技术领域：
本发明涉及一种规格竹条模量和密度的分级方法。
背景技术：
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随着我国竹产业的发展，竹篾胶合板、竹定向刨花板、重组竹及竹集成材等产品在市场上得到越来越多的应用。不同的产品类型，其基本构成单元各有差异。其中，竹集成材产品是以竹条为基本组成单元，经施胶、热压而成竹层板，再由竹层板经施胶、冷压而成。
竹条是由竹筒经刨切加工而成，在实际生产中未进行分类加工，因此导致加工出的产品性能差异较大。目前市场上加工的竹层板和竹集成材产品，对竹条均未进行严格的分级，因此制造出的产品不具有可控性和可设计性，制造出的产品仍需要进一步的分级，但由于不同性能的竹条均混在一起，因此产品性能的多样性亦受到限制。
在竹条的加工过程中，为提高产品的性能稳定性，需对其进行分级处理，即将性能相近的竹条归为一类，并利用它制备竹层板产品，这样就能保证产品性能的相对稳定性。为准确的对竹条进行分级处理，本研究以规格竹条为研究对象，提出了两种分级方法，即密度分级和模量分级。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种规格竹条模量和密度的分级方法,改进竹材加工方法，优化提高出材率，可将规格竹条详细的划分为多个模量和密度等级，以优化资源配置，实现规格竹条的合理利用。
本发明的方法包括如下步骤:
（1）竹秆截断，选用1～5 m的竹秆部分，根据竹筒的围径在适当位置进行截断，长度范围选择0.9～2.4 m，长度序列模数为0.3 m。利用圆锯机将竹秆进行据解，去除竹秆底部及梢部，保留竹秆1～5 m部分，再按照破条的原理与要求，得到不同长度和直径的竹筒。竹筒截断过程中，根据竹筒围径，适当调整截断位置，以优化设计，提高出材率。
（2）撞击破条，采用机械破条的方法将竹筒加工成毛条，竹筒破条的数量需根据竹筒围径的变化进行确定，毛条宽度以竹黄侧宽度计，宽度范围为18～22 mm，竹条厚度根据竹壁厚度确定，厚度范围为4～10mm。
采用机械撞击的破条方法将竹筒径向加工，破成的竹条为具有一定弧度和尖削度的毛条，其宽度范围为18-22 mm，以竹黄侧宽度计，长度为步骤（1）中竹秆截断长度。撞击破条时沿竹筒直径小的端头向直径大的端头方向进行，以保证最终竹条规格。根据竹筒围径的变化，确定撞击后获得的毛条数量。
（3）粗刨加工，去除毛条上竹节处的节隔及一定数量的竹青和竹黄，使其呈一个较为平整的平面，侧面即径切面不预加工。竹条厚度根竹筒壁厚有关，范围为4～10mm。
（4）竹条干燥，采用气干的干燥方式，将粗刨竹条放置于大气环境中干燥2～3个月，至含水率为11～13%。
（5）精刨加工，利用竹条四面刨将气干竹条加工至规定的宽度和厚度，并将此类竹条定义为规格竹条，其加工精度为宽度±0.2 mm，厚度±0.1 mm，长度±1 mm。
（6）竹条分选，将加工好的规格竹条进行分选，去除对竹条性能影响较大的缺陷竹条，缺陷竹条包括留青、留黄、劈裂、缺棱、虫害及侧弯。以免影响竹条的分级及产品的性能。
（7）竹条模量和密度分级，其中模量分级是以1 GPa的模量区间长度对规格竹条进行模量划分。
模量选用的是竹条长跨距弹性模量，其计算公式如下：
式中E为弯曲模量（MPa），p为载荷（N），l为跨距（mm），b为竹桁条宽度（mm），d为厚度（mm），为挠度（mm）。
长跨距弹性模量测试选用的跨厚比为100，方法是将规格竹条放置于夹具上，第一次加载5 N（即0.5 Kg），记录挠度，第二次再加载0.5 N，记录挠度，根据第二次加载前后的载荷及挠度变化情况求出长跨距弹性模量值。
密度分级是在气干密度条件下，以0.5 g/cm³的区间长度对规格竹条进行密度划分，由于规格竹条尺寸规整，且统计结果显示理论体积与实际体积相当，因此测试过程中用理论体积代替实际体积，其计算公式如下：
式中：ρ为气干密度（g/cm³），m为规格竹条质量（g），V为规格竹条理论体（cm³）。
根据模量和密度分级结果，将规格竹条分为低密度规格竹条、普通规格竹条和高性能规格竹条。
低密度规格竹条，此类竹条主要根据密度进行划分，其密度数值较低，力学性能相对较差，主要分布于为D50、D55和D60三个密度等级。
普通规格竹条，主要以模量为主要依据，选择E8～E11四个模量等级的规格竹条作为普通规格竹条，其中包含了D65～D80个密度等级。
高性能规格竹条，该类竹条主要以模量分级为依据，将E12、E13和E14三个模量等级的规格竹条确定为高性能规格竹条，其密度主要分布于D75～D85密度等级。
（8）标记和包装，根据分级结果，将规格竹条分组包装，注明密度和模量等级。
所述毛条加工过程中根据竹筒围径变化确定破条数量，破条宽度选择近竹黄侧20 mm，但根据产品需要，不局限于20 mm。
所述第（7）步骤中规格竹条模量分级以1 GPa的模量区间长度对规格竹条进行模量划分，选用长跨距弹性模量测试方法确定竹条模量范围，根据分级需要，模量分级不局限于以1 GPa的区间长度对规格竹条进行模量分级。
所述的第（7）步骤中规格竹条密度分级以0.5g/cm³的密度区间长度对规格竹条进行密度划分，以理论体积代替实际体积，根据分级需要，密度分级不局限于以0.5g/cm³的区间长度对规格竹条进行密度分级。
所述的根据规格竹条模量分级和密度分级结果，将规格竹条划分为低密度规格竹条、普通规格竹条和高性能规格竹条，但在实际应用中，不局限于这三类规格竹条，可根据实际需要，按照模量分级和密度分级结果进行更详细的种类划分。
所述的低密度规格竹条为D50、D55和D60三个密度等级,竹条重量为0.475～0.625 g/cm3 。
所述的普通规格竹条包含了D65～D80个密度等级。
所述的高性能规格竹条包含了D75～D85个密度等级,竹条重量为0.775～0.875 g/cm3 。
上述方法实现了本发明的目的。
本发明改进了竹材加工方法，优化提高出材率，可将规格竹条详细的划分为多个模量和密度等级，以优化资源配置，实现了规格竹条的合理利用。本发明从原材料本身保证了性能的相对稳定，为后续竹层板产品的制备奠定了基础，有利于制备出性能稳定可控且可设计的竹层板产品。据测算：本发明较传统方法竹出出率提高15～18%。且大幅度提高了竹制品的质量和使用范围。
附图说明：
图为本发明的规格竹条模量测试原理示意图。
具体实施方式
如图所示，本发明的方法包括如下步骤:
（1）竹秆截断，将采集的4年生毛竹在圆锯机上进行截断，去除竹秆距地面1 m以下的底部和距地面5 m以上的梢部，再根据毛竹竹筒围径的变化，在适当的位置进行截断，得到不同长度序列的竹筒，其长度序列模量为0.3 m，长度范围为0.9～2.4 m。
（2）撞机破条，由于竹筒在长度方向上围径和壁厚差异较大，机械撞击破条通常以围径较小的端头计算破条数量，但由于竹筒存在较大的尖削度，因此以最小端头进行撞机破条成一种长度的毛条会降低竹材利用率，因此根据竹筒围径的变化在适当的位置进行截断，及时调整竹筒破条数量，提高竹材的利用率，获得更多数量的规格竹条。以加工20 mm宽竹条为例，其竹筒围径与破条数量的关系如下表所示。
表1 竹筒围径与破条数量的关系
实际生产工程中可根据竹筒围径与壁厚的关系确定破条数量，进而控制竹条的宽度。
（3）粗刨加工，竹筒破条后打通了竹节处竹隔，但部分竹隔仍存在于毛条上，经过竹条粗刨机的粗刨切加工，一方面去除残存的竹隔，另一方面去掉部分竹青和竹黄。该工序对毛条径切面不予加工。
（4）竹条干燥，由于采伐竹材加工成毛条后含水率仍较高，为使最终加工出的竹条在长时间内保证尺寸稳定，需将其在精刨加工前进行干燥处理，为防止干燥过快导致竹条产生翘曲等缺陷，通常采用孜然干燥的方式，干燥时间为2～3个月，干燥至含水率为12%左右为止。
（5）精刨加工，将气干状态下的粗刨竹条经竹条四面刨进行精刨加工处理，得到截面尺寸稳定的竹条，并对规格竹条进行定义：尺寸稳定，满足指定加工精度，无端部缺损、裂纹及腐朽等缺陷的精刨竹条即为规格竹条。规格竹条长度方向加工精度为±1mm，宽度方向加工精度为±0.2 mm，厚度方向加工精度为±0.1 mm。
（6）竹条分选，由于受遗传、生长环境及加工方法等因素影响，规格竹条会存在诸多不利于使用的缺陷，为保证产品的性能稳定，需对规格竹条进行分选，去除缺陷竹条，竹条分选的原则如下表。
表2 规格竹条分选原则
（7）竹条模量和密度分级，规格竹条模量和密度分布范围较广，由于受遗传特性及生长环境因素影响，规格竹条模量和密度分布范围较大，模量分布于6～14 GPa，密度分布于0.45～0.9 g/cm3，两个参数对其性能影响很大，在对材料的设计和使用过程中至关重要。由于密度与模量之间非明显的线性相关，相同密度下模量分布较大，相同模量下密度分布也较大，因此需对其进行模量和密度分级，以保证产品性能的稳定性和多样性。
模量是产品设计中的首要因素，因此需先对模量进行分级，再在其基础上进行密度分级。模量分级采用长跨距三点弯曲的方法，其计算公式如下：
式中：E—抗弯弹性模量，MPa；P—上、下限载荷之差，为5 N；L—两支座间跨距，为600 mm；—上、下限载荷间试样变形值，mm；b—试样宽度，mm；d—试样高度，mm。
如图所示，模量以规格竹条长跨距三点弯曲模量计，原理是将试件竹条1的下部两端置在支撑辊3上，用加荷辊2对两支撑辊之间中点上的试件竹条上端加压。原理是根据规格竹条弹性工作范围内载荷与变形的关系确定模量数值。
模量分级以EX表示，X为模量数值，模量单位为GPa，各等级模量变化范围为X±0.5 GPa；密度分级以DY表示，Y为密度数值乘以100，密度单位为g/cm3，各等级密度变化范围为Y±0.025 g/cm3。
通过模量和密度分级，将规格竹条分为三类，低密度规格竹条、普通规格竹条和高性能规格竹条。
低密度规格竹条，此类竹条主要根据密度进行划分，将D50（0.475-0.525 g/cm3）、D55（0.525-0.575 g/cm3）和D60（0.575-0.625 g/cm3）三个等级的规格竹条确定为低密度规格竹条。此类竹条密度数值较低，其力学性能相对较差。
普通规格竹条，此类竹条主要根据模量并结合密度分级进行划分。将E8、E9、E10和E11四个模量等级竹条确定为普通竹条，此类竹条每个模量等级下的竹条对应多个密度等级竹条，主要集中于D65～D80密度等级。
高性能规格竹条，此类竹条主要以模量分级为依据进行划分，主要包括E12、E13和E14三个模量等级的，此类竹条表现为模量高且密度大，是典型的高模高密的竹条，其密度等级分布范围主要集中于D75～D85。
根据测试结果，按照1 GPa的模量区间长度对规格竹条进行模量分级，以EX对其模量等级进行命名，X为模量区间中值，单位为GPa，各模量等级变化范围为X±0.5 GPa，模量分级结果见下表。
表3 规格竹条模量分级结果
对模量分级的规格竹条按照气干密度进行分级，由于规格竹条尺寸规整，且统计结果显示理论体积与实际体积相当，因此测试过程中可用其理论体积代替实际体积。以长度为2.1 m，宽度为20 mm和厚度为8 mm的规格竹条为例，其理论体积为336 cm3,气干密度计算公式如下：
式中：ρ—气干密度，g/cm3；m—气干状态下质量，g；V—气干状态下体积，取值336 cm3。
根据气干密度测试结果，以0.5 g/cm3的密度区间长度进行密度分级，密度等级以DY表示，Ｙ为密度区间中值乘以100，单位为g/cm3，各密度等级变化范围为Y±0.025 g/cm3。密度分级结果见下表。
表4 规格竹条密度分级结果
为合理对规格竹条进行利用，根据不同的用途将规格竹条分为三大类，分别为低密度规格竹条，普通规格竹条和高性能规格竹条。
（8）低密度规格竹条，该类竹条以密度分级作为依据，包括D50、D55和D60三个密度等级规格竹条。由于密度相对较低，其模量和强度整体相对偏低，可作为竹集成材家具的原始材料，可保证产品的重量较轻，且能够满足其强度要求。
（9）普通规格竹条，该类竹条在加工的规格竹条中数量分布最多，主要以模量和密度分级作为依据，选择E8～E11四个模量等级的规格竹条作为普通规格竹条。该类竹条密度适中，模量适中，可作为普通结构竹集成材的原料及其他用途。由于竹材的特殊性，各模量等级下对应多个密度等级，其对应关系见下表。
表5 普通竹条模量与密度等级对应关系
普通规格竹条可根据模量和密度设计制造不同模量和密度的竹层板产品，制造出设计要求的竹材产品。
（10）高性能规格竹条，该类竹条主要以模量分级和密度分级结果为依据，将模量等级较高的E12、E13和E14定义为高性能规格竹条。该类竹条主要表现为模量值较高，各模量等级与密度等级的对应关系如表6。该类竹条适合于高性能要求的产品，如风轮叶片。
表6 高性能竹条模量与密度等级对应关系
（11）标记和包装，模量和密度分级将规格竹条进行了详细的划分，分类完成后需对分级规格竹条进行包装和标记，注明类型（低密度规格竹条、普通规格竹条和高性能规格竹条）、模量等级、密度等级、含水率及时间等。
总之，本发明改进了竹材加工方法，优化提高出材率，可将规格竹条详细的划分为多个模量和密度等级，以优化资源配置，实现了规格竹条的合理利用。可推广使用。