李延軍 吳新武 婁志超 陳 躍 毛勝鳳

（1.南京林業(yè)大學(xué)竹材工程研究中心，江蘇 南京 210037；2.杭州華宇集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 353003）

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，卷管復(fù)合材料（以下簡稱管材）使用量和使用范圍逐年增大。傳統(tǒng)管材主要分為金屬管材（如無縫鋼管、球磨鑄鐵管等）、塑料管材（如PVC管、HDPE管等）、水泥管材與玻璃鋼管，管材性能各異，各有其優(yōu)缺點，例如無縫鋼管[1-3]承壓能力強、耐高溫、易加工，但其重量大、易腐蝕、加工困難且使用壽命一般；塑料管重量輕、耐腐蝕，便于加工，但耐溫性能和承壓能力較差，剛度小且容易老化；玻璃管材和塑料管[4-5]廢棄后不易降解，對環(huán)境造成一定污染。因此，利用天然可降解材料制造管材，在某些特定領(lǐng)域代替現(xiàn)有的部分產(chǎn)品將是重要的發(fā)展方向。

隨著對竹材研究的深入和竹材加工技術(shù)的提升，我國開始走“以竹勝木”新理念下的轉(zhuǎn)型升級之路[6-9]。李延軍等[10-13]對刨切微薄竹的制備和加工工藝進(jìn)行深入研究，探索將刨切微薄竹應(yīng)用于人造板貼面[14-16]。竹纏繞是竹材加工領(lǐng)域的一種新型加工方式，是由線性制品到非線性制品加工工藝的一次飛躍[17]。張志威[18]等發(fā)明了一種高性能竹條纏繞復(fù)合壓力管，以竹纖維無紡布為內(nèi)襯層，以浸有酚醛樹脂的竹篾和浸有環(huán)氧樹脂的碳纖維布為增強層，通過復(fù)合纏繞工藝制成卷管，該管材適用于耐壓強度要求較高的場合。葉柃[19]等發(fā)明了一種具有保溫、隔熱、強度高等優(yōu)點的竹纏繞復(fù)合壓力管，管材可用于流體運輸，進(jìn)一步拓寬了竹卷管的應(yīng)用領(lǐng)域。張淑嫻[20]等通過測試竹纏繞復(fù)合管的環(huán)剛度值，以期為優(yōu)化竹纏繞復(fù)合管的連接結(jié)構(gòu)提供有價值參考。Kaynak等[21]研究了用纖維纏繞法制備連續(xù)纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料管的工藝參數(shù)，得出纖維纏繞角度較樹脂種類和纖維類型對管材的力學(xué)性能影響更大。近年來，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提出，竹纏繞復(fù)合管開始步入正軌，也愈加受到行業(yè)青睞，前景光明[22-25]。

縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究，纏繞式卷管工藝占據(jù)主體地位，而將竹單板用于模壓制備異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品或機械搓卷制備竹單板復(fù)合管等工藝尚未見報道。本文以刨切竹單板為試驗材料，探究一種以機械搓卷的方式制備卷管復(fù)合管的新工藝。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料

刨切竹單板，2 500 mm×1 250 mm，平均厚度0.3 mm，含水率8%，杭州和恩竹材有限公司；熱壓環(huán)氧樹脂膠黏劑（E51型），固體含量99%，黏度10 000mPa·s（25 ℃），嘉興寶盈通復(fù)合材料有限公司；XS-528稀釋劑，嘉興寶盈通復(fù)合材料有限公司；950A型白乳膠，固體含量50%，杭州和恩竹材有限公司；MDI膠（異氰酸酯膠黏劑），固體含量100%，佳成塑料原料有限公司；環(huán)氧樹脂脫模劑和雙向拉伸聚丙烯薄膜帶（BOPP帶），嘉興寶盈通復(fù)合材料有限公司。

1.2 試驗設(shè)備

JG-1S型卷管機，威海東發(fā)精工機械有限責(zé)任公司；TWC36-Ⅱ型碳素臥式纏帶機，威海國豐漁具有限公司；GD-TG50型脫模機，上海合強實業(yè)有限公司糖果餅干機械廠；S.C.101-6型鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱，嘉興市新塍鎮(zhèn)東興電熱儀器廠；UUTB1300型涂膠機，溫州韋盛機械有限公司；XLB-D型平板硫化機，湖州順力橡膠機械有限公司；游標(biāo)卡尺（精確到0.02 mm），無錫凱保鼎工具有限公司制造；電子秤（精確到0.01 g），上海良平儀器有限公司制造。

2 生產(chǎn)工藝

竹單板復(fù)合管制造工藝流程如圖1所示，主要包括竹單板涂膠、卷管、纏繞定型、干燥固化、脫膜、拉漆打磨、后續(xù)處理等工序。

圖1 竹單板卷管制造工藝流程圖Fig.1 Bamboo veneer coil manufacturing process

2.1 前期準(zhǔn)備

2.1.1 裁剪

將平均厚度為0.3 mm，初始含水率為8%的刨切竹單板手工裁剪成規(guī)格為1 000 mm×160 mm，備用。

2.1.2 涂膠

用涂膠機將E51型環(huán)氧樹脂噴涂在離型紙表面，形成膠膜，膠膜含膠量為50～55 g/m2。再將裁剪好且表面潔凈的竹單板置于離型紙表面，用壁紙刀沿竹單板邊緣裁剪出2張與竹單板尺寸相同的離型紙，將其貼至竹單板前后表面。然后將3～5張貼有離型紙的竹單板上下疊放，置于平板硫化機熱壓，熱壓溫度為90 ℃，壓力7 MPa，熱壓時間為10 s。采用上述方法將環(huán)氧樹脂膠黏劑涂覆于竹單板表面，同時采取雙面施膠法以避免缺膠少膠現(xiàn)象。上述施膠工藝需重復(fù)2次，以確保竹單板單面施膠量在100～110 g/m2之間。熱壓結(jié)束后取出竹單板，在工作臺上靜置15 min，使其降溫至室溫，待使用時撕去離型紙。

2.1.3 鋼管模具處理

選取所需尺寸的模具，將模具放入恒溫干燥箱中，加熱至110 ℃左右取出，用粗砂紙打磨掉表面的銹跡或雜物，然后將脫模劑均勻擦涂在模具表面，待模具溫度降至60 ℃左右用于下道工序。

2.2 卷管

如圖2a所示，將上好膠的竹單板平鋪于卷管機臺面，撕去離型紙，將鋼管模具沿竹纖維平行方向緊貼竹單板里側(cè)長邊邊緣安置，接著用力按壓模具，使竹單板邊緣與模具黏在一起。啟動卷管機，卷管機的上壓板向下移動，將模具夾在上壓板和下臺面之間，壓力為1 MPa, 上壓板與下臺面均以0.3 m/s的速度反向運動，上壓板沿著垂直竹單板纖維方向移動，將竹單板按照模具的輪廓搓成圓管。需要注意的是，由于平行纖維方向卷曲應(yīng)力過大，易發(fā)生斷裂，因此卷管時當(dāng)直徑較小時，宜采用垂直纖維方向卷曲的方式。

卷管機搓管，鋼管模具溫度以50～60 ℃之間為最佳。當(dāng)模具溫度低于50 ℃時，浸漬在竹單板表面的膠黏劑與模具之間的黏性不強，單板不易隨著模具的滾動聯(lián)動起來，易發(fā)生表面褶皺現(xiàn)象；而當(dāng)模具溫度超過60 ℃，溫度過高時又會導(dǎo)致膠黏劑提前固化，不利于膠合。

若使用其他膠黏劑，需在模具上先卷半圈竹單板用以定型，如圖2b所示，再用卷管機搓管。此外，控制上壓板與下臺面之間的壓力很重要，壓力過小，則每層竹單板之間存在空隙，當(dāng)利用BOPP帶在碳素臥式纏帶機上纏繞夾緊固定時，單板間的空隙會發(fā)生擠壓，使竹單板無法自動貼合擰緊，導(dǎo)致竹單板卷管表面出現(xiàn)皺皮現(xiàn)象，影響卷管的外觀和質(zhì)量；若壓力過大，則會對竹單板造成擠壓破壞，如圖3所示。

圖2 卷管示意圖Fig.2 Schematic diagrams of the tube

圖3 試件破壞圖Fig.3 Sample destruction diagram

2.3 纏繞定型

搓卷后的竹單板卷管連同鋼管模具一起架設(shè)在碳素臥式纏帶機上，將BOPP帶先纏繞于竹單板卷管端部，啟動碳素臥式纏帶機，帶動模具一起旋轉(zhuǎn)，使BOPP帶纏繞于整個竹單板卷管表面，然后對其加壓固定。BOPP帶的張力為0.8 MPa，帶距為1.4 mm，如圖4a所示。為保證管件表面的平整度，在碳素臥式纏帶機進(jìn)行加壓固定時，需確保安放BOPP帶的輪盤穩(wěn)定不搖晃，否則會導(dǎo)致纏繞在竹單板卷管表面的帶距不同，從而使密集處壓力較大，疏松處壓力較小，固化后影響管件表面的平整度；此外，輪盤前進(jìn)速度要與模具轉(zhuǎn)速相匹配，不宜過快，保證帶距在1.4 mm左右，誤差不超過0.05 mm。

圖4 纏繞定型示意圖Fig.4 Schematic diagram of winding setting

2.4 干燥固化

將纏繞定型后的竹單板卷管放入鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱，升溫至80 ℃后保溫1 h，以避免因溫度變化過大使竹單板卷管內(nèi)外層膠黏劑固化不同步，而導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，影響力學(xué)強度。隨后，升溫至136 ℃，保溫2 h后取出，冷卻至室溫。在干燥固化過程中需控制好保溫時間，時間過短會降低卷管的強度和硬度，脫模時易變形和損壞。

2.5 脫模

將內(nèi)徑與模具外徑相匹配的圓形墊塊套入模具中進(jìn)行封頭，使其卡于竹單板卷管一端，然后將模具上的卡槽與脫模機相連，啟動脫模機，通過液壓裝置將模具從卷管中抽出，如圖5所示，然后用碳素臥式纏帶機將卷管表面的BOPP帶撕除。

脫模時應(yīng)注意以下幾點：1）模具要與液壓桿在同一條直線上，當(dāng)鋼管模具脫出時，模具不能與擋板發(fā)生摩擦，否則會破壞磨具表面平整度，影響后續(xù)制備的竹單板卷管質(zhì)量。2）用白乳膠或白乳膠/MDI混合膠、冷壓環(huán)氧樹脂膠等膠黏劑制備竹單板卷管時，在膠黏劑固化后用脫模機分離復(fù)合管與模具的過程中，增加拉力會破壞卷管。其原因在于，這幾種膠相對于熱壓環(huán)氧樹脂固化后硬度較差，尤其是白乳膠和白乳膠/MDI混合膠，不能為竹單板提供較強的支撐力，再加上外層纏繞著加壓固定的BOPP帶，使卷管與模具接觸面的摩擦力增大，導(dǎo)致脫模較為困難。

圖5 脫模示意圖Fig.5 The schematic diagram of demolding

2.6 拉漆打磨

脫模后，檢驗竹單板卷管表面是否平整，端頭是否變形或損壞,檢驗合格的竹單板卷管用400號水砂紙打磨至表面光滑，且卷管最外一層接口處不能有棱槽，銜接平滑。然后用水清洗干凈，靜置至表面干燥后進(jìn)行拉漆。具體操作如下：將漆料倒入月牙型容器中，再加入33%的XS-528稀釋劑，攪拌均勻，將竹單板卷管從大口進(jìn)入，小口拉出，使漆料均勻涂覆于竹單板復(fù)合管表面。隨后，將涂覆漆料的卷管靜置3 h至表面干燥，再用800號水砂紙打磨至表面光滑，用水清洗干凈，靜置待表面干燥后進(jìn)行第二遍拉漆，然后放入烘箱升溫至80 ℃干燥1.5 h后取出，靜置降至室溫，再用800號水砂紙打磨至表面光滑。采用上述方法再拉第三遍漆。每次拉漆完成后放入干燥箱中烘干，烘干過程中干燥箱的升溫速度不宜過快，否則會導(dǎo)致漆料和竹單板內(nèi)部的水分蒸發(fā)過快，使漆膜表面出現(xiàn)氣泡，而影響產(chǎn)品的整體美觀度，升溫速度通常為2 ℃/min。

3 結(jié)論

本文以刨切竹單板為試驗材料，以機械搓卷方式制備卷管復(fù)合管，結(jié)果表明：

1）采用本文所述工藝制得的復(fù)合管產(chǎn)品表面光滑，形狀規(guī)整，可代替部分塑料管、玻璃管應(yīng)用于室內(nèi)裝修、室外建筑等領(lǐng)域。

2）用竹單板制備復(fù)合管可使竹材的利用率和附加值提高，為竹材的開發(fā)利用開辟了新途徑，也為竹材企業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。