技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種規(guī)格竹條模量和密度的分級方法。
背景技術(shù)：
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隨著我國竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，竹篾膠合板、竹定向刨花板、重組竹及竹集成材等產(chǎn)品在市場上得到越來越多的應(yīng)用。不同的產(chǎn)品類型，其基本構(gòu)成單元各有差異。其中，竹集成材產(chǎn)品是以竹條為基本組成單元，經(jīng)施膠、熱壓而成竹層板，再由竹層板經(jīng)施膠、冷壓而成。
竹條是由竹筒經(jīng)刨切加工而成，在實際生產(chǎn)中未進行分類加工，因此導(dǎo)致加工出的產(chǎn)品性能差異較大。目前市場上加工的竹層板和竹集成材產(chǎn)品，對竹條均未進行嚴格的分級，因此制造出的產(chǎn)品不具有可控性和可設(shè)計性，制造出的產(chǎn)品仍需要進一步的分級，但由于不同性能的竹條均混在一起，因此產(chǎn)品性能的多樣性亦受到限制。
在竹條的加工過程中，為提高產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性，需對其進行分級處理，即將性能相近的竹條歸為一類，并利用它制備竹層板產(chǎn)品，這樣就能保證產(chǎn)品性能的相對穩(wěn)定性。為準確的對竹條進行分級處理，本研究以規(guī)格竹條為研究對象，提出了兩種分級方法，即密度分級和模量分級。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種規(guī)格竹條模量和密度的分級方法,改進竹材加工方法，優(yōu)化提高出材率，可將規(guī)格竹條詳細的劃分為多個模量和密度等級，以優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)規(guī)格竹條的合理利用。
本發(fā)明的方法包括如下步驟:
（1）竹稈截斷，選用1～5 m的竹稈部分，根據(jù)竹筒的圍徑在適當位置進行截斷，長度范圍選擇0.9～2.4 m，長度序列模數(shù)為0.3 m。利用圓鋸機將竹稈進行據(jù)解，去除竹稈底部及梢部，保留竹稈1～5 m部分，再按照破條的原理與要求，得到不同長度和直徑的竹筒。竹筒截斷過程中，根據(jù)竹筒圍徑，適當調(diào)整截斷位置，以優(yōu)化設(shè)計，提高出材率。
（2）撞擊破條，采用機械破條的方法將竹筒加工成毛條，竹筒破條的數(shù)量需根據(jù)竹筒圍徑的變化進行確定，毛條寬度以竹黃側(cè)寬度計，寬度范圍為18～22 mm，竹條厚度根據(jù)竹壁厚度確定，厚度范圍為4～10mm。
采用機械撞擊的破條方法將竹筒徑向加工，破成的竹條為具有一定弧度和尖削度的毛條，其寬度范圍為18-22 mm，以竹黃側(cè)寬度計，長度為步驟（1）中竹稈截斷長度。撞擊破條時沿竹筒直徑小的端頭向直徑大的端頭方向進行，以保證最終竹條規(guī)格。根據(jù)竹筒圍徑的變化，確定撞擊后獲得的毛條數(shù)量。
（3）粗刨加工，去除毛條上竹節(jié)處的節(jié)隔及一定數(shù)量的竹青和竹黃，使其呈一個較為平整的平面，側(cè)面即徑切面不預(yù)加工。竹條厚度根竹筒壁厚有關(guān)，范圍為4～10mm。
（4）竹條干燥，采用氣干的干燥方式，將粗刨竹條放置于大氣環(huán)境中干燥2～3個月，至含水率為11～13%。
（5）精刨加工，利用竹條四面刨將氣干竹條加工至規(guī)定的寬度和厚度，并將此類竹條定義為規(guī)格竹條，其加工精度為寬度±0.2 mm，厚度±0.1 mm，長度±1 mm。
（6）竹條分選，將加工好的規(guī)格竹條進行分選，去除對竹條性能影響較大的缺陷竹條，缺陷竹條包括留青、留黃、劈裂、缺棱、蟲害及側(cè)彎。以免影響竹條的分級及產(chǎn)品的性能。
（7）竹條模量和密度分級，其中模量分級是以1 GPa的模量區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行模量劃分。
模量選用的是竹條長跨距彈性模量，其計算公式如下：
式中E為彎曲模量（MPa），p為載荷（N），l為跨距（mm），b為竹桁條寬度（mm），d為厚度（mm），為撓度（mm）。
長跨距彈性模量測試選用的跨厚比為100，方法是將規(guī)格竹條放置于夾具上，第一次加載5 N（即0.5 Kg），記錄撓度，第二次再加載0.5 N，記錄撓度，根據(jù)第二次加載前后的載荷及撓度變化情況求出長跨距彈性模量值。
密度分級是在氣干密度條件下，以0.5 g/cm3的區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行密度劃分，由于規(guī)格竹條尺寸規(guī)整，且統(tǒng)計結(jié)果顯示理論體積與實際體積相當，因此測試過程中用理論體積代替實際體積，其計算公式如下：
式中：ρ為氣干密度（g/cm3），m為規(guī)格竹條質(zhì)量（g），V為規(guī)格竹條理論體（cm3）。
根據(jù)模量和密度分級結(jié)果，將規(guī)格竹條分為低密度規(guī)格竹條、普通規(guī)格竹條和高性能規(guī)格竹條。
低密度規(guī)格竹條，此類竹條主要根據(jù)密度進行劃分，其密度數(shù)值較低，力學(xué)性能相對較差，主要分布于為D50、D55和D60三個密度等級。
普通規(guī)格竹條，主要以模量為主要依據(jù)，選擇E8～E11四個模量等級的規(guī)格竹條作為普通規(guī)格竹條，其中包含了D65～D80個密度等級。
高性能規(guī)格竹條，該類竹條主要以模量分級為依據(jù)，將E12、E13和E14三個模量等級的規(guī)格竹條確定為高性能規(guī)格竹條，其密度主要分布于D75～D85密度等級。
（8）標記和包裝，根據(jù)分級結(jié)果，將規(guī)格竹條分組包裝，注明密度和模量等級。
所述毛條加工過程中根據(jù)竹筒圍徑變化確定破條數(shù)量，破條寬度選擇近竹黃側(cè)20 mm，但根據(jù)產(chǎn)品需要，不局限于20 mm。
所述第（7）步驟中規(guī)格竹條模量分級以1 GPa的模量區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行模量劃分，選用長跨距彈性模量測試方法確定竹條模量范圍，根據(jù)分級需要，模量分級不局限于以1 GPa的區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行模量分級。
所述的第（7）步驟中規(guī)格竹條密度分級以0.5g/cm3的密度區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行密度劃分，以理論體積代替實際體積，根據(jù)分級需要，密度分級不局限于以0.5g/cm3的區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行密度分級。
所述的根據(jù)規(guī)格竹條模量分級和密度分級結(jié)果，將規(guī)格竹條劃分為低密度規(guī)格竹條、普通規(guī)格竹條和高性能規(guī)格竹條，但在實際應(yīng)用中，不局限于這三類規(guī)格竹條，可根據(jù)實際需要，按照模量分級和密度分級結(jié)果進行更詳細的種類劃分。
所述的低密度規(guī)格竹條為D50、D55和D60三個密度等級,竹條重量為0.475～0.625 g/cm3 。
所述的普通規(guī)格竹條包含了D65～D80個密度等級。
所述的高性能規(guī)格竹條包含了D75～D85個密度等級,竹條重量為0.775～0.875 g/cm3 。
上述方法實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
本發(fā)明改進了竹材加工方法，優(yōu)化提高出材率，可將規(guī)格竹條詳細的劃分為多個模量和密度等級，以優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)了規(guī)格竹條的合理利用。本發(fā)明從原材料本身保證了性能的相對穩(wěn)定，為后續(xù)竹層板產(chǎn)品的制備奠定了基礎(chǔ)，有利于制備出性能穩(wěn)定可控且可設(shè)計的竹層板產(chǎn)品。據(jù)測算：本發(fā)明較傳統(tǒng)方法竹出出率提高15～18%。且大幅度提高了竹制品的質(zhì)量和使用范圍。
附圖說明：
圖為本發(fā)明的規(guī)格竹條模量測試原理示意圖。
具體實施方式
如圖所示，本發(fā)明的方法包括如下步驟:
（1）竹稈截斷，將采集的4年生毛竹在圓鋸機上進行截斷，去除竹稈距地面1 m以下的底部和距地面5 m以上的梢部，再根據(jù)毛竹竹筒圍徑的變化，在適當?shù)奈恢眠M行截斷，得到不同長度序列的竹筒，其長度序列模量為0.3 m，長度范圍為0.9～2.4 m。
（2）撞機破條，由于竹筒在長度方向上圍徑和壁厚差異較大，機械撞擊破條通常以圍徑較小的端頭計算破條數(shù)量，但由于竹筒存在較大的尖削度，因此以最小端頭進行撞機破條成一種長度的毛條會降低竹材利用率，因此根據(jù)竹筒圍徑的變化在適當?shù)奈恢眠M行截斷，及時調(diào)整竹筒破條數(shù)量，提高竹材的利用率，獲得更多數(shù)量的規(guī)格竹條。以加工20 mm寬竹條為例，其竹筒圍徑與破條數(shù)量的關(guān)系如下表所示。
表1 竹筒圍徑與破條數(shù)量的關(guān)系
實際生產(chǎn)工程中可根據(jù)竹筒圍徑與壁厚的關(guān)系確定破條數(shù)量，進而控制竹條的寬度。
（3）粗刨加工，竹筒破條后打通了竹節(jié)處竹隔，但部分竹隔仍存在于毛條上，經(jīng)過竹條粗刨機的粗刨切加工，一方面去除殘存的竹隔，另一方面去掉部分竹青和竹黃。該工序?qū)γ珬l徑切面不予加工。
（4）竹條干燥，由于采伐竹材加工成毛條后含水率仍較高，為使最終加工出的竹條在長時間內(nèi)保證尺寸穩(wěn)定，需將其在精刨加工前進行干燥處理，為防止干燥過快導(dǎo)致竹條產(chǎn)生翹曲等缺陷，通常采用孜然干燥的方式，干燥時間為2～3個月，干燥至含水率為12%左右為止。
（5）精刨加工，將氣干狀態(tài)下的粗刨竹條經(jīng)竹條四面刨進行精刨加工處理，得到截面尺寸穩(wěn)定的竹條，并對規(guī)格竹條進行定義：尺寸穩(wěn)定，滿足指定加工精度，無端部缺損、裂紋及腐朽等缺陷的精刨竹條即為規(guī)格竹條。規(guī)格竹條長度方向加工精度為±1mm，寬度方向加工精度為±0.2 mm，厚度方向加工精度為±0.1 mm。
（6）竹條分選，由于受遺傳、生長環(huán)境及加工方法等因素影響，規(guī)格竹條會存在諸多不利于使用的缺陷，為保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，需對規(guī)格竹條進行分選，去除缺陷竹條，竹條分選的原則如下表。
表2 規(guī)格竹條分選原則
（7）竹條模量和密度分級，規(guī)格竹條模量和密度分布范圍較廣，由于受遺傳特性及生長環(huán)境因素影響，規(guī)格竹條模量和密度分布范圍較大，模量分布于6～14 GPa，密度分布于0.45～0.9 g/cm3，兩個參數(shù)對其性能影響很大，在對材料的設(shè)計和使用過程中至關(guān)重要。由于密度與模量之間非明顯的線性相關(guān)，相同密度下模量分布較大，相同模量下密度分布也較大，因此需對其進行模量和密度分級，以保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和多樣性。
模量是產(chǎn)品設(shè)計中的首要因素，因此需先對模量進行分級，再在其基礎(chǔ)上進行密度分級。模量分級采用長跨距三點彎曲的方法，其計算公式如下：
式中：E—抗彎彈性模量，MPa；P—上、下限載荷之差，為5 N；L—兩支座間跨距，為600 mm；—上、下限載荷間試樣變形值，mm；b—試樣寬度，mm；d—試樣高度，mm。
如圖所示，模量以規(guī)格竹條長跨距三點彎曲模量計，原理是將試件竹條1的下部兩端置在支撐輥3上，用加荷輥2對兩支撐輥之間中點上的試件竹條上端加壓。原理是根據(jù)規(guī)格竹條彈性工作范圍內(nèi)載荷與變形的關(guān)系確定模量數(shù)值。
模量分級以EX表示，X為模量數(shù)值，模量單位為GPa，各等級模量變化范圍為X±0.5 GPa；密度分級以DY表示，Y為密度數(shù)值乘以100，密度單位為g/cm3，各等級密度變化范圍為Y±0.025 g/cm3。
通過模量和密度分級，將規(guī)格竹條分為三類，低密度規(guī)格竹條、普通規(guī)格竹條和高性能規(guī)格竹條。
低密度規(guī)格竹條，此類竹條主要根據(jù)密度進行劃分，將D50（0.475-0.525 g/cm3）、D55（0.525-0.575 g/cm3）和D60（0.575-0.625 g/cm3）三個等級的規(guī)格竹條確定為低密度規(guī)格竹條。此類竹條密度數(shù)值較低，其力學(xué)性能相對較差。
普通規(guī)格竹條，此類竹條主要根據(jù)模量并結(jié)合密度分級進行劃分。將E8、E9、E10和E11四個模量等級竹條確定為普通竹條，此類竹條每個模量等級下的竹條對應(yīng)多個密度等級竹條，主要集中于D65～D80密度等級。
高性能規(guī)格竹條，此類竹條主要以模量分級為依據(jù)進行劃分，主要包括E12、E13和E14三個模量等級的，此類竹條表現(xiàn)為模量高且密度大，是典型的高模高密的竹條，其密度等級分布范圍主要集中于D75～D85。
根據(jù)測試結(jié)果，按照1 GPa的模量區(qū)間長度對規(guī)格竹條進行模量分級，以EX對其模量等級進行命名，X為模量區(qū)間中值，單位為GPa，各模量等級變化范圍為X±0.5 GPa，模量分級結(jié)果見下表。
表3 規(guī)格竹條模量分級結(jié)果
對模量分級的規(guī)格竹條按照氣干密度進行分級，由于規(guī)格竹條尺寸規(guī)整，且統(tǒng)計結(jié)果顯示理論體積與實際體積相當，因此測試過程中可用其理論體積代替實際體積。以長度為2.1 m，寬度為20 mm和厚度為8 mm的規(guī)格竹條為例，其理論體積為336 cm3,氣干密度計算公式如下：
式中：ρ—氣干密度，g/cm3；m—氣干狀態(tài)下質(zhì)量，g；V—氣干狀態(tài)下體積，取值336 cm3。
根據(jù)氣干密度測試結(jié)果，以0.5 g/cm3的密度區(qū)間長度進行密度分級，密度等級以DY表示，Ｙ為密度區(qū)間中值乘以100，單位為g/cm3，各密度等級變化范圍為Y±0.025 g/cm3。密度分級結(jié)果見下表。
表4 規(guī)格竹條密度分級結(jié)果
為合理對規(guī)格竹條進行利用，根據(jù)不同的用途將規(guī)格竹條分為三大類，分別為低密度規(guī)格竹條，普通規(guī)格竹條和高性能規(guī)格竹條。
（8）低密度規(guī)格竹條，該類竹條以密度分級作為依據(jù)，包括D50、D55和D60三個密度等級規(guī)格竹條。由于密度相對較低，其模量和強度整體相對偏低，可作為竹集成材家具的原始材料，可保證產(chǎn)品的重量較輕，且能夠滿足其強度要求。
（9）普通規(guī)格竹條，該類竹條在加工的規(guī)格竹條中數(shù)量分布最多，主要以模量和密度分級作為依據(jù)，選擇E8～E11四個模量等級的規(guī)格竹條作為普通規(guī)格竹條。該類竹條密度適中，模量適中，可作為普通結(jié)構(gòu)竹集成材的原料及其他用途。由于竹材的特殊性，各模量等級下對應(yīng)多個密度等級，其對應(yīng)關(guān)系見下表。
表5 普通竹條模量與密度等級對應(yīng)關(guān)系
普通規(guī)格竹條可根據(jù)模量和密度設(shè)計制造不同模量和密度的竹層板產(chǎn)品，制造出設(shè)計要求的竹材產(chǎn)品。
（10）高性能規(guī)格竹條，該類竹條主要以模量分級和密度分級結(jié)果為依據(jù)，將模量等級較高的E12、E13和E14定義為高性能規(guī)格竹條。該類竹條主要表現(xiàn)為模量值較高，各模量等級與密度等級的對應(yīng)關(guān)系如表6。該類竹條適合于高性能要求的產(chǎn)品，如風(fēng)輪葉片。
表6 高性能竹條模量與密度等級對應(yīng)關(guān)系
（11）標記和包裝，模量和密度分級將規(guī)格竹條進行了詳細的劃分，分類完成后需對分級規(guī)格竹條進行包裝和標記，注明類型（低密度規(guī)格竹條、普通規(guī)格竹條和高性能規(guī)格竹條）、模量等級、密度等級、含水率及時間等。
總之，本發(fā)明改進了竹材加工方法，優(yōu)化提高出材率，可將規(guī)格竹條詳細的劃分為多個模量和密度等級，以優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)了規(guī)格竹條的合理利用?？赏茝V使用。