不粘手才能组坯。
　　(4)竹帘热压　竹帘复合结构板所用的竹帘面板采用5～7层薄竹帘热压而成。空心结构板用的面板采用13～15层薄竹帘热压成板。热压参数为;单位压力4.0～5.0MPa;温度130～140℃;加压时间随组坯厚度、热压工艺(热进热出或冷一热一冷工艺)不同而变化。
　　(5)胶合面单面砂(刨)削　由于竹帘采用浸胶方式上胶，热压胶合制成的竹帘板，其表面覆有一层固化胶膜，影响二次热压成型。必须利用砂光机除去需二次热压胶合的竹帘板面上的胶膜。
　　(6)组坯　实芯结构竹木复合层积材由竹帘板和用气钉连成整张化的3层薄木板一起组成板坯。组坯时，靠竹帘面层板的木板双面涂胶，芯层木板不涂胶，同时竹帘板刨削面也可涂上较薄的一层胶，再一同组坯，以保证胶合质量;空心结构复合板组坯时，构成芯层木框的3～4根小木方上、下表面涂胶，同时在竹帘面板条相应地方涂上较薄的一层胶，以保证胶合良好。小木方与竹帘面板相对位置确定后，用手提钻打孔，再用削制的竹钉定位。一般沿纵向长度钉入7～12颗带胶竹钉，以便搬运和二次成型热压。
　　(7)成型热压　实芯结构的竹帘薄面板和空心结构的竹帘面板经过砂削刨削，表面较平整，可采用较低压力，一般为1.5MPa左右，既可保证胶合，又可减少压缩率。热压温度130℃，时间0.8min/mm板坯厚。
　　(8)后期加工　竹木复合层积材如用作铁路平车地板，须剖成宽度为300mm的窄长板，再经表面定厚刨削、铣槽，才能制成可供装车使用的产品。空心结构板也需进行表面刨削、修边、油漆封端头等后期加工。
　　2.关键技术、主要技术经济指标与国内外同类技术的比较
　　(一)关键技术
　　(1)运用复合材料结构力学的原理，结合竹材和木材的物理、力学性能，按照等应力设计理论进行结构设计，并建立空心结构竹木复合层积材力学计算模型，保证实现强度、刚度、重量等指标。
　　(2)采用高密度的竹帘板作面层材料，实芯结构以3层马尾松间伐材、小径材锯制的薄板作芯层材料，空心结构以松木条为骨架，经热压胶合而制成竹木复合层积材。具有结构合理、重量较轻、材料利用科学的特点。
　　(3)加工工艺上，采用二次热压成型工艺。先采用较高的压力将多层薄竹帘热压成板材，再二次组坯热压。二次热压时采用低压，减少木材压缩率，达到节约木材、降低产品吸水厚度膨胀率的目的。
　　(4)为保证胶合强度和产品的耐久性，专门研制了间苯二酚改性中温快速固化的酚醛树脂，从而强化了产品的耐侯性能和使用寿命。
　　(5)实芯结构竹木复合层积材已获实用新型专利，专利号ZL98 2 27629.X;空心结构竹木复合层积材已申请了发明专利，申请号;00112378.5。
　　我国是竹子生产大国，竹材工业化利用起步早，研究开发水平较高，国外尚未开展同类产品的研究。
　　(二)主要技术经济指标
　　实芯结构竹木复合层积材主要物理、力学性能如下;
　　密度:≤0.80g/cm3
　　纵向静曲强度:≥75MPa
　　横向静曲强度:≥10MPa
　　纵向弹性模量:≥6000MPa
　　冲击韧性:≥80kJ/m2
　　抗压强度:≥10MPa
　　握钉力:≥1400N
　　胶合强度:≥1.5MPa
　　空心结构竹木复合层积材主要性能指标如下;
　　厚度:≥50mm
　　密度:≤0.65g/cm3
　　胶合强度:≥1.0MPa
　　　　　　　　实例一　　　实例二
　　长　　　4000mm±5mm　　3000mm±5mm
　　宽　　　300mm±5mm　　　300mm±5mm
　　厚　　　60mm±2mm　　　　50mm±3mm
　　重量　　　≤32.5kg　　　　≤22.5kg
　　挠度　　　≤36mm/225kg　　≤24mm/225kg
　　强度450kg荷重，5min静压卸载后无破坏现象
　　面板氧指数:≥28