我国重组竹产业发展历程及主要技术路线

我国重组竹产业发展历程及主要技术路线

中国的竹木产业在30%左右的复合增长率下迅速发展。现在是中国林业发展的亮点，2010年gdp达到821亿元。随着我国竹材加工技术的进步,竹水泥模板、竹胶拼地板、竹集装箱地板(底板)等多种竹产品不断涌现,广泛应用于建筑、家具、运输等领域。特别是近10年发展较为迅猛的重组竹产品,一举成为竹材工业发展的主流品种。重组竹是以竹束为构成单元,按顺纹组坯、经热压(或冷压)胶合而成的板材或方材,由我国最先研制成功,亦是拥有自主知识产权,并形成产业化规模的一种竹基复合材料。重组竹技术的突出优点是,原材料利用率高,彻底改变了竹材的原有性能,力学性能优异,物理性能变化较大,产品可广泛应用于室内外地板、家具、建筑结构材和装修装潢材,以及风电桨叶等高强度材料需求领域。1中国竹业的发展过程和地域特色1.1高效、规模化生产的重组竹原料重组竹技术和产品最早是20世纪90年代末期,由浙江安吉的企业自主创新研发而成,产品最初是以竹窗帘加工过程中所产生的废竹丝为原材料,经过树脂浸渍后,模压制成的一种新型竹基复合材料。由于具有竹材自然优雅的纹理,产品一经推出,即得到了国内外消费者的青睐,生产规模呈迅速扩大之势。随着生产厂家的增多以及产量的扩大,废竹丝的产量已经不能满足生产的需要,企业开始采用去除青黄的竹条,经过压丝机简单压溃后,替代废竹丝压制重组竹材料,目前大多数重组竹生产企业仍然采用该工艺技术生产。由于上述工艺竹材原材料的加工需要去除竹青竹黄,竹材利用率和生产效率均较低。2009年,一种全新的竹材原材料处理技术问世,即不用去除竹材青黄的机械疏解加工技术,将竹材的一次利用率提高到90%以上,并且大幅度提高了生产效率。我国重组竹产业经历可归纳为3个发展阶段:第1阶段是1998—2004年的产品创制期,以浙江安吉企业为主导;在此期间产品的品种单一,规模小,产量低,只有浙江安吉和象山数家企业从事该产品的生产,全部采用冷压工艺,冷压机大概只有10余台,缺乏产品质量标准;第2阶段是2005—2008年的市场推广期,企业分布已经从浙江扩散到江苏、安徽和福建等地。冷压设备达到40余台,制造规模迅速扩大。安吉竹宏竹制品公司在2005—2006开始尝试热压重组竹的生产制造,其他企业也迅速跟进。此阶段产品良莠不齐,跳丝、瓦状变形、开裂等缺陷导致质量差异较大,很多出口产品遭遇退货处理,对整个重组竹产业造成不良影响。在此阶段也涉及不少重组竹产业的专利纠纷及知识产权官司,对整个产业后期的发展,以及企业的产权意识教育,起到了重要的促进作用;第3阶段是2009年至今呈现的爆炸式发展期,其主要原因是重组竹的技术、市场以及产品日趋成熟,装备制造水平日臻完善,特别是不去青黄的疏解技术的成功研发,更加推动了重组竹产业的发展。1.2根据竹材产业优势,主要有特色产业在我国11个产竹大省中,重组竹产业总体上呈现为不均衡的发展状态。浙江省作为重组竹的诞生地和出口的主要窗口基地,在重组竹的技术开发、产品创新、设备创新以及出口市场的开发方面,均处于领先地位,并且在发展的不同阶段,涌现出一大批领军企业。如在发展中初期的浙江安吉雅风竹业、龙游均泰竹木科技等,中后期的浙江大庄实业集团、天振地板等,均根据市场需求,不断推出创新性产品。福建、江西、安徽和江苏等省,依靠其丰富的竹材资源优势和产业优势后来居上,是重组竹生产的第二梯队。代表性的企业包括:福建篁城科技竹业、华宇竹业、江西坚华林业、安徽宏宇竹木制品、江苏尧龙竹业等。由于企业注重引进新技术和新装备,其发展特色及规模,已有赶超浙江之势。江西省作为竹材资源大省,当地企业投入重组竹生产较少,主要是浙商的产业转移,如坚华林业、大庄地板等,均在江西设厂。四川省由于其地域特点以及竹种特点,重点在于开发适用于慈竹等丛生竹的加工设备与技术,代表性企业如四川林合益竹业,在产品、装备以及产品的应用方面,均进行了大量有益的探索。其他省区,如湖北、湖南、广西,2010年后开始介入重组竹生产领域。综上所述,我国的重组竹发展仍然处于初始阶段,仍然有很大的后续发展空间。1.3重组竹材料特性重组竹发展的初始阶段,其目标产品市场主要定位于室内地板,由于具有自然优雅的纹理及超过1.2g/cm3的密度,被人们称之为“重(zhong)竹”,并受到国内外消费者的欢迎,消费市场发展迅速。随着人们对重组竹材性的进一步认识,其应用范围逐渐扩大到家具制造、装饰装潢及户外用途等领域,其中户外地板已成为重组竹产品中附加值较高的产品之一。重组竹在建筑结构材料、车厢底板及高端的材料领域,如风电叶片等也得到应用。随着新技术和新工艺的不断开发,重组竹的应用范围将日趋广阔。2我国植物行业的主要技术和设备现状2.1热压工艺特点目前,重组竹材的生产工艺技术主要分为两大类:一是冷成型、热固化工艺,简称冷压工艺;二是借鉴人造板传统热压工艺,形成的重组竹热压工艺。1)冷压工艺技术特点:将浸渍树脂的竹束干燥到含水率12%~15%后,直接装模,在约60MPa的高压下成型,将模具锁定后,送入固化道固化胶合。主要用于压制厚度15~18cm的重组竹方材,密度相对均匀。重组竹方料常用的规格尺寸(长×宽×厚)为:193cm×10.5cm×15.0cm和200cm×14.5cm×15.0cm。2)热压工艺技术特点:采用传统接触式传热技术,在一定温度下压制板坯,单位压力4~6MPa,远低于冷压工艺的压力,主要压制板材。常规尺寸为(长×宽×厚):244cm×122cm×1.5~4cm,最大幅面可达1.2m×5m,一般最大板厚可达5cm。2.2第二代冷压机重组竹生产的主要装备包括:压制设备、炭化设备以及干燥设备等,近10年来均得到了快速发展和完善。1)压制设备根据生产工艺的不同,重组竹压制设备同样分为冷压和热压两大系列,主要区别在铺装和压制工段。冷压工艺铺装工段,是将竹丝铺装在模具里;热压工艺是把竹丝直接铺装在热压垫板上。第一代冷压机的特点是:结构为四柱式,没有自动进料装置,由人工将竹丝放进压机模具中;压机模腔为宽度固定式,物料压好后,要将其从模腔底部垂直推到模腔顶部,再卸去。压一根方材需要10min左右,生产效率很低。第二代冷压机改为框架式,增加了可倾式自动进料装置,装料和压制可同时进行,省去单独装料时间。第二代压机在装料、自动化以及卸模等方面亦有改进。已有企业尝试使用从装料、冷压、出料、卸模以及固化干燥一条龙的自动化生产线,取得了成功的经验,但是仍然有许多环节需要进一步改进。如铺装的均匀性、脱模工艺以及原材料连续快速计量等。对热压机的最大改进是厚度规的设计与发明,在没有该装置前,热压法重组竹板材的两个侧面,各需要锯边5cm左右,浪费巨大;而设置厚度规后,通过板材侧面挤压,防止了板边疏松。热压后的板材两边只需锯切1cm左右,原料利用率提高5%以上,有效降低了企业的生产成本。2)炭化设备是重组竹产业的重要装备之一,通过炭化工艺,既可有效改变终端产品的色泽,也可以提高板材的耐水、防霉等性能。目前最新一代的炭化装置已经采用全自动的生产工艺进行生产。3)干燥设备浸胶工艺之前,竹材原料的干燥主要采用气干与窑干相结合的方式。但是,干燥窑的建设尚未引起企业以及相关科研单位的重视,普遍存在干燥效率低下的问题。浸胶后竹材的干燥,基本上以网带式干燥机为主,设备制造技术比较成熟,但是存在占地面积大,且干燥效率低的问题。也有部分企业采用隧道窑连续干燥技术。采用冷压工艺生产重组竹方料的干燥固化,最初是将重组竹方料纵横交错堆放于固化房中,进行高温固化,由于固化房中不同高度的热风温度与湿度不同,并有气流盲区,造成竹方料固化不均匀。改用连续式固化隧道干燥后,竹方料单层摆放,且在运动中受热,克服了箱式固化房的缺点,提高了固化均匀性,且固化道装备建设渐趋完善。3兴产业发展中有待改进重组竹产业作为竹材产业发展过程中的一个新兴产业,虽然在近10年的时间里得到了快速发展,但是在原材料制备、生产方式以及工艺质量管理等方面,均存在待改进与提升之处。3.1重组竹材密度低在原材料利用方面,目前90%以上的企业,仍以压溃的竹条为基本材料单元,必须去除竹青竹黄。在浙江省等竹材产业链建设比较完善的区域,去除的竹青尚可再利用;而在湖南、湖北等省,竹材产业链尚未健全的区域,则竹材的利用率降低,影响了该区域重组竹产业向大规模方向发展。更为关键的是,由于竹条在压溃过程中疏解不完全,一方面影响树脂在竹材中渗透分布的均匀性,阻碍竹材的有效胶合,使产品的性能降低,出现诸如跳丝、耐水性差等典型缺陷;另一方面,在热压和冷压过程中,均需要较高的单位压力,才能压制出所需密度的材料,不仅对压机的总吨位要求高,而且导致压制的重组竹材因内部应力过大,出现变形等缺陷。另外,近20年来,我国竹材人造板加工过程中的基本组成单元,仍然为传统的竹篾、竹片、竹束等,组成单元形状不规则,厚度方向差异较大,从0.5mm~5mm,大幅面的人造板制造主要以竹席、竹帘为主,厚度不均匀,缝隙大。3.2热压固化法冷压热固化法:生产效率相对较高,且能耗低。但是由于需要施以高压,竹丝易被简单机械压溃,导致力学性能降低;另外,冷成型后重组竹的密度高达1.2g/cm3,竹丝表面的树脂在热固化过程中无法完成流动渗透,影响了树脂在竹丝中均匀分布,导致重组竹胶合性能降低。热压法:在一定程度上弥补了冷压热固化法的不足,但亦存在两方面的问题:一是板坯采用人工铺装,导致板材的密度差异较大,最大密度偏差超过20%;二是需采用冷进冷出工艺,热能损耗大,热压效率低,否则,容易引起鼓泡等热压缺陷。3.3竹材原料的浸渍多数企业管理粗放。对原材料的干燥、炭化处理、漂白、树脂调配、浸胶后原料的干燥等生产环节,完全凭经验生产,缺乏精确和规范的工艺控制,导致产品质量不稳定,变异性较大。如很多企业对采购竹材原料,未经含水率测试和干燥,就进行树脂浸渍;在树脂浸渍过程,采用糖度仪对树脂浸渍量控制,精确度差;也有企业为了增加产品尺寸的稳定性和耐水性,存在竹条过度炭化现象,严重降低了竹条本身的力学性能,且大幅加剧了竹材的损失。竹材原料的干燥,以网带式干燥效果为好,但由于能耗大,成本高,采用的企业不多;通道式和窑干式干燥,存在干燥盲区或局部温度过高的不足,易造成干燥不均和胶黏剂预固化,导致重组竹开裂和变形等质量缺陷,在热压时还可能产生局部鼓泡,在冷压热固化时,可能出现局部水蒸气积聚、内部炭化等现象。4国内研究开发现状1)国家对重组竹产业科研的支持,以及竹材加工研究领域科技成果的涌现,为重组竹产业的发展提供重大技术支撑。国家已经连续在两个五年计划期间,将竹材的高效利用列入国家科技支撑计划,“十一五”期间,“高强度竹基纤维复合材料制造技术”项目,被列入国家高技术研究发展计划(863计划)。国际竹藤网络中心、中国林科院木材工业研究所、浙江农林大学和浙江林科院等,分别承担了国家和浙江省在重组竹产业领域的主要科研任务,并取得了丰硕成果。在工艺技术方面,中国林科院木材工业研究所等运用竹材可控分离、竹材单板化展平、竹基纤维复合材料制造单元优化、竹材增强单元导入以及竹青竹黄胶合等多项技术集成,成功开发出高性能竹基纤维复合材料,将竹材的一次利用率提高到90%以上,产品性能提高20%以上,基本解决现有重组竹存在的跳丝、瓦状变形等问题,使重组竹的应用领域扩展至室外用途。该项技术已经获得14件专利,并且在多家企业转让授权大规模推广应用,取得了良好的经济和社会效益。小径竹制造重组竹关键技术,作为“十一五”重大科技成果,参加了2009年度国家重大节能减排展览,获得了广泛关注;“高性能竹基复合材料制造技术”获得2011年度第四届梁希林业科学技术奖二等奖。中国林科院木材工业研究所在“高强度竹基纤维复合材料制造技术”研究成果的基础上,主持承担了《重组竹》和《重组竹地板》的国家标准的制定工作。这些成果的应用,为我国重组竹产业的技术