婁志超 王義華 李延軍 王秋怡 趙詣涵

（1. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)竹材工程研究中心，江蘇南京 210037；3. 江西省資溪縣林業(yè)局，江西 南平 335300）

實(shí)木和塑料砧板存在不易清洗，化學(xué)物質(zhì)析出或 切剁產(chǎn)生碎屑等問題，有較大的健康安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。竹砧板原料綠色天然，具有較高的硬度、韌性且不易掉渣，由于竹材自身的天然氣味、色澤和強(qiáng)重比[3-4]，竹制砧板氣味清香、色澤自然、使用輕便。此外，竹材內(nèi)部纖維細(xì)胞的排列方式具有顯著的各向異性，表面竹纖維橫平的竹砧板較實(shí)木砧板吸水性更低，不易發(fā)生霉變腐朽[5-6]。因此，竹砧板越來越受到消費(fèi)者的青睞。但目前竹制砧板多以脲醛樹脂為膠黏劑，由竹條熱壓膠合而成，制作方法工序復(fù)雜，刨削量大，竹材利用率和生產(chǎn)效率低[7-8]。由于制作中需要較大的施膠量，而產(chǎn)品膠接面與食材直接接觸難以避免，產(chǎn)品中殘留的部分游離甲醛，易污染食材和室內(nèi)空氣，因此環(huán)保性差，影響使用者的身體健康[9-10]?；谇叭搜芯?，針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品中存在的問題，筆者所在團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有高溫高濕軟化展平技術(shù)[11]基礎(chǔ)上，提出一種新型展平竹砧板及其制備工藝。生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 展平竹砧板生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Manufacturing process diagram of flattened bamboo cutting board

1 竹筒加工預(yù)處理

目前主要選用3～5 年生、竹梢部厚度達(dá)到8.5 mm以上的毛竹（Phyllostachys heterocycla）作為新型展平竹砧板用材，以保證展平、砂光、刨削后的竹展平板厚度在5 mm以上。毛竹根部由于彎曲度較大，自根部起向上1 m長(zhǎng)竹段不宜制備展平竹板材，因此將其加工成竹條，作為展平竹砧板芯材組坯單元體。剩余部分，根據(jù)竹砧板的尺寸要求，可截?cái)喑?.6～1.2 m長(zhǎng)的竹筒。

研究表明，提高竹材的含水率和溫度可有效提高竹材塑性，降低竹材橫向彈性模量，實(shí)現(xiàn)竹材軟化[12]，因此本文所述工藝采用高溫高濕軟化展平技術(shù)。由于竹材外層靠竹青部位的竹壁中維管束密度高，木質(zhì)素含量較多，并含有臘質(zhì)，比木材堅(jiān)硬；而竹材內(nèi)層靠竹黃部位多為薄壁細(xì)胞，質(zhì)地脆而松軟。竹青和竹黃的存在會(huì)影響軟化的效果，而且這兩部分硬而脆，其橫向彈性模量比竹肉部分大，也影響展開效果[13]，因此，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在竹材展平前對(duì)其進(jìn)行去青去內(nèi)節(jié)處理[14]。

1.1 竹筒去內(nèi)外節(jié)、去青與開槽預(yù)處理

工業(yè)上比較常見的去內(nèi)節(jié)方法，采用的是先破竹筒節(jié)隔后浮動(dòng)銑削內(nèi)節(jié)技術(shù)[15]，配合如圖2a所示的去內(nèi)節(jié)機(jī)[15–17]。去內(nèi)節(jié)機(jī)由芯軸、沖頭、多齒銑刀和限位環(huán)等構(gòu)成。在工作時(shí)，需要人工將竹筒對(duì)準(zhǔn)芯軸和沖頭，在鏈?zhǔn)竭M(jìn)樣機(jī)的推動(dòng)下撞向沖頭，由沖頭首先從竹筒一端沖破竹隔，最終芯軸貫穿整個(gè)竹筒并在竹筒另一端露出沖頭。之后，竹筒由布置在兩處的3 個(gè)橡膠摩擦輪支撐并驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與銑刀方向相反。在旋轉(zhuǎn)過程中，限位環(huán)外圓周緊貼竹筒內(nèi)壁，并以后者為基準(zhǔn)進(jìn)行銑削。限位環(huán)的作用是使銑刀銑削竹筒內(nèi)壁殘余內(nèi)節(jié)，解決竹筒尖削度、不圓度、彎曲度等生長(zhǎng)缺陷問題。同時(shí)，盡可能保護(hù)竹黃部位不被銑刀過分銑削，為竹筒展平后的定厚處理保留空間，提高竹材利用率。

竹筒去內(nèi)節(jié)后，采用浮動(dòng)銑削去除竹青和竹節(jié)技術(shù)，配合如圖2b所示的去青機(jī)，去除竹材外節(jié)和竹青[15-16,18-19]。具體方法如下：首先通過人工將去內(nèi)節(jié)后的竹筒置于圖2b所示的進(jìn)料等待區(qū)凹槽中，凹槽數(shù)量、相鄰凹槽的間距分別與去青機(jī)的錐形卡頭數(shù)、相鄰錐形卡頭間距一致。竹筒被鏈?zhǔn)诫姍C(jī)傳送至錐形卡頭對(duì)應(yīng)位置，并由后者從兩端將其夾緊開始驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，銑削工作頭從竹筒一端沿其軸向方向以1.25 cm/s的速度向另一端移動(dòng)，完成銑削加工。每個(gè)銑削工作頭配備1 臺(tái)電機(jī)和1 個(gè)氣缸，電機(jī)帶動(dòng)銑削工作頭逆竹筒旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，氣缸通過氣壓調(diào)控銑削工作頭作用于竹筒上的徑向壓力，并通過銑刀上的限位齒使其隨竹筒外壁輪廓的變化上下浮動(dòng)，從而精確控制銑削量。

圖2 去內(nèi)節(jié)機(jī)與去青機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the machines for removing bamboo tube's inner knots and outer knots and layer

在去除內(nèi)外節(jié)與竹青后，采用圓鋸片沿著竹筒進(jìn)行徑向開槽（圖3a）。竹筒上沿纖維方向形成一條寬為2～4 mm的直線槽（圖3b）。由于竹筒由內(nèi)表面到竹肉，再到竹筒外表面，其密度、吸濕性和纖維素含量呈梯度分布[20]，在高溫高濕熱處理過程中，竹筒內(nèi)表面吸濕膨脹，槽口會(huì)變寬（圖3c），利于軟化后的竹筒進(jìn)入展平機(jī)。這是實(shí)施竹筒展平技術(shù)的重要前提。

圖3 竹筒開槽和軟化前后槽口的變化情況Fig.3 Slotting procedure and the slotted bamboo tubes before and after heat treatment

1.2 竹筒軟化處理

生物質(zhì)軟化處理方法主要有化學(xué)軟化處理與物理軟化處理2 種。竹材中空壁薄，表面有硬質(zhì)且呈蠟狀的竹青，化學(xué)試劑不易浸入內(nèi)部[21]。同時(shí)，化學(xué)試劑軟化處理會(huì)引起竹材化學(xué)成分的劇烈改變，影響處理材質(zhì)量，且對(duì)環(huán)境不友好。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中基本不使用化學(xué)試劑軟化處理竹材。

筆者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)竹材無裂紋軟化展平生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，借鑒竹集成材制備工藝中竹片飽和蒸汽熱處理工藝，提出竹材高溫高濕軟化展平技術(shù)[12,16]。高溫高濕軟化技術(shù)相較于水煮和單純高溫軟化方法，不僅可高效率實(shí)現(xiàn)竹材的軟化，還可有效保持竹材物理力學(xué)性能并減少污染。重要的是，飽和蒸汽軟化可使竹材在高溫處理過程中一直保持一定的濕度。水分的存在不僅影響軟化過程中熱量在竹材中的傳輸效率，還會(huì)對(duì)軟化過程中的生物質(zhì)材料化學(xué)組分的變化規(guī)律產(chǎn)生影響[22]。從圖3c可以看出，為提高生產(chǎn)效率，對(duì)于較大的壓力罐，處理材放置可考慮2～4 層多層排布，上下兩層處理材之間保留一定間距，以使蒸汽順利到達(dá)每個(gè)處理材，避免處理材之間軟化效果出現(xiàn)較大差異性。目前，展平竹砧板生產(chǎn)實(shí)踐中采用的軟化溫度為180 ℃。根據(jù)竹筒不同的厚度（8～13 mm），軟化時(shí)間最小為290 s，當(dāng)厚度小于等于10 mm時(shí)，厚度每增加1 mm，軟化時(shí)間增加30 s；當(dāng)厚度大于10 mm時(shí)，厚度每增加1 mm，軟化時(shí)間增加40 s，最長(zhǎng)不超過420 s。

2 竹筒展平處理

竹筒展平方法分橫向展平和縱向展平2 種，具體如下：

2.1 竹筒橫向展平技術(shù)

李延軍[16]和吳勇為等[23]設(shè)計(jì)出一種竹材展平的設(shè)備和工藝，將去青去黃并且開槽和軟化后的竹筒置于圖4a所示展平設(shè)備中。該展平設(shè)備由一對(duì)軸向相互平行的輥組成，其中上輥筒表面光滑，下輥筒表面有分散且呈錐形、長(zhǎng)方體形或短“V”形凸起的釘輥。在竹材受上下輥壓力展平的同時(shí)，其表面在釘輥的作用下形成導(dǎo)裂眼，可釋放竹黃面展平時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而避免竹材表面開裂。圖4b為采用上述設(shè)備和方法展平后得到的竹板材。由圖可見，竹黃面有明顯的釘眼，深度在3～4 mm。橫向展平后根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行一定厚度的刨削，以使產(chǎn)品表面光滑，該過程在一定程度上會(huì)降低原料利用率。另外，由于竹材大小頭、尖削度、彎曲度等因素，竹筒長(zhǎng)度在80 cm左右為佳。而一般橫向展平機(jī)配備的釘輥長(zhǎng)度為80 cm，釘輥直徑為9 cm，適合展開長(zhǎng)度在60 cm以下的竹筒，可滿足較小幅面展平竹砧板的制造要求。

圖4 橫向展平機(jī)實(shí)物圖與展平后的竹板材Fig.4 Transverse flattening machine and the flattened board

2.2 竹筒縱向展平技術(shù)

林海等[24-25]設(shè)計(jì)了一種竹材縱向展平方法及相應(yīng)設(shè)備，如圖5a所示。該設(shè)備根據(jù)其上下輥輪形態(tài)的不同分為3 個(gè)區(qū)域：展開軋輥區(qū)域（區(qū)域1）、壓平區(qū)域（區(qū)域2）與反曲輥區(qū)域（區(qū)域3）。展開軋輥區(qū)域裝備有刻線展開輥，其圓周表面斜向設(shè)置一組相互平行的刻線刀（圖5b），刻線刀與輥的軸向方向呈25～40°角，相鄰刻線展開輥上的刻線刀方向呈交叉設(shè)置。另外，縱向設(shè)置的相鄰兩個(gè)刻線展開輥之間的軸向厚度差在2～4 cm。軟化后的竹筒沿著導(dǎo)向輥經(jīng)過展開軋輥區(qū)域，隨著竹筒展開弧度逐漸加大，該區(qū)域的有刻線展開輥圓周兩側(cè)表面仍然設(shè)置相互平行的刻線刀，但中部表面為光滑結(jié)構(gòu)（如圖5c所示），圖5d分別為輥的示意圖及輥與竹筒之間的相互作用示意圖。其中，刻線刀的角度以及鄰近輥之間軸向的厚度差與前述的輥一致。竹筒逐漸被刻槽并展開，在竹黃面形成菱形線槽（如圖5e所示），線槽寬一般為1.5～2 mm，深為2～4 mm，相鄰線槽間距為5～8 mm。這些線槽有利于分散竹黃面在展平過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。之后竹筒進(jìn)入壓平區(qū)域，該區(qū)域由各壓平托輥圓周面的上表面和壓輥圓周面的下表面構(gòu)成。竹板材經(jīng)過壓平托輥和對(duì)應(yīng)壓輥的相互擠壓，被壓緊壓實(shí)，不僅保證了最終處理后的竹板材平整結(jié)實(shí)，而且大大提高了工作效率。展平后的竹板材進(jìn)入反曲輥區(qū)域，其裝備的輥與前兩個(gè)區(qū)域完全不同，表面光滑，使展平后的竹板向竹青方向稍微彎曲，強(qiáng)制其進(jìn)一步展平定型。采用該方法生產(chǎn)的竹展平板竹黃面同樣存在明顯的刻痕，刻痕深度為4 mm左右?？v向展平后，需根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行一定厚度的刨削，會(huì)降低竹材利用率。

圖5 縱向展平機(jī)示意圖Fig.5 Schematic diagram of longitudinal flattening machine

比較上述2 種展平方法，橫向展平設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小，維護(hù)成本較低，單臺(tái)設(shè)備每年維護(hù)費(fèi)用為1 萬元左右；而縱向展平設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、占地面積較大，維護(hù)成本也較高，單臺(tái)設(shè)備每年維護(hù)費(fèi)用為5～6 萬元。但橫向展平機(jī)只適合生產(chǎn)較小幅面的竹展平板，而縱向展平機(jī)展開竹筒長(zhǎng)度可達(dá)2 m，可用于生產(chǎn)較大幅面的竹展平板，豐富了竹展平砧板的品種。在生產(chǎn)效率上，以工作8 h為例，橫向展平機(jī)可生產(chǎn)竹展平板6 000 片/d，而縱向展平機(jī)可生產(chǎn)竹展平板10 000 片/d。另外，橫向展平機(jī)產(chǎn)品合格率可達(dá)80%，而縱向展平機(jī)合格率僅為60%，主要原因在于縱向展平機(jī)在竹黃面形成的菱形刻線密度不如橫向展平機(jī)產(chǎn)生的釘眼，加上板材幅面大使得展平過程中竹材內(nèi)部應(yīng)力不能完全釋放，因而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象較多。因此，縱向展平機(jī)適合展開長(zhǎng)度較長(zhǎng)、厚度較薄的竹筒，橫向展平機(jī)適合展開長(zhǎng)度較短的竹筒，但對(duì)竹筒厚度無要求。

3 竹展平板定厚處理

展平后的竹板被迅速送至壓刨機(jī)上進(jìn)行定厚，厚度規(guī)格一般為5、6、7 mm和8 mm。由于壓刨機(jī)的線速度只有17 m/min，因此，1 臺(tái)橫向展平機(jī)只需要配備1 臺(tái)壓刨機(jī)進(jìn)行定厚，但是1 臺(tái)縱向展平機(jī)需要配備2 臺(tái)壓刨機(jī)，才能滿足生產(chǎn)效率要求。竹展平板定厚不僅方便后期竹砧板的組坯，還可在定厚過程中刨削掉一定厚度的竹青面和竹黃面，使得展平板顏色更加鮮亮，并釋放掉一定的殘余應(yīng)力，保障展平板形貌穩(wěn)定性。定厚后，竹展平板黃面可保留1～2 mm深的釘眼或槽線。

4 竹展平板干燥定型處理

定型干燥采用壓垛法，將定厚的竹展平板趁熱進(jìn)行堆垛，并以寬2.5 cm、厚0.5 cm的竹條或不銹鋼條作為隔條，送入干燥窯或隧道窯進(jìn)行加溫與排濕處理。干燥窯的溫度一般不能高于70 ℃，防止竹片因干燥速度過快而產(chǎn)生翹曲變形。同時(shí)，在垛體的上部壓制重物，以防板材翹曲變形；或采用特殊加壓設(shè)備，在熱壓干燥過程中間歇地逐漸解除部分壓力，方便竹片排濕和自由收縮，以加快竹片的水分蒸發(fā)，防止因干縮應(yīng)力而產(chǎn)生橫向開裂。目前，實(shí)際生產(chǎn)中干燥溫度控制在45～60 ℃之間，干燥時(shí)間為5～7 d。待含水率在9%以下時(shí)，降溫后取出展平竹板材，進(jìn)行表面砂光或刨光處理，即制得無裂紋展平竹板材備用。

5 竹展平板施膠、組坯與熱壓

在制作竹砧板時(shí)，竹展平板竹黃面單面施膠，所用膠黏劑為脲醛樹脂，固體含量在0.1%～0.3%之間，采用涂膠法。組坯時(shí)，2 塊涂膠竹展平板竹黃面相對(duì)，竹青面朝外，分別作為上下兩表面。芯材如圖6所示，由竹條組裝而成。竹條的長(zhǎng)度分3 種規(guī)格（l1、l2和l3）、寬度（d）和厚度（t）分別由如下公式（1）、（2）、（3）和（4）決定：

式中：D、L和T分別為竹砧板板坯的產(chǎn)品寬度（cm）、長(zhǎng)度（cm）和厚度（cm）要求;t0為竹展平板單板厚度, mm。

長(zhǎng)度方向，竹條纖維方向與上下兩面竹展平板纖維方向一致。寬度方向，竹條纖維方向與上下兩面竹展平板纖維方向正交。組坯時(shí)，以一塊竹展平板黃面朝上作為底板，在其上面如圖6 所示進(jìn)行竹條組裝，長(zhǎng)度為l3的竹條數(shù)量為（n=L/d-2）個(gè)，長(zhǎng)度為l1和l2的竹條數(shù)量分別為2 個(gè)。之后，取另一塊涂膠后的竹展平板黃面向下，置于組裝好的芯層上方，完成組坯。最后，組坯好的竹砧板送入熱壓機(jī)熱壓固化，熱壓溫度為95～100 ℃，熱壓壓力為3 MPa，保壓時(shí)間為20 min。

圖6 芯板的組坯方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of core-plate assembly mode

6 竹砧板產(chǎn)品后期處理

對(duì)熱壓后的單個(gè)砧板板坯進(jìn)行裁頭，然后用銑床銑光毛刺并倒出一定角度，再用寬帶自動(dòng)送料砂光機(jī)對(duì)砧板切削面進(jìn)行砂光。最后，經(jīng)整理、拋光、烙印和涂植物油后，使用防潮膜、膠帶、紙箱包裝入庫。

7 結(jié)語

生產(chǎn)企業(yè)按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)研發(fā)的工藝及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，將0.6～1.2 m長(zhǎng)，去青去內(nèi)外節(jié)和開槽后的竹筒放入180 ℃壓力罐飽和蒸汽高溫高濕處理290～420 s，經(jīng)縱向或橫向展平機(jī)展平后，分別制備得到竹黃面有刻線或釘眼的竹展平板。展平后的竹板材定厚至5～8 mm，采用壓垛法進(jìn)行干燥定型，在45～60 ℃干燥窯中處理5～7 d。竹展平砧板共3 層，上下兩層為制得的竹展平板，中間層為竹集成材，采用單面、涂膠法施脲醛樹脂膠，組坯后送入壓機(jī)進(jìn)行熱壓。熱壓溫度95～100 ℃，壓力3 MPa，保壓20 min。制備得到的竹展平砧板無漏刨、裂紋、毛刺、波紋、拼接離縫，含水率在8.0%～15.0%之間，使用面硬度大于3 100 N，膠層浸漬剝離長(zhǎng)度小于25 mm。展平竹砧板厚度在20～30 mm之間，縱向靜曲強(qiáng)度大于55 MPa，橫向靜曲強(qiáng)度大于20 MPa。膠層在砧板側(cè)面，表面竹纖維保持橫平，食材不會(huì)與膠接面直接接觸。生產(chǎn)實(shí)踐表明：利用竹展平技術(shù)制造展平竹砧板，可有效提高竹材利用率，降低施膠量與能耗，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成本下降的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。