竹材原态多方重组材料及其制造方法

专利名称：竹材原态多方重组材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种竹材原态多方重组材料及其制造方法，属于材料领域。
背景技术：
我国竹子资源丰富，是世界第一竹子资源大国。竹子具有生长迅速、轮伐期短、 中空竹节、抗剪能力强、物理特性优良等特点，将空心竹材重组加工成可替代木材 的复合材料，可以充分利用竹材原态的结构和物理特性，加工成环境友好的绿色材 料，有效缓解我国木材供需矛盾。现有竹材重组技术主要有-
(1) 竹方重组技术将空心竹材劈裂成弧形竹坯，再将竹坯加工成一定规格的 竹方条，把竹方条胶合到一起，组成竹板材或竹方材。该技术的缺点和不足是将 弧形竹坯切削成方条，导致大量原料的浪费， 一般竹材利用率不足30%。
(2) 碎竹重组技术将整竹压碎后进行重组胶合到一起，形成竹板材或竹方材。 该技术的缺点和不足是1)天然竹材的纹理遭到不同程度破坏；2)竹板材或竹方 材内部容易形成微小空隙，影响断面质量。
(3) 小径竹重组技术将小径竹竹材揉磋成竹束，重组胶合到一起，形成竹板 材或竹方材。该技术的缺点和不足是破坏了天然竹材的宏观结构，失去了竹材的
"原态"，表面质量欠佳，无法替代较高档次实木。
(4) 弧形竹材原态重组技术由内弧半径与外弧半径相等、具有光滑的竹青面 和竹黄面的弧形竹板，以其弧形的相同朝向并列排放加压粘结而成。该技术的缺点 和不足是由于材料是由弧形竹片叠加而成，没有利用竹材内部中空和竹隔的天然 结构，制造大型柱材或梁材很不经济。
上述四种竹材重组技术均没有充分体现竹材本身所具有的结构、物理等特性， 单位质量内力学性能不高，也不能实现长范围、大跨度重组的要求，因此不能用作 对力学强度、长度、跨度要求较高的结构材料。

发明内容
本发明的第一个目的是改进现有技术的不足，提供一种可保持竹材天然结构， 制出强度高、长度大、跨度大的重组竹结构材料且竹材利用率高的竹材原态多方重 组材料。
本发明的另一个目的是提供上述竹材原态多方重组材料的制造方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案
本发明提供的竹材原态多方重组材料，由若干横截面的外轮廓为正多边形化的 竹材单元组成，所述竹材单元的一端或两端设有榫接结构，在所述竹材单元外表面 的部分侧平面或全部侧平面上涂有粘接剂层，通过该粘接剂层使得若干该竹材单元 侧面粘结在一起，形成横向边对边排列结构，实现横向任意扩展；在正多边形化竹 材单元的端部榫接结构结合面上涂设粘结剂层，通过该粘结剂层使得若干该竹材单 元一端或两端粘接固联在一起，实现纵向任意延长。
所述竹材单元为沿竹子横截面切割的一定长度的竹段，在所述竹材单元的外表 面上加工若干纵向平面，即将不标准的空心圆柱状的竹段外表面按标准正多边形模 式进行加工，得到双端皆为标准正多边形、或一端为标准正多边形另一端为竹材原 有的部分圆弧和部分直线组成的非标准正多边形、或双端为竹材原有的部分圆弧和 部分加工直线组成的非标准正多边形截面的竹段，称为"正多边形化"竹材单元。
所述正多边形化的竹材单元的侧边数可以是4 8。
正多边形化竹材单元的侧边数为6是最佳的选择。正六边形化竹材单元以其横 截面按照蜂窝状并列排放通过其侧面粘结成竹材原态六方重组材料。正六边形化竹 材单元在横向上拼接，各竹材单元的侧边贴合紧密不留空隙，而且将竹子侧面加工 成正六边形化，对竹子壁厚的切除量较少。如果竹材制成的多边形的边数太少，则 制成多边形对于竹子壁厚切除过多，无疑是对竹材的浪费和对竹材强度的削弱。如 果侧边数太多，则加工出的侧平面面积较小，各个竹材单元在横向上粘结强度将降 低。
竹材原态六方重组材料，由直径相当，外表面统一规格正六边形化的竹材单元， 以其横截面按照蜂窝状并列排放加压加热或冷态粘结成材。将所述竹材单元的外表 面铣削成一定规格的正六边形化状，竹材单元的一端或双端铣削成指形榫，通过指 接方式可使竹材原态六方重组材延长到所需要的任意长度。
所述竹材原态多方重组材料中的若干竹材单元可由截面、侧边数相同或不同的 竹材单元构成。,J如具体的可有如下几种情况，
所述若干竹材单元是横截面基本相同、侧边数目也相同的竹材；或者， 所述若干竹材单元包括两组或两组以上的竹材单元，同组竹材单元的横截面大 小和边数相同，不同组的横截面大小和/或边数不同，同组竹材单元通过榫接结构形 成纵向延长结构，同组或不同组竹材单元通过外表侧平面横向粘接形成横向延展结 构；或者，所述若干竹材单元是横截面基本相同、侧边数目也相同的竹材,另外，还包括 一组若干横截面与所述竹材单元的横截面不相同的木质单元，其横截面与所述竹材 单元相互重组其间形成的空隙相匹配，填充在所述空隙中。
例如，所述竹材单元包括一组若干正八边形化的竹材单元和一组若干正四边形 化的竹材单元，该正四边形化的竹材单元的横截面外轮廓的边长与所述正八边形化 的竹材单元的横截面外轮廓的边长对应相等，或成倍数，使得所述正四边形化竹材
单元置于所述正八边形化竹材单元粘结后的四方形截面的孔隙中；
再如，所述竹材单元包括两组各若干正四边形化的竹材单元，各组竹材单元的 边长不同。
所述竹材单元纵向榫接的接缝应尽量交错排放。
本发明提供的竹材原态多方重组材料的制造方法，包括下述歩骤
(1) 选取直径相当的竹材进行锯切定段，将竹材锯切成随机长度的竹段，定段 原则1)按大端直径减小端直径的差为一数值进行定段；2)锯口选择在非竹节处；
(2) 将锯切后的竹段的外表面铣削成正多边形化竹材单元；
(3) 将竹材单元的一端或双端铣削成指形榫，以备指接组坯；
(4) 将正多边形化的竹材单元的部分侧面或全部侧面及指榫结合面涂胶，以其 横截面边对边并列排放，纵向将竹材单元指接延长；根据使用要求组成不同截面和 长度的组坯；
(5) 将涂胶后的组坯进行横向和纵向加压，加热或冷态固化，形成竹材原态多 方重组材料。
在完成上述竹材原态多方重组材料制造后，可在歩骤(5)后增加深加工步骤-即对竹材原态多方重组材料的长度、边缘和表面进行加工，制成一定规格和表面质 量的竹材原态多方重组材料。
所述的对竹材原态多方重组材料的长度、边缘和表面进行加工，是指对重组材 进一步加工例如锯切、裁边等以及对重组材料表面处理如刨光、砂光及涂漆等。
在步骤(1)中，各个所述竹段分成至少一组，同组中的竹段每个竹段横截面基 本相同，其平均胸径误差在士15mm之内。
所述竹段两端的直径差在土10mm之内。
这样，可确保加工出来的正多边形化竹材单元的侧面在两端的宽度基本相等， 也可避免组合起来的竹材原态多方重组材料在竹材单元较小的直径部分出现纵向空 隙。另外，根据需要，可对竹材原态多方重组材料进行二次重组，即在横截面方向 进行二次排布组合，增加横截面积；在实践中， 一般只作从小截面竹材原态多方重 组材料到大截面竹材原态多方重组材料的二次重组。不作长度延长二次重组，因为 重组以后的材料由多根竹材单元构成，较难实现延长指接。
在步骤(4)组坯时，最好使竹材单元指接缝纵向交错排放，避免影响成材力学 强度。
在步骤(2)中，对竹段外表面铣削成正多边形化，其目的是为获得在竹材单元 并列排放相互粘结重组中需要的粘结平面，因存在局部的圆弧，故非严格意义的正 多边形。
正多边形化的竹材单元横截面侧边的边长L2与同直径圆的内接的正多边形的边 长L1的比值称为多边形化度。
为了保证有足够的粘结面积，确保竹材单元之间良好胶结，铣切正多边形化时， 该多边形化度不能低于40%，该多边形化度的优选参数为60% 80%。如果多边形化 度太大，要对竹子壁厚铣切较多，降低竹材的强度，也降低其利用率；如果多边形 化度太小，则正多边形化的竹材单元侧表面没有足够大的粘结面积，影响胶合强度。
在步骤(5)中，加压固化可在冷态(常温)下进行，也可在加热的条件下加压固 化。采用何种固化条件，可根据所使用的胶粘剂的种类、特性而定。
在本发明中所使用的胶粘剂可采用UF (脲醛树脂胶)、PF (酚醛树脂胶)、MDI (异氰酸酯胶)或木材加工领域常用的其他胶粘剂。
本发明的创新点主要是，弥补现有技术中将竹子原有中空结构破坏掉的竹材重 组的不足，保持了竹子原有生理结构，充分利用了竹子具有中空、竹隔等独特结构， 使竹竿抗弯、抗压和抗剪能力强，物理性能优良等特点得到较大限度地保留，保持 了竹材的原生态特点，提高了原料利用率。自然竹材是圆筒状，由于竹节的存在和 竹材纤维的有序排列，在横向上使竹材在相当的高度具有较强抗风能力(即抗剪切 和抗弯曲能强)，在纵向上使竹材具有很强的抗拉和抗压能力。本发明充分利用了 竹材的这一物理结构特性，通过外表面正多边形化和指榫结构加工实现竹材横向联 结、纵向任意延长的重组，充分发挥竹材自然的力学性能，使得竹材原态多方重组 材料可用于大规格材料的用途中。因此，本发明的优点是
本发明针对竹材中空、竹节的物理结构特性，将圆形空心竹材重组加工成横向 为多边形边对边并列排放状(如六方重组则为蜂窝状)，纵向任意延长的多方重组 材，保持了竹材天然结构，可制造出强度高、长度大、跨度大的重组竹结构材料。竹材原态多方重组材不但可替代木材作为结构梁材和柱材，提高竹材资源的利用率， 节省林木资源，而且可替代某些混凝土、钢材等结构材料，提高结构材料的亲自然 能力。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一歩说明，并非对本发明的限制，凡 是依照本发明公开内容所进行的任何本领域的等同替换，均属于本发明的保护范围。


图1为本发明的工艺流程图2为在定段工序中，按需要选取直径相当的竹材，锯切定段得到的竹段示意
图3a和图3b分别为在面铣工序中把竹材外表面铣切成正六边形化的2种状态
竹材单元的示意图4a和图4b分别为在铣指榫工序中将竹材单元的一端和双端铣切成指形榫的 结构示意图5为竹材原态多方重组材料横截面的排列组坯方式示意图； 图6为将正六边形化竹材单元的外表面、指榫结合面涂胶，并加压加热或冷态 成材示意图7为竹材原态六方重组或在图6的基础上进行二次重组形成竹材原态六方重 组材料的结构示意图8多边形化度说明示意图9为由正八边形化竹材单元和正四边形化竹材单元匹配重组构成的竹材原态 多方重组材料的结构示意图。
具体实施例方式
实施例h
本实施例提供的竹材原态多方重组材料，由若干外表面为JH六边形化的竹材单 元10a组成，竹材单元10a的部分侧平面或全部侧平面13上涂有粘接剂层，通过该 粘接剂层使得若干该竹材单元10a侧面粘结在一起，实现横向任意扩展；在正多边 形化竹材单元10a的一端或两端榫接其它所述竹材单元，使得在纵向任意延长。
若干根竹材单元10a的平均胸径误差在士15mm以内，外表面统一规格的正六边 形化的竹材单元纵向榫接，部分侧平面或全部侧平面13上涂有粘接剂层，加热或冷
态粘结形成任意长度的竹材原态六方重组材料。 加工方法的工艺流程如图1所示。参照图1 图7所示，选取胸径基本相同的竹材，将其按大小端直径差进行定段， 再经过面铣，把竹材外表面加工成规格一致的正六边形化的竹材单元， 一端或双端 铣指榫。先进行纵向榫接成一定长度(如6000mm)的单根长材，然后进行横向组坯 成竹材原态六方重组材料。具体步骤如下
(1) 首先，将毛竹锯切成一定长度的竹段10 (见图2)，即定段，选取直径、 锥度、壁厚基本一致而且较笔直竹材，按大小端直径差土15mm进行定段，锯切成随 机长度的竹段10 (见图2)。在定段中还要遵从两个原则， 一是锯口选择在不是竹 节15处；二是所述竹段10的两端11、 12的直径dl、 d2的差C为土10mm。
(2) 将竹段的外表面铣成一定大小的正六边形状化状(见图3a)，目的是使竹 材单元横截面按照蜂窝状并列排放规则组合在一起，因此竹材单元10a外表面铣切
成正六边形化时，在横截面上或多或少留有竹材原有的部分圆弧14，而非严格意义 的正六边形；实际加工中，可使得竹材单元10a的较大端成为正六边形，而较小端 成为非标准正六边形(见图3b)，也可使得竹段的两端都为非标准正六边形。
为了保证有足够大的侧平面13实施竹材单元之间的粘合，铣切正六边形时，正 六边形化的竹材单元横截面侧边的边长L2与同直径圆的内接的正六边形的边长Ll 的比值称为六边形化度(见图8)，本实施例的六边形化度选为70%，即L2:L1 = 70%。
(3) 将竹材单元一端101或双端101、 102铣削成指形榫(见图4a、图4b)， 可实现无限长度的指接组坯。
(4) 将正六边形化竹材单元的指榫结合面涂胶，通过指接方式可使竹材原态六 方重组材延长到所需要的任意长度。例如，看在纵向将长度不同几根竹材单元10a 指接成一定长度的单根长材。本实施例选取制成6000睡的单根长材16。
(5) 将涂胶后的竹材单元10a组坯，进行垂直加压，加热或冷态(常温)固化， 形成单根6000mm六方长材16;该粘接剂可以选用常规的各种品种，例如可采用UF
(脲醛树脂胶)、PF (酚醛树脂胶)、MDI (异氰酸酯胶)或本领域常用的其他胶粘 剂。粘接方法和条件也是常规的。
(6) 按要求对单根六方长材进行重组，实现所要求的竹材原态六方重组材。具 体做法是，将若干单根六方长材16的相邻侧面涂胶，以其横截面按蜂窝状并列排放， 进行横向的加压，加热或冷态固化，实现横向重组(见图5、 6)形成；所用的单根 竹材如果是两端大小不同的，如图3b所示，在横向重组时，可以将大小头11、 12 交错放置(见图5)。这样，可以使得由保留原有的部分圆弧在各竹节单元之间所形 成的间隙103尽可能减小。
9(7)对竹材原态多方重组材料边缘和表面进行锯切、砂光、涂漆等处理，并根 据需要锯切成一定规格的重组材料17。可根据需要进行二次重组，即将几个如图6所述的竹材原态六方重组材料17通 过侧面涂胶粘结在一起，组成横截面更大的竹材原态多方重组材料，也可以在图6 所示的重组材料17上面粘结更多的六方长材16，组成大横截面的重组材料(见图7)。本实施例中，在重组中是先用若干竹材单元通过指接构成长材，再将若干长材 横向重组。在重组中，也可纵向和横向同时重组，见实施例2。实施例2:参照图1 图9所示，选取胸径相当的竹材，将其按大小端直径差为固定值进 行定段，再经过面铣，把竹材外表面加工成规格一致的正六边形化的竹材单元，将 一端或双端铣指榫。以其横截面按蜂窝状并列排放，纵向榫接成任意长度加工成竹材原态多方重组材料。具体歩骤如下(1) 同实施例1之歩骤(1)。(2) 同实施例1之步骤(2)。(3) 同实施例1之步骤(3)。(4) 将正六边形化的竹材单元若干个胶接面及指榫结合面涂胶，以其横截面按 蜂窝状并列排放；同时，将竹材单元纵向榫接排布，纵向尽量将竹材单元指接缝交 错排放，可根据要求组成不同截面规格和不同长度的组坯。(5) 将涂胶后的组坯进行垂直和侧向同时加压，加热或冷态固化，形成竹材原 态六方重组材料。(6) 也可按要求对原态多方重组材进行二次重组，以获取更大规格的竹材原态 六方重组材料。(7) 对竹材原态多方重组材料边缘和表面进行砂光、涂漆等处理，并根据需要 锯切成一定规格的重组材料。实施例3:首先，选取直径相当的竹材进行锯切定段。本实施例中，直径相当的竹材包括 2种规格的两组竹材单元， 一种为直径较大的竹段，另一种为直径较小的竹段，按照 实施例l和2所述的定段原则定段。然后，将直降较大竹段铣削成正八边形化的竹材单元201，另一种为直径较小 的竹段铣削成正四边形化的竹材单元202,该四边形化的竹材单元202的横截面的边 长与正八边形化的竹材单元201的横截面的边长对应相等。将2种竹材单元分别铣出一端或两端的指形榫，如前实施例l之歩骤(4)所述方法进行纵向重组，之后或 同时按照如图9所示的方式进行横向重组。其他歩骤同实施例1和2。 这种重组，对竹子的利用率更高。相对于大径竹材而言，小径(直径芸40mm)竹材壁厚较大，可做到四边形化铣 切，作为正八边形化重组材的内部"填空"材料。此外，亦可采用木材作为内部"填 空"的"小方材"，构成"木材竹材原态多方重组复合材料"。对于小径竹材，还可将全部竹材铣削成正四边形化的形状进行重组。当进行正四边形化重组时，组坯所需的竹材单元的边长可相同亦可不同。当若 干种正四边形化竹材单元的边长不相等时，其边长之间最好成倍数关系。再有，也可以用正五边形或正七边形的竹材单元进行如上的重组。在进行五边 形竹材单元重组时，在重组后的竹材原态五方重组材横截面上，各竹材单元之间会留有孔洞。根据使用要求，可用填充物如木材单元或竹材单元对孔洞进行填充，也 可保留孔洞。竹材单元的横截面上的侧边数也不是任意的。如果边数太少，例如铣削成三角 形，就不可取，因为竹子的壁就可能被穿透性的破坏而削弱其天然结构的强度等性 能；如果边数太多，例如10个边或以上，也不可取，因为侧边太短，构成重组的粘 合面太小，重组结合强度将降低。因此，本发明的优化竹材单元正多边形化的边数为4 8。
权利要求
1.一种竹材原态多方重组材料，其特征在于由若干横截面的外轮廓为正多边形化的竹材单元组成，所述竹材单元的一端或两端设有榫接结构，在所述竹材单元外表面上的部分侧平面或全部侧平面上涂设粘结剂层，通过该粘结剂层使得若干该竹材单元侧面粘结固连在一起，形成横向边对边排列结构，实现任意横向延展；在所述竹材单元的榫接结合面上涂设粘结剂层，通过该粘结剂层使得若干该竹材单元榫接固联在一起，实现纵向任意延长。
2. 根据权利要求1所述的竹材原态多方重组材料，其特征在于所述正 多边形化的竹材单元的横截面的外轮廓侧边数是4 8。
3. 根据权利要求2所述的竹材原态多方重组材料，其特征在于所述竹 材单元的横截面的外轮廓侧边数为6，各个所述竹材单元横截面的外轮廓为 正六边形化；以其横截面按照蜂窝状并列排放，通过所述粘结剂层粘结形成 横截面任意扩延；所述正六边形化的竹材单元通过所述榫接结构和所述粘结 剂层纵向榫接粘结形成长度任意延长；或者，所述竹材单元包括一组若干正八边形化的竹材单元和一组若干正四边 形化的竹材单元，该正四边形化的竹材单元的横截面外轮廓的边长与所述正 八边形化的竹材单元的横截面外轮廓的边长对应相等或成倍数，使得所述正 四边形化竹材单元置于所述正八边形化竹材单元粘结后的四边形截面的孔 隙中；或者，所述竹材单元包括两组各若干正四边形化的竹材单元，各组竹材单元的 边长不同。
4. 根据权利要求l或2所述的竹材原态多方重组材料，其特征在于所 述竹材单元的一端或双端铣削成指形榫，以实现纵向指形榫接延长；和/或，所述竹材单元纵向榫接的接缝交错排放。
5. 根据权利要求1或2所述的竹材原态多方重组材料，其特征在于所 述若干竹材单元是横截面基本相同、侧边数目也相同的竹材单元；或者，所述若干竹材单元包括两组或两组以上的竹材单元，同组竹材单元的横 截面大小和边数相同，不同组的横截面大小和/或边数不同，同组竹材单元 通过榫接结构形成纵向延长结构，同组或不同组竹材单元通过外表侧平面横向粘接形成横向延展结构；或者，所述若干竹材单元是横截面基本相同、侧边数目也相同的竹材，另外， 还包括一组若干横截面与所述竹材单元的横截面不相同的木质单元，其横截 面与所述竹材单元相互重组之间形成的空隙相匹配，填充在所述空隙中。
6. 根据权利要求1或2所述的竹材原态多方重组材料，其特征在于所 述正多边形化的竹材单元横截面侧边的边长L2与同直径圆的内接正多边形 的边长Ll的比值称为多方化度，该多方化度L2/L1》40%。
7. —种竹材原态多方重组材料的制造方法，包括下述歩骤A. 选取直径相当的竹材进行锯切定段，将竹材锯切成竹段；定段原则 1)按大端直径减小端直径的差为一定值进行定段；2)锯口选择在非竹节位 置处；B. 将所述竹段的外侧表面铣切成正多边形化，形成竹材单元；C. 将所述竹材单元一端或双端铣削成指形榫，以备指接组坯；D. 将正多边形化的所述竹材单元的部分侧面或全部侧面即胶接面及指 榫结合面涂胶，以其横截面边对边并列排放；纵向将竹材单元指接排放，按 需求组成不同横截面和不同长度的组坯；E. 将涂胶后的所述组坯进行横向和纵向加压，加热或冷态固化，形成竹 材原态多方重组材料。
8. 根据权利要求7所述的竹材原态多方重组材料的制造方法，其特征在 于各个所述竹段分成至少一组，同组中的竹段平均胸径误差在土15mm之内。
9. 根据权利要求7所述的竹材原态多方重组材料的制造方法，其特征在 于所述竹段两端的直径差在土10隱之内。
10. 根据权利要求7所述的竹材原态多方重组材料的制造方法，其特征 在于还包括F步骤对重组材料长度、边缘和表面进行处理，加工成一定 规格的竹材原态多方重组材；所述对重组竹材长度、边缘和表面进行处理是 指对长度进行锯切，对边缘进行修整，对表面进行刨光、砂光或涂漆等加 工。
全文摘要
本发明提供一种竹材原态多方重组材料，其是将直径相当的竹段外表面加工成正多边形化的竹材单元，以其横截面按边对边并列排放、纵向指接延长粘结而成的竹材重组材料。其基本制造方法包括锯切定段、铣削成正多边形化、铣指榫、涂胶和组坯、加压加热或冷态固化等工序。竹材单元正多边形化的边数为4～8。本发明针对竹材具有中空、锥度、竹节等物理结构特性，将空心竹材单元横向边对边排列，纵向任意延长，重组材料保持了竹材天然结构，可制造强度高、长度大、跨度大的结构材料；其不但可替代木材，提高竹材利用率，节省林木资源，且在某些用途上可替代混凝土、钢材等结构材料，提高了结构材料的亲自然能力。
文档编号B27M3/00GK101323124SQ20071017900
公开日2008年12月17日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者傅万四, 周建波 申请人:国家林业局北京林业机械研究所