竹材规则加工与分级方法
专利汇可以提供竹材规则加工与分级方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于竹人造板和 复合材料 技术领域。本发明采用竹材长度的规则化；竹节 位置 的确定与交错；竹片宽度的规则化；竹青片厚度的2倍模数化；竹片 超 声波 数字扫描分级方法；竹片、竹篾、竹丝和竹 丝束 的加工和分级方法；竹片、竹篾、竹丝和竹丝束的定量、定级、错节、头尾颠倒组成均匀竹单元；定量竹单元组成层单元；层单元浸胶、预压成片状预压料；预压料叠层单向或多向组坯压制成不同类型的竹增强复合材料。本发明建立较为完善的竹材规则加工和分级方法，可将形状不规则、性能不同的竹材制成形状规则和性能稳定的各种竹 增强材料 ，在可能的范围内限定竹材的变异性，减少 质量 的 波动 ，使之达到工程复合材料的要求。，下面是竹材规则加工与分级方法专利的具体信息内容。
1.一种竹材规则加工与分级方法，其特征在于：(1)竹材的采集，竹材的采集需要对竹种、采集地点、采集时间、采集数量、采集人、竹龄、胸径、长度、稍径有明确记载；(2)竹材的目测分级，对竹材的径级、长度、梢径、弯曲程度和缺陷加以分类；(3)竹秆的加工，竹秆的加工为圆锯截断，长度参照规定，竹秆长度为净长度尺寸，对分段后的竹秆的直径、竹壁的厚度、圆度、削尖度加以分类；(4)竹节的交错与定位加工，根据需要选择竹节较为均匀的竹秆，对竹节的长度和位置加以限定，需要错节，错节的间距大于50mm，竹秆长度模数为净长度尺寸；(5)竹篾条的加工，毛篾条的加工方法是撞机的机械破条，篾条的宽度在10至30mm之间，篾条的厚度需要均匀，同一组篾条厚度误差不得超过±10％；(6)去竹青，用刮青法去除竹青，加工后表面不得有竹青；(7)竹条的定厚开片，竹条的第一次开片，采用定厚开片机完成，竹条开片为竹青片和竹黄片，竹青片的厚度由规则分级方法限定，有4种模数和相关序列，竹青片的厚度可根据需要在规定序列中选定，竹青片和竹黄片为一种两级的分级方法，其中竹青片的厚度是规则的；(8)竹片的对分开片与多级分级，竹青片的厚度为模数的偶倍数，采用对分开片法，制成两片厚度接近的竹片，A，B两种级别的竹片，A和B级可进一步制成A0，A1和B0，B1四级竹篾，竹青片的厚度为规则值；竹黄片厚度较大时，可开成C、D级的竹片；(9)各级竹材的无损检验与数字扫描分级，需采用超声波无损检验的方法，测定A、B各级竹篾的厚度、含水率、密度、强度和模量，根据模量可做数字分级；(10)连续竹片的斜接，采用斜接方式可将长度一定的竹片，接成连续片，斜接的坡度为1/10，采用机械斜切方式加工，斜面用胶粘剂粘接，加压、加热快速固化；(11)竹丝与丝束的加工，分级竹片可采用拉丝或压丝方法制成竹丝，单一竹片可制成若干根竹丝组成的丝束，多片竹片则可制成较大的丝束；(9)均匀竹材单元，将定量、定级、头尾颠倒、竹节交错的竹片、竹篾、竹丝和丝束组成均匀单层单元；(12)均匀组层，将数量确定的均匀竹单元组成均匀层单元；(12)干燥，将各种均匀层单元干燥，含水率低于10％；(13)浸胶，胶粘剂选用酚醛、或环氧树脂，用溶剂稀释，调整胶液的浓度，将各种竹单层单元浸入胶液，达到规定时间，取出、沥胶或挤胶；(14)预压，各种类型的均匀层单元，采用预压方法，制成片状预压料；(15)层叠组坯，片状预压料层叠组坯；(16)压制，组坯后的竹加工单元在压机上压制成型。
2.根据权利要求1所述的竹材规则加工与分级方法，其特征在于：所述的分级竹片可采用压丝方法制成竹丝，单一竹片可制成若干根竹丝组成的丝束，多片竹片则可制成较大的丝束，竹片级别为A级，24GPa，宽度为15mm，厚度1.5mm，压丝机加工成10根1.5mm款的竹丝，组成一组竹丝束。
3.根据权利要求1所述的竹材规则加工与分级方法，其特征在于：所述的均匀组层单元是将20～35组竹丝束单元组成一层组层单元。
4.根据权利要求1所述的竹材规则加工与分级方法，其特征在于：所述组坯后的竹加工单元在压机上压制成型，酚醛胶粘剂固化温度为140-150℃，压力2.5-4MPa，时间10分钟，冷上冷下温度75℃。
5.根据权利要求1所述的竹材规则加工与分级方法，其特征在于：所述的胶液的干物质含量为8-12％。
竹材规则加工与分级方法
技术领域
背景技术
竹材外形为非规则、有削尖度、椭圆筒状的薄壁材料，材性也有明显的变异。竹材的加工效率低、材料利用率低、劳动密集，多数竹产品的成本高于同类木产品。竹材加工的研究方向有两个，一是降低成本，从分利用各种竹材、使之达到与同类木产品的水平；二是突破以竹代木的局限，将竹材用于替代复合材料等高技术和高附加值的相关产品。
复合材料由增强材料和基体材料组成，增强材料承担主要载荷，基体材料则将载荷传递给增强材料。玻璃钢又称为玻璃纤维增强塑料，使主要的复合材料之一，广泛用于风电叶片、船舶、建筑、交通等多行业。由于复合材料的废旧产品处理困难，既难以燃烧，又不易分解。多采用堆积方式处理，又称为垃圾材料(field fill)。玻璃钢属于无法持续使用的材料之一，人们无法持续制造大量玻璃钢产品，再将其丢弃，占用土地。
竹材属可再生的天然材料，性能优良，外侧竹材的性能与玻璃钢相当。利用竹材制造各种类型的竹增强复合材料，具有性能好、成本低、可再生、环保好，废旧产品处理简便等优点，属于可持续性使用的生物质复合材料。
利用竹材替代玻璃钢技术上有两个问题，一是要求其性能与玻璃钢的性能接近，二是产品质量的稳定性。外侧竹材模量已到达玻璃钢的水平，强度也与玻璃钢基本接近，但在质量的稳定性方面有较大的差距。玻璃钢为工业材料，玻璃纤维和树脂性能的波动较小。而竹材属天然材料，性能的变异性显著，制成各种产品的性能存在较大的波动，还达不到工程复合材料的要求。
已有公开专利的竹材分级方法为将竹材分为A、B、C、D四级方法，该方法建立在竹帘组坯的工艺路线基础之上。生产方式为将竹材制成竹篾，再编成竹帘，浸胶、组坯、压制而成。属于竹人造板技术的改进，目的还是替代木材制作建筑结构材料。
发明内容
为此，本发明的方法包括如下步骤：(1)竹材的采集，竹材的采集需要对竹种、采集地点、采集时间、采集数量、采集人、竹龄、胸径、长度、稍径有明确记载；(2)竹材的目测分级，对竹材的径级、长度、梢径、弯曲程度和缺陷加以分类；(3)竹秆的加工，竹秆的加工为圆锯截断，长度参照规定，竹秆长度为净长度尺寸，对分段后的竹秆的直径、竹壁的厚度、圆度、削尖度加以分类，(4)竹节的交错与定位加工，根据需要选择竹节较为均匀的竹秆，对竹节的长度和位置加以限定，如需要错节，错节的间距大于50mm，竹秆长度模数为净长度尺寸；(5)竹篾条的加工，毛篾条的加工方法是撞机的机械破条，篾条的宽度在10至30mm之间，篾条的厚度需要均匀，同一组篾条厚度误差不得超过±10％，(6)去竹青，用刮青法去除竹青，加工后表面不得有竹青；(7)竹条的定厚开片，竹条的第一次开片，采用定厚开片机完成，竹条开片为竹青片和竹黄片，竹青片的厚度由规则分级方法限定，有4种模数和相关序列，竹青片的厚度可根据需要在规定序列中选定。竹青片和竹黄片为一种两级的分级方法，其中竹青片的厚度是规则的；(8)竹片的对分开片与多级分级，竹青片的厚度为模数的偶倍数，采用对分开片法，制成两片厚度接近的竹片，A，B两种级别的竹片，A和B级可进一步制成A0，A1和B0，B1四级竹篾，竹青片的厚度为规则值；竹黄片的破篾性不佳，但厚度较大时，可进一步开成C、D级的竹片。
(9)各级竹材的无损检验与数字扫描分级，需采用超声波无损检验的方法，测定A、B各级竹篾的厚度、含水率、密度、强度和模量，根据模量可做数字分级，即使同属A级竹片，如模量差异较大时为不同的数字分级；(10)连续竹片的斜接，采用斜接方式可将长度一定的竹片，接成连续片，斜接的坡度为1/10，采用机械斜切方式加工，斜面用胶粘剂粘接，加压、加热快速固化；(11)竹丝与丝束的加工，分级竹片可采用拉丝或压丝方法制成竹丝，单一竹片可制成若干根竹丝组成的丝束，多片竹片则可制成较大的丝束；(9)均匀竹材单元，将定量、定级、头尾颠倒、竹节交错的竹片、竹篾、竹丝和丝束组成均匀单层单元。
(12)均匀组层，将数量确定的均匀竹单元组成均匀层单元。
(12)干燥，将各种均匀层单元干燥，含水率低于10％。
(13)浸胶，胶粘剂选用酚醛、或环氧树脂，用溶剂稀释，调整胶液的浓度，将各种竹单层单元浸入胶液，达到规定时间，取出、沥胶或挤胶；(14)预压，各种类型的均匀层单元，采用预压方法，制成片状预压料。
(15)层叠组坯，片状预压料层叠组坯。
(16)压制，组坯后的竹加工单元在压机上压制成型。
所述的分级竹片可采用压丝方法制成竹丝，单一竹片可制成若干根竹丝组成的丝束，多片竹片则可制成较大的丝束，竹片级别为A级，24GPa，宽度为15mm，厚度1.5mm，压丝机加工成10根1.5mm款的竹丝，组成一组竹丝束。
所述的均匀组层单元是将20～35组竹丝束单元组成一层组层单元。
所述组坯后的竹加工单元在压机上压制成型，酚醛胶粘剂固化温度为140-150℃，压力2.5-4MPa，时间10分钟，冷上冷下温度75℃。所述的胶液的干物质含量为8-12％。
本发明的优点是提高竹材各种类型的竹加工单元性能的稳定，包括了竹片、竹篾、竹丝和竹丝束的几何尺寸、物理和力学性能、竹节的位置和数量，将目前不规则和有变异性的竹加工单元制成达到工业产品要求的高质量竹加工单元；对于竹材来说，竹节处的强度与竹材相比较基本相当，但当加工成竹片后，竹节处凸出部被去除，竹纤维受到较大的损伤。竹节处的强度远低于无节处。目前的竹加工方法对竹节的位置和数量未加限制，竹节随机分布。材料的强度波动大，影响材料质量的稳定性。而对竹节的长度和位置加以限制，使之均匀分布，则可提高材料的质量和性能的稳定性。
规则加工与分级既满足降低成本的要求，竹片的分级减少，厚度稳定。又可以在需要高性能竹材时，将其对分开片成精细分级竹片。从降低产品的成本的角度出发，竹篾的厚度尽可能增加，级别数量减少。而要获得高性能的竹层积材，在工艺许可的范围内，减少竹篾的厚度，增加竹材分级的级数。而竹材的规则加工与分级方法则是将两种不同的目的，使用规范的方法达到统一。
由于竹条(去除竹青和竹黄后的竹片)的厚度不规则，而高质量的产品需要将其厚度规则化。首先将竹青片和竹黄片定厚加工，其中竹青片的质量好，可将其厚度规则化，而竹黄片的性能较差，厚度可不规则。
竹青片可进一步对分开片，加工成A、B两种级别的产品。在许可的范围内A和B级竹片进一步开片成A0，A1、B0、B1级别的精细分级竹片。
竹黄片在厚度过大时，可对分开片成C、D级竹片。当C、D级竹片厚度过大时则进一步开片成，C1、C2、D1、D2级竹片。
从规则分级角度看，既可适合低成本要求的分级级数少，竹片的厚度大。又可适合高性能要求的竹片分级的级数多，竹片薄。主要的分级类型和级数有：
一级：竹条经去除竹青和竹黄后，几何截面规则，厚度可波动。
二级：竹青片和竹黄片，竹青片的厚度规则化。
三级：在两级的基础上，将竹青片对分开片，得到A、B、竹黄片等三级。
四级：在三级的基础上，将竹黄片队分，得到A、B、C、D四级。
五级：将A级竹片对分，得到A0、A1、B、C、D五级。
六级：将B级竹篾对分，得到A0、A1、B0、B1、C、D六级。
同理，当竹片的厚度大，还可进一步对分，得到更多级别的竹片。
采用超声波数字扫描方法可以检测竹片的密度、含水率、模量和强度，根据检测结果，作性能分级。
以规则加工与分级方法可制作竹片、竹篾、竹丝和竹丝束。采用定量、定级、竹节交错组成均匀单层单元，进一步可加工成各种竹人造板，主要种类如下：(1)竹丝(篾)层积材以连续竹丝或竹篾为基本单元，采用浸胶、单向组坯，压制而成的板材。根据板材的厚度，可分为单级组坯与多级叠层组坯。
单级组坯用于成型薄板层积材。由于厚度薄，无法采用多几级层叠组坯方式控制产品质量。而是采用数字扫描方式，控制竹丝(竹篾)的质量，从而控制层积材的质量。
多级层叠组坯则是利用两级以上的竹丝(竹篾)，高级别竹丝(竹篾)为面材，低级别竹丝(竹篾)为心材，分别将各级别竹丝(竹篾)组成坯料，再多层层叠组坯压制而成。
(2)多向竹丝(竹篾)层板以连续竹丝(篾)为基本单元，采用浸胶、单向组坯，将各层以不同方向层叠组坯，压制而成的板材。各层方向有0°、±45°、±60°、90°等多种选择。
(3)短竹篾定向板以短竹丝(篾)为基本单元，采用浸胶、定向组坯，压制而成的板材。
(4)短竹丝片状模压料以短竹丝(篾)为基本单元，采用浸胶、定向组坯，压制而成的板材。
规则分级方法制作的竹人造板与玻璃钢不仅具有性能上的可比性，还有显著的价格优势。高性能的竹材模量和强度已达到玻璃钢的水平，超过了工程塑料。而且其成本远低于塑料和玻璃钢。从各方面讲，无论是加工方法、材料的性能还是经济效益，以竹代玻璃钢的前景远超过以竹代木。
具体实施方式
表2竹材尺寸
弯曲：竹材不得有局部弯曲，如竹子根部的死弯。局部弯曲除去后仍可使用。整体弯曲小于1％。
表3竹材材质要求
(2)竹材的目测分级，对竹材的径级、长度、梢径、弯曲程度和缺陷加以分类；竹材的几何形态为由竹节分割的中空竹秆，主要的几何尺寸有：竹秆的长度、胸径、竹节数量、竹节的间距、竹秆大端和小端的长径；短径和竹壁厚度等。
其中D1为竹秆大端的长径，D2为短径，t1为竹壁厚度；D3为竹秆小端的长径，D4为短径，t2为竹壁厚度。根据这些数据，可以得到竹秆的大和小端的平均直径D12和D34、圆度C12和C34、竹秆的尖削度Sb和竹壁的尖削度Sw。
D12＝(D1+D2)/2 (1)D34＝(D3+D4)/2 (2)C12＝D2/D1 (3)C34＝D4/D3 (4)Sb＝(1-D34/D12)/L (5)Sw＝(1-t2/t1)/L (6)竹秆的圆度为竹秆短长径之比，如为1时，竹秆为圆管。小于1则为椭圆。竹秆和竹壁的尖削度表示了竹秆和竹壁之径和厚度的变化。这些参数表征了竹秆自身的差异。
(3)竹节的长度与定位加工；竹秆竹节的长度是不同的，以毛竹为例，在根部(1.3m以下)竹节长度由小变大，不适合制作高性能的竹产品，在1.3-4m处，竹节的长度基本稳定，约在280-350mm之间。超过4米，竹节的长度又开始下降。不同类型的竹材，竹节长度不同，长度稳定的范围不同。
定位加工，则是将竹秆底端定位在竹节的规定处。一般以70mm为竹节的交错距离，当竹节的长度为280mm时，可以有四种竹节交错的竹杆。竹秆底端加工初始位置可定在10、80、150、220mm处。将四种交错竹节的竹材定量均匀混合，可保证竹材竹节的位置和数量的均匀性。
(4)竹材的长度序列；需要对竹秆的长度和取材的方式加以规定。首先是长度方向的模数化。如下表：表4竹材的长度序列
竹秆的长度模数为净长度尺寸，可根据需要确定毛尺寸。
竹秆的底段(0-1.3m)竹壁的厚度有较大的差别。大端壁厚为17mm，小端为10mm。因此以破篾法制作竹篾和竹丝厚度相差较大。竹秆的其余部分(1.3-6m之间)竹壁的厚度随高度基本为线性关系，竹篾的厚度相差较小。
竹秆的分段可采用均分法，每段竹材的长度相同。也可采用两种以上的不同长度的分段方法。
竹人造板需要竹篾的长度有两种，一是名义尺寸为4英尺(1.22m)的短竹篾，二是名义尺寸为8英尺(2.44m)的长竹篾。实际竹篾的长度分别为1.33m和2.54m。对于8寸毛竹，竹秆的分法有四种如下：表5毛竹竹秆长度的分段方法
竹秆的分段以罗马数字表示，竹秆的底部为I，依次为II；III；VI；V等。均匀分段方法是将竹子均分为1.3米的短竹秆，其中第I段竹壁的厚度相差较大。竹秆的长度还可选自其它的模数。
非均匀I种分法是将竹根部的第I段制成短竹秆，第II段为长竹秆，其余为短竹秆。竹子的第II段竹壁厚度均匀，直度好。
除第一段外，其它各段的竹秆和竹壁尖削度小于0.1，有利于加工合格的结构用竹篾。因此竹秆的圆度规定为大于0.9，尖削度小于0.1为合格。
竹篾的弯曲主要由分段后的竹秆弯曲控制，要求竹秆的弯曲小于0.5％。
竹材的第一段为底端，厚度相差大，其它各段的厚度则相差不大。竹壁的厚度对竹秆的性能影响大，要求误差小于平均值的10％。
(5)竹篾条(毛条)的加工；毛条的加工采用撞机完成，可根据竹秆的平均围径等分破条。毛条的宽度小，有利于竹材的均匀。一般以5mm，10mm和15mm为宽度系列。宽度小，适用于围径小的竹秆，宽度大适用于围径大的竹秆。以毛竹非均匀第I种分法第II段(2.5m)为例，其平均直径为85mm，围径266mm。选择10mm宽度，可采用26等分破条。毛条的平均宽度为10.1mm，厚度为8.4mm。篾条的厚度需要均匀，同一组篾条厚度误差不得超过±10％。篾条的模数和宽度规定如下：表6竹片的宽度序列
(6)竹条的定厚和对分开片；采用定宽和定厚开片机，可对竹条定宽和定厚开片。撞机破条，竹条的宽度不规则，经过定宽开片，竹片的宽度规则化。定厚开片则将竹条分为竹青片和竹黄片。竹青片的厚度按下表规定的模数选择。
表7竹青片的厚度序列
以9寸毛竹，10mm宽竹条为例，竹条的大端厚度为9.5mm，小端厚度为7.3mm。加工竹条的规则厚度为6.8mm。竹青片的厚度为规则化，可选为3.2mm，竹黄片厚度为3.6mm。
对于需要厚度大的建筑结构材，可以选用最简单的竹青片和竹黄片两级的分级方法。
将竹青片对分开片，可以得到A、B两级竹片，厚度为1.6mm，加上竹黄片为3级。A级竹片的破篾性好，可进一步开片，得到A0，A1两级0.8mm厚的竹片。共为3种厚度的4级竹片。A0、A1、B、竹黄片。
(7)竹片的数字扫描分级；以上竹材的分级为加工分级方法，采用相同的加工方法可得到不同级别的竹片。但竹片的性能还未确定。数字扫描分级则是利用超声波数字扫描仪对分级的竹片检测，确定其物理和力学性能。根据测试结果进行数字分级，分级模量如下：表8各级竹片的数字分级
以9寸径级，第II段竹秆(2.5m)竹材的加工和数字扫描分级和主要的测量的参数有，竹篾的厚度、密度、含水率、模量和强度。
；(8)竹丝与丝束的加工，分级竹片可采用压丝方法制成竹丝，单一竹片可制成若干根竹丝组成的丝束，多片竹片则可制成较大的丝束；竹片级别为A级，24GPa，宽度为15mm，厚度1.5mm，压丝机加工成10根1.5mm款的竹丝，组成一组竹丝束。
(9)均匀竹丝束单元，将定量、定级、竹节交错的竹片、竹篾、竹丝和丝束组成均匀单层单元。如竹节长度为280mm，以50mm为错位间距，30mm为起始点，有5种错位竹片制成对应竹丝束。头尾端颠倒，共计10束组成均匀竹丝束单元。
(10)均匀组层单元，是将20～35组竹丝束单元组成一层组层单元。最优将25组竹丝束单元组成一层组层单元。
(11)干燥，将各种竹单层单元干燥，含水率低于10％。
(12)浸胶，胶粘剂选用酚醛、或环氧树脂，用溶剂稀释，调整胶液的浓度，将各种竹单层单元浸入胶液，达到规定时间，取出、沥胶或挤胶；胶液的干物质含量为8-12％。
(13)预压，各种类型的均匀层单元，采用预压方法，制成片状预压料。
(14)干燥：预压料干燥，含水率低于8％。
(15)层叠组坯，片状预压料层叠组坯。
(16)压制，组坯后的竹加工单元在压机上压制成型，酚醛胶粘剂固化温度为140-150℃，压力2.5-4MPa，时间10分钟，冷上冷下温度75℃。
(17)切边，沙光，竹增强材长度方向需切边，表面沙光。
(18)检测用超声波无损检验和，对竹增强材料的含水率、密度、模量、强度检测。结构作为产品的指标，也供调节组坯比例，控制产品性能服务。主要的产品规格以模量为指标如下：表9两级层叠竹篾胶合材的模量分级
(19)竹层积材的产品性能竹层积材的产品几何指标包括长度、宽度、厚度、几何尺寸的精度和平行度，物理性能包括密度、含水率、硬度，力学性能有模量和强度。需要有合格证和质量的认证。
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