竹篾加工行業的未來前景怎樣？看看專傢分析
梁 璞等
中國竹材資源豐富， 竹種資源約占世界的 １／３，竹林面積位於世界首位。 據統計， ２０２１ 年我國竹林面積為 ７５６. ２７ 萬 ｈｍ ２ ， 占全國森林面積的３.３１％ 。 竹子具有生長快、 產量高、 物理力學性能優良等特性， 而且還具有可再生、 綠色、 低碳、 可降解等特點， 具有巨大的社會、 經濟和生態價值。 目前， 在國傢 “以竹代塑” 發展計劃下， 竹產業蓬勃發展， 橫跨一二三產業， 並向著深加工、 精加工方向發展， 被廣泛應用於建築、傢具、 汽車和日用品等多個領域 。
由於竹子固有的徑小、 壁薄、 中空、 有尖削度等特性， 導致原竹應用受到了極大的限制。 自古以來， 人們就懂得將竹子加工成薄片形竹篾用於制作各類生產與生活用具， 現代竹加工產業同樣也繼承了該理念， 因此竹篾的出現和應用， 大大的打破了竹材的應用局限。 通過對竹材微觀結構的了解， 並根據竹材結構特點加工成不同規格的竹篾， 不僅有助於指導竹篾結構設計和制造，對竹資源利用、 下遊產品設計與制造等均具有重要意義。
１ 竹材微觀結構與宏觀力學性能關系
竹子是由維管束和薄壁細胞基體所組成的天然復合材料， 這些細胞結構的形態和排列方式對竹材的宏觀力學性能有著直接的影響。 其中， 維管束沿軸向排列整齊， 對竹材的力學性能貢獻最大， 是主要的承力元件， 使竹材具有較高的強度和剛度， 薄壁細胞則主要起連接和傳遞載荷的作用。
竹橫截面微觀結構顯示 （圖 １）， 維管束的分佈密度自內層 （竹黃） 至表皮 （竹青） 沿徑向逐漸增大。 竹青組織致密， 細胞排列整齊， 纖維含量高， 薄壁細胞較少。 這一部分的竹材具有纖維增強材料的特性， 其密度、 強度、 模量等力學性能都比較高。 竹黃組織疏松， 薄壁細胞較多， 質地脆弱， 除少量的維管束具有較高的強度外， 其他性質均與木材相近 。
圖 １ 竹材維管束—薄壁細胞微觀結構示意圖
在縱切面上， 由於竹材靠上部 （８０％竹高范圍） 相對下部光合作用養分吸收較豐富， 竹材稈壁的密度自下向上逐漸增大， 纖維層較厚且細胞排列更加規則整齊， 所以竹材靠上部力學性能更優， 整體呈現上部竹稈高於下部竹稈， 且沿竹壁徑向自內層向外層遞增的變化規律。
竹材獨特的宏觀和微觀結構使其理化性能呈現階梯性變化， 差異較大， 限制了竹材自身的利用率和應用范圍， 加強竹材微觀結構分佈與宏觀力學間的關系的研究， 可以更好地理解和利用這一天然材料， 對於竹篾的設計制造及竹復合材料增強設計均具有實際指導意義。
２ 竹篾加工工藝
２. １ 竹材主要加工單元
由於原竹壁薄中空的結構特點， 原竹構件難以滿足工業結構對材料力學性能及構件結構尺寸的要求。 為了解決該問題， 人們針對竹材維管束和基本組織的梯度分佈結構， 將原竹經剖切、 分切等工藝處理後， 加工成長條形初加工單元， 並利用初加工單元開發了竹膠合板、 竹蔑層積材、竹集成材、 竹重組材和竹材刨花板等產品， 極大地推展了竹材的應用。
目前竹材加工單元主要有竹片、 竹條、 竹篾、 竹束和竹絲等 （圖 ２）。 各竹材單元之間的承力機理和性能有較大差異， 應用范圍也有差別。
圖 ２ 幾種典型的竹材初加工單元形態
註： ａ） 竹條； ｂ） 竹篾； ｃ） 竹束； ｄ） 竹絲。
竹片是指竹筒經縱向剖分、 帶有竹青和竹黃的窄長片材， 根據加工厚薄程度， 可制作人造板單元、 工藝品及竹席等。
竹條是竹筒開片後， 經過機械加工形成具有一定規格、 橫斷面基本為矩形的長條狀竹片， 在厚度上竹條去掉了竹青和竹黃僅剩中間的部分，竹條長度一般為 ５００ ～ ３ ０００ ｍｍ， 寬度為 １０ ～３０ ｍｍ， 厚度為 ３～１０ ｍｍ， 具有竹材特有的結構梯度， 主要用於加工竹地板、 竹集成材傢具以及竹質材料。
竹篾是竹片在厚度方向經劈分形成的較薄單元， 厚度通常為 ０. ８～２. ０ ｍｍ， 寬度通常為 ５. ０～２５. ０ ｍｍ。 竹篾比較柔軟、 韌性好。 根據竹稈橫截面維管束分佈及制備工藝有竹青篾、 竹黃篾和徑向篾、 弦向篾之分， 常用於制作竹席、 竹簾、膠合板和竹纏繞復合材料等。
竹束是竹材經碾壓或錘擊疏解等加工方式形成的相互交聯並保持纖維原有排列方式的疏松束狀單元。 竹束並沒有真正分離成竹單根纖維， 它是以不規則的、 分離成松散狀態而又在垂直纖維方向相互連接的纖維束狀態存在， 主要用於重組竹、 工程竹材等竹質復合材料以及編織品。
竹絲是將原竹壓破碎後用梳花機加工成細長形狀的單元，其直徑較小，一般指截面小 ４ ｍｍ ２ 、且截面為方形或圓形的長條形竹材，按照取材部位劃分為竹絲和青絲，常用於竹編工藝品和竹裝飾材等 。
２. ２ 竹篾制造工藝
竹篾作為竹材最常用的初加工單元之一， 因其優良性能， 在竹材相關領域特別是深加工領域得到了廣泛應用。 因此， 這裡以竹篾為例介紹竹材單元的制造工藝。 竹材單元一般選用大直徑散生竹為加工對象， 通常選用全國分佈廣泛、 出材率高的竹齡在 ３ 年以上的毛竹進行加工。 原竹砍伐後， 切斷成一定長度並劈成竹片， 再進行開片和拉絲後就制成竹篾， 竹篾經過蒸煮、 “三防”（防黴、 防腐、 防蛀）、 幹燥等處理後即可用於竹人造板材的制造。 具體工藝流程見圖 ３。
圖 ３ 竹篾生產加工流程
在竹篾加工過程中， 竹條拉絲工序較為關鍵。由於竹材特殊的梯度分佈結構， 根據下遊應用場景不同開發了多種形式的竹篾。 按照剖切方向，可將竹篾分為沿垂直於半徑方向剖切獲得的弦向篾和沿半徑方向剖切得到的徑向篾。 弦向篾材質相對較為均勻， 但產出率低、 表面粗糙且厚度不均； 徑向篾同時包括竹青、 竹肉與竹黃部分， 平滑均勻， 產出率高， 但韌性略低。 目前弦向篾多用於編織制品， 徑向篾多用來制造竹膠合板、 竹集成材等。 此外， 根據竹篾顏色和取材位置不同，可將弦切竹篾繼續劃分為頭層青篾 （第 １ 層青）、二層青篾和黃篾 。
２. ３ 竹篾處理工藝
在竹篾制造過程中， 除了上述機械加工工序外， 竹篾的處理對其加工成型工藝、 力學性能和耐久性也具極為關鍵。
１） 竹材軟化處理。 竹子韌性強， 強度大， 通過軟化處理降低竹材彈性模量來改善竹材材質性能， 使其脆性降低、 塑性增強， 對後續加工處理質量和效率有著重大影響。 目前竹材軟化處理主要采用水蒸煮的方式對竹篾進行軟化， 一般經過沸水蒸煮１２ ｈ， 也可在 ｐＨ 值約為９. ３ 堿性溶液中進行蒸煮， 這樣可將蒸煮時間縮短至 ２～４ ｈ。 對竹篾進行水煮， 依靠水的滲透作用提高竹材含水率， 並通過高溫來軟化竹材。 軟化後的竹材更利於後續加工， 能夠減少刀具磨損、 提高工作效率，同時水煮過程能促進竹材中的部分淀粉溶解、 浸提出有機物， 並且徹底殺蟲和蟲卵， 提高竹篾的防黴、 防蟲和耐久性。
２） 幹燥處理。 含水率是衡量竹篾性能的一項重要指標， 影響著竹篾的力學性能。 研究表明，在到達纖維含水量飽和點前， 隨著含水率的增加，竹材強度會降低， 韌性會增加。 Ｌｅｅ 等發現， 竹材的縱向彎曲強度從鮮材狀態的７０ ＭＰａ 升到氣幹狀態下的 １０３ ＭＰａ， 縱向彈性模量從鮮材狀態的７. ２ ＧＰａ 升到氣幹狀態下的 １０.７ ＧＰａ。 此外， 竹篾含水率對下遊膠合板等的浸膠、 熱壓等制造工序均有重大影響， 含水率過高， 不僅增加加工周期， 還會降低產品質量， 提高制造成本。 竹篾幹燥一般采用高溫快速幹燥， 幹燥溫度為 １４０ ～１６０ ℃， 幹燥後的竹篾含水率一般控制在 ８％ ～１２％ 。
３） 防黴處理。 由於竹篾中含有大量的淀粉、蛋白質、 糖類和脂肪等營養物質， 使得竹篾極易黴變。 黴變會在竹篾表面呈黑色不規則的零星狀或塊狀分佈， 影響外觀質量， 還會降低其沖擊韌性。 竹材傳統防黴處理主要通過使用防黴劑來抑制黴菌生長。 常用的防黴劑是主要為鉻化砷酸銅和銅唑， 但是均存在防黴劑毒性大、 環保性差等問題。 近年來， 人們開發了無機納米防黴、 γ 射線輻照防黴、 超聲防黴等新型防黴處理技術， 並取得了一定的研究成果， 有望改變竹材防黴處理的現狀 。
４） 炭化處理。 即將竹篾放進高壓碳化鍋爐進行蒸汽碳化處理。 通常炭化壓力為 ０. ４～０. ５ ＭＰａ、溫度 １３０～１６０ ℃、 炭化周期 ３～４ ｈ。 經過高溫高壓處理， 可以降低竹篾中的水分， 殺滅竹篾中的細菌， 使竹篾產生碳元素改變竹篾顏色， 使表面形成堅硬的碳化微粒層。 經炭化處理後， 竹材密度有所下降， 吸水率降低， 具有更好的防蛀和防黴效果。
３ 竹篾加工設備
與木材不同， 竹材中空、 薄壁、 易開裂， 竹青和竹黃物理力學性能差異較大， 使其加工工序多、 難度大。 由於我國相關研究起步晚， 關於竹材加工機械特別是初加工機械方面的研究相對薄弱， 竹篾等竹材初加工自動化程度普遍不高， 缺乏機械化和連續化生產裝備， 需要人工輔助以完成工序加工， 勞動強度大， 制造效率低， 且竹材加工精度差、 竹材利用率不高， 這也導致竹材加工經濟效益不顯著， 在很大程度上制約了竹材產業發展。 近年來， 得益於我國豐富的竹林資源，下遊竹深加工產品的發展， 加之政府的大力支持和推動， 目前在竹加工設備方面已取得一定的技術突破。
在斷竹工序上， 國傢林業和草原局北京林業機械研究所等單位在國傢重點研發計劃 “竹材高值化加工關鍵技術創新研究” 的支持下， 依托該項目研制了原竹智能定段裝備， 該裝備可實現５０～２００ ｍｍ 徑級竹材自動有效去頭梢， 竹段長度在 ５００～３ ０００ ｍｍ 范圍內的標準定長及任意長度的柔性定段分級， 且竹節可智能識別與物理精準避讓， 實現了竹段小端無節， 能夠快速保障後續工序的開展。 相對人工定段效率至少提高 ２７％，降低了 ５０％以上的勞動力成本。
在剖切工序方面， 浙江安吉吉泰機械有限公司、 廣東省廣寧縣亞達實業有限公司、 廣眾竹業機械廠等企業研制的竹材徑向剖分設備能夠自動對壁厚相近的竹材進行外徑測量， 而後自動選擇適合刀盤進行剖竹， 從而得到符合生產要求的竹條， 剖切設備相對成熟、 效率較高。 國傢林業和草原局北京林業機械研究所研制的自動破竹機器人更是將竹工機械首次引入了機器人時代， 可實現送料速度 １１. ２ ｍ／ ｍｉｎ、 加工長度 ５００～２ ０００ ｍｍ、加工直徑 ８０～１９０ ｍｍ。
竹片開片和拉絲工序設備目前也較為成熟，已經研發出可同時實現去竹青、 竹黃、 分片等多個功能的竹篾加工一體機， 實現了自動化、 連續式生產， 生產效率大大提高。 其中， 依托 “原態重組等 ４ 種竹材加工關鍵技術裝備開發與應用”國傢重點項目開發的竹片四面刨床可降低生產成本 １５％， 同時提高加工精度 ２０％以上， 加工效率提高 ５０％以上， 目前該成果已在全國得到了廣泛推廣應用， 極大改善了竹材加工現狀 。
４ 發展方向
雖然竹篾加工近年來取得了眾多重大突破，研制了新的技術和設備， 極大的改善了竹篾加工生產現狀， 提高了竹篾生產經濟效益， 增強了人們對竹材加工的積極性， 但是目前仍然有諸多問題亟需解決， 為此提出如下建議。
４. １ 提高竹材原料利用率
竹稈上部直徑＜５０ ｍｍ 的部分由於加工困難，出材率低， 為提高效率必須舍棄。 此外， 由於竹篾加工中一般要去掉難以膠合的竹青、 竹黃， 增加了工序， 降低了剖篾效率， 因此導致竹材利用率普遍不高， 竹材成本居高不下。 在各類產品的竹材利用率中， 竹席竹簾膠合板為 ４５％ ～ ５０％，竹膠合板為 ３５％ ～ ４０％， 竹材層積材約為 ５０％，竹地板為 ２０％ ～ ２５％， 竹材綜合利用率普遍在４０％左右。 因此， 應加大竹材性能研究和竹復合材料的開發， 應充分考慮其特殊的自然生長構造，有效發揮竹子優異性能的， 提高竹材的利用率；同時要加大對竹粉、 竹渣等竹材剩餘物的二次開發利用， 用於制造竹炭、 竹制托盤等產品， 多途徑、 全 方 位 綜 合 考 慮 以 提 高 竹 材 的 材 料 利用率 。
４. ２ 加強竹產區基礎設施建設， 研發適用加工設備
我國竹資源多位於偏僻山區， 山區道路、 運輸管道、 倉儲設施等方面基礎建設薄弱。 目前竹材砍伐主要依賴人工， 難度大， 效益不明顯， 竹農積極性不高， 導致大量竹資源下山難。 此外，目前自動化成套設備推廣效率較低， 由於下遊竹材需求和采購量成本等原因導致竹材初加工機械化升級困難， 目前竹篾生產多道工序仍然由人工完成。 因此， 應繼續開展成套連續化生產設備的研發， 實現設備高效、 小型化和低成本， 減少竹加工企業的資金投入， 同時兼顧竹林開采、 運輸設備的開發， 切實解決竹材上遊初加工的痛點。此外， 需要政府引導和資金支持， 以改善產竹山區的基礎設施建設， 讓竹材能夠下山、 出山。
４.３ 研發竹材精深加工產品， 增加產品附加值
近年來竹產業得到了快速發展， 但是現階段主要依靠竹涼席、 竹材人造板和竹材加工產品等初級產品， 隨著生產規模的擴大， 市場逐漸飽和，精深加工不足的矛盾突出， 制約了竹材產業發展。因此需要加大對竹材資源的深度加工產品及新工藝的開發， 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學產品領域的研究和探索， 以科技創新引領竹產業的結構調整和轉型升級。