耐腐防水竹瓦的制造方法、连续化制造设备及方法与流程

本发明涉及竹瓦的制备装置及制备方法。

背景技术：

屋面瓦是主要的屋面材料，不仅起到遮风挡雨的作用，而且有着重要的装饰效果，随着现代新材料的不断涌现，屋面瓦根据原材料的种类分有黏土瓦、玻纤瓦、琉璃瓦、石棉瓦等。成品屋面瓦片主要存在制备成本高、易碎、材料降解周期长，回收利用难等问题。

圆竹作为一种传统的天然材料已经被广泛用于建造房屋、制造家具以及生活器具，具有材料来源广泛、易加工、质轻、色泽美观、韧性好、环保、隔热性好等特点。但圆竹作为屋面瓦直接利用，即使进行表面涂饰，但由于涂覆法结合牢度低，难以长时间维持疏水特性，仍然存在易腐朽霉变，尺寸变形大等风险，而且圆竹剖开后再进行横向弯曲定型困难，尺寸规格不一，给户外铺装和维护使用带来难题。油热处理是一种提高竹材尺寸稳定性、防水性和防腐防霉性能的有效手段，而大部分油热处理材料为了扩大产品应用领域和增加产品用途，需要进行后续的重组、集成来获得更加优良的力学性能，但油热处理材表面的油会影响材料的界面性能，进而降低材料的胶合性能，从而最终影响产品的物理、力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种耐腐防水竹瓦的制造方法，以该方法制备得到的竹瓦由于油对细胞壁微孔的填充可获得优良的力学性能，并且利用了油热处理竹材表面有油的优势，起到很好的防水效果，同时无需后期胶合重组和集成，工序较简单易行，竹瓦产品自身具有隔热防雨、美观整洁、耐久性好的特点。

本发明所述的耐腐防水竹瓦的制造方法，其步骤包括：

a、原材料加工：取新鲜毛竹圆竹，去除内外节，无需去青去黄，一分为二将圆竹沿纵向剖开，再横向截断为一定长度的半圆形竹材；

b、预热脱水和油热处理：将半圆形竹材浸渍在二甲基硅油中，二甲基硅油的温度从常温逐渐升高至175-195℃的最高温，并在最高温保持时间为20-40min；在半圆形竹材浸渍过程中，半圆形竹材相对的两侧支撑在一平面上，对半圆形竹材的外周中心部加压，使得半圆形竹材逐渐被压制成扁平的弧形；

c、弯曲定型：取出压制后的竹材，放入下模具和上模具之间，以下模具和上模具夹紧竹材，同时对竹材加热至与二甲基硅油最高温度相同的温度，将扁平的弧形竹材压制成竹瓦形状，保持2-3min；停止对竹材加热，使得竹材逐渐冷却，去掉下模具和上模具，得到耐腐防水竹瓦。

本发明同时提供了一种耐腐防水竹瓦的连续化制造设备，它能够实现竹瓦的连续化制备，提高生产效率和加工精度，制备的竹瓦不会发生开裂变形，并具有耐腐防水效果和较好力学性能。

本发明所述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备，包括底座、上压板、固定上模具、活动上模具、推杆，

底座上开有凹槽，凹槽内填充有二甲基硅油；底座内设置有电加热装置；凹槽的底面包括两段：一段是靠近凹槽入口一端的光滑的平移轨道平面，一段是靠近凹槽出口一端的凸底面；上压板与平移轨道平面上下相对，上压板下表面到平移轨道平面的距离，从凹槽入口到凹槽出口沿凹槽轴线方向逐渐减小；上压板上部通过多个压缩弹簧连接在第一上支架上；在凹槽入口设置用于推动浸渍在二甲基硅油中的竹材沿凹槽轴线向凹槽出口端移动的往复推杆；

在平行于凹槽轴线方向上排列的活动上模具和固定上模具与凸底面上下相对，活动上模具位于上压板与固定上模具之间；活动上模具可以相对于凸底面上下移动，固定上模具上部通过多个压缩弹簧连接在第二上支架上；活动上模具和固定上模具的下表面均是与竹瓦凸面相对应的上凹面，凸底面与竹瓦凹面相对应；

当半圆形竹材放入凹槽入口，推杆移动，推动竹材逐渐向凹槽出口移动的过程中，由于上压板与平移轨道平面之间的距离逐渐缩小，且二甲基硅油的温度在电加热装置的作用下从常温逐渐升高，半圆形竹材逐渐被压制成扁平的弧形；当弧形竹材落入活动上模具下方的凸底面上，活动上模具下移夹紧竹材，将扁平的弧形竹材压制成竹瓦；活动上模具上移后成型的竹瓦在推杆的作用下进入上下相对的固定上模具与凸底面之间，在固定上模具与凸底面之间移动的竹瓦随着二甲基硅油温度逐渐降低，竹瓦形状固定，得到耐腐防水竹瓦。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的进一步改进，第一上支架相对于底座的上下位置可以调节，通过调节第一上支架的上下位置，以改变上压板与平移轨道平面之间的距离。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的进一步改进，第二上支架相对于凸底面的上下位置可以调节，通过调节第二上支架的上下位置，以改变固定上模具与凸底面之间的距离。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的进一步改进，在底座内设置多个用于测定二甲基硅油温度的测温装置。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的进一步改进，在凹槽入口上方设置入口井，半圆形竹材经入口井放入凹槽入口。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的进一步改进，上压板下表面到平移轨道平面的距离，从凹槽入口到凹槽出口沿凹槽轴线方向先保持不变，然后逐渐减小。

本发明还提供了一种耐腐防水竹瓦的连续化制造方法，它可以提高生产效率和加工精度，制备的竹材不会发生开裂变形，并具有耐腐防水效果和较好力学性能。

本发明的耐腐防水竹瓦的连续化制造方法，取新鲜毛竹圆竹，去除内外节，无需去青去黄，一分为二将圆竹沿纵向剖开，再横向截断为一定长度的半圆形竹材，使用所述的连续化制造设备制造耐腐防水竹瓦；浸渍在二甲基硅油中的竹材从凹槽入口向凹槽出口逐渐移动，在移动到凸底面之前，二甲基硅油的温度从常温逐渐升高至175-195℃的最高温，并在最高温保持时间为20-40min；活动上模具下移将竹材夹紧在活动上模具和凸底面之间2-3min的过程中，被夹紧的竹材周边的二甲基硅油温度为175-195℃。

作为对上述的耐腐防水竹瓦的连续化制造方法的进一步改进，活动上模具下移并夹紧竹材的过程中，推杆沿凹槽轴向向后移动，将新的一定长度的半圆形竹材放入凹槽入口。

本发明的有益效果：

在耐腐防水竹瓦的制造方法中，二甲基硅油的温度从常温逐渐升高至175-195℃的过程为预热脱水步骤，二甲基硅油在最高温保温的过程为油热处理步骤。

预热脱水步骤主要负责承接新鲜的半圆竹段并对其进行预热脱水（使得竹材的含水率降至3%以下），同时对其进行初步的压缩变形。此步骤的竹材在逐步升温的油浴环境下进行预热并进行初步压缩使其发生变形，有利于竹材在高温环境中逐步蒸发内部的水分和变形，而不会因温升、失水、变形过快而发生开裂。

油热处理步骤，此阶段的油温控制在175-195℃，竹材内部三大素在此温度环境下会发生高温降解反应。由于浸入油浴中，相当于在隔绝氧气下竹材在高温作用下发生一系列的化学反应，相比水热、过热蒸汽等热处理要更加温和，力学强度损失较小；与此同时，竹材的竹黄部分主要是薄壁组织，包围在维管束周围，填充于维管束之间，在高温油热作用下很容易脱落；竹青部分主要是由酯及酯类衍生物组成，在高温油浴作用下也会溶解在油中，省去了传统竹材加工过程中去青去黄的步骤。

油热处理完成的竹材被放入上模具和下模具中弯曲定型。刚经油热处理的竹材的温度仍然处于较高的温度，由于竹材是黏弹性材料，在高温作用下，木素首先发生软化，大分子链发生剧烈运动，能够较大程度的移动，因此竹材会经历玻璃化转变过程，其机械性能迅速发生变化，此外高温二甲基硅油亦可以润胀纤维素，使其易于压缩弯曲。此时利用上模具和下模具夹紧竹材进行定型，一方面可以利用竹材高温软化作用对竹材进行弧度的定型，另一方面可以挤出竹材表层多余的油，使竹材内部的油均匀分布，同时也可压缩表层提高其表面密度和强度，此外，还可以防止竹瓦进行屋面铺装使用时，由于高温暴晒，油分子运动加强而溢出竹瓦外，玷污竹瓦，影响美观。

本发明采用的二甲基硅油热稳定性好，可以在200℃下长期使用，具有优良的物理特性，减少了常规过热蒸汽、水热等高温热处理过程中水解作用对竹材三大素的降解作用；二甲基硅油的黏温系数小，高温流动性好，此外，还具有很低的表面张力和较高的表面活性，极易在材料表面铺展成膜，易于对细胞壁微孔和细胞腔的填充，并有利于后续弯曲定型工段中油在竹材中的均匀铺展和竹材表面的成膜效果。另一方面，在高温作用下，竹材内部化学成分如纤维素、半纤维素发生降解，吸水性羟基数量减少，木质素高温热解，大分子链断裂，分子间位阻减小，玻璃化转变温度下降，更易于软化定型，为加工高质量的竹瓦提供有利条件。此方法利用高温对竹材化学结构的影响，在很大程度上降低了竹材的压缩难度，提高了其尺寸稳定性和耐腐性能，并利用二甲基硅油的自身稳定性好、表面张力小的特点，在竹材表面内部和表面形成均匀的分布和铺展，很大程度上提高了竹材表面的防水性能。

附图说明

图1是耐腐防水竹瓦的连续化制造设备的主视图；

图2是预热脱水段横截面示意图；

图3是竹材从预热脱水段落入弯曲定型段的示意图；

图4是竹材被活动下模具压紧的示意图；

图5是竹材在固定上模具与凸底面之间的示意图；

图6是上压板、活动上模具、固定上模具、侧板等的俯视图。

图中，主要包括底座100、第一上支架1、上压板2、第二上支架3、活动上模具4、固定上模具5、推杆6、侧板7、端板8、凹槽9、凹槽入口91、平移轨道平面92、凹槽出口93、凸底面94、入口井95、升降井96、电加热装置10、测温装置11、高度调节螺杆12、压缩弹簧13、竹材14、二甲基硅油15。

具体实施方式

参见图1所示的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备，主要包括底座100、第一上支架1、上压板2、第二上支架3、活动上模具4、固定上模具5、推杆6、侧板7、端板8、有电加热装置10、测温装置11等。

底座1上方设置的两块相对的侧板7、两块相对的端板8围成了凹槽9，凹槽内填充有二甲基硅油15。凹槽的底面包括两段：一段是靠近凹槽入口91一端的光滑的平移轨道平面92，一段是靠近凹槽出口93一端的凸底面94。在凹槽入口91上方设置入口井95，半圆形竹材14经入口井95放入凹槽入口。

上压板2、活动上模具4、固定上模具5沿平行于凹槽轴线的方向上排列。上压板2与平移轨道平面92上下相对，组成预热脱水段（二甲基硅油温度从常温逐渐升高到175℃的区段）和油热处理段（二甲基硅油温度175-195℃的区段）。活动上模具4和固定上模具5与凸底面94上下相对，组成了弯曲定型段（二甲基硅油温度从195℃逐渐降温）。底座内设置有带有控制装置的电加热装置10和测温装置11。但电加热装置10在底座内并不是均匀分布，主要根据二甲基硅油需要达到的温度来设定。图1中的标注在测温装置下方的温度值，就是该测温点的二甲基硅油需要达到的温度。

上压板2是一个先平直后逐步倾斜的压板，其靠近凹槽入口的平直段下表面与平移轨道平面的距离不变，其逐步倾斜的一端薄一端厚的楔形段下表面到平移轨道平面的距离沿竹材移动方向逐渐减小。上压板2上部通过多个压缩弹簧13连接在第一上支架1上。第一上支架1相对于底座的上下位置可以调节（属于现有技术，例如，第一上支架1通过高度调节螺杆12与底座100相连），通过调节第一上支架的上下位置，以改变上压板2与平移轨道平面92之间的距离。

在凹槽入口91设置用于推动浸渍在二甲基硅油中的竹材沿凹槽轴线向凹槽出口端移动的往复推杆6。

在第一上支架1、上压板2和第二上支架3、固定上模具5之间具有升降井96。活动上模具4可以相对于凸底面94在升降井96内上下移动，固定上模具5上部通过多个压缩弹簧13连接在第二上支架3上；固定上模具5上部通过多个压缩弹簧13连接在第二上支架3上。第二上支架3相对于底座的上下位置可以调节（属于现有技术，例如，第二上支架3通过高度调节螺杆12与底座100相连），通过调节第二上支架的上下位置，以改变固定上模具5与凸底面94之间的距离。活动上模具和固定上模具的下表面均是与竹瓦凸面相对应的上凹面，凸底面94是与竹瓦凹面相对应的上凸面。

使用该耐腐防水竹瓦的连续化制造设备制造耐腐防水竹瓦，包括以下步骤：

a、原材料加工：取新鲜毛竹圆竹，去除内外节，无需去青去黄，一分为二将圆竹沿纵向剖开，再横向截断为一定长度的半圆形竹材。

b、预热脱水和油热处理：将半圆形竹材从入口井放入凹槽入口，浸渍在二甲基硅油中，推杆移动，推动竹材逐渐向凹槽出口移动的过程中，在移动到凸底面之前，二甲基硅油的温度从常温逐渐升高至175-195℃的最高温，控制竹材的移动速度，使得竹材在最高温的二甲基硅油内通过的时间为20-40min；在竹材移动到凸底面之前的过程中，半圆形竹材相对的两侧支撑在平移轨道平面92上，由于上压板与平移轨道平面之间的距离逐渐缩小，压缩弹簧13和上压板2对半圆形竹材的外周中心部加压，且二甲基硅油的温度在电加热装置的作用下从常温逐渐升高，使得半圆形竹材逐渐被压制成扁平的弧形。

c、弯曲：当弧形竹材被推动而落入活动上模具下方的凸底面上，活动上模具下移夹紧竹材保持2-3min，同时活动上模具处的二甲基硅油也基本在175-195℃的最高温，扁平的弧形竹材在高温下被压制成竹瓦；

在活动上模具下移并夹紧竹材的过程中，推杆沿凹槽轴向向后移动，将新的一定长度的半圆形竹材从入口井放入凹槽入口。

d、定型:活动上模具夹紧竹材保持2-3min后，活动上模具上移，推杆继续向前推，成型的竹瓦进入上下相对的固定上模具与凸底面之间，在固定上模具与凸底面之间移动的竹瓦随着二甲基硅油温度逐渐降低，竹瓦形状固定，从凹槽中取出，得到耐腐防水竹瓦。

对于预热脱水段和油热处理段，凹槽9两侧的两块侧板7成楔形，两块侧板7之间的距离从凹槽入口到升降井沿凹槽轴线逐渐增大，以适应竹材逐渐压扁所造成的横向尺寸增大。两块侧板7之间的距离略大于竹材的横向尺寸。

弯曲定型段中，固定上模具与凸底面之间的空间基本被竹材塞满，可供硅油存在的空间较少，另外，硅油的存在有利于润滑、促进竹材移动。

1)预热脱水段、油热处理段上部的上压板是一体的，其底部是一体式的平滑的平移轨道平面，电加热装置安装在底座的内部（预热脱水段、油热处理段在电加热装置的布置密度上有区别）。平移轨道平面和上压板之间的空间充满硅油，竹材在平移轨道平面和上压板之间的空间做水平运动时，竹材上下表面均能与硅油充分接触并受热（电加热装置通过金属的底座把热量传递给硅油，进而传递加热竹材）。上压板与竹材接触的面呈先平直后具有一定坡度的设计，即沿着竹材移动方向，上压板与平移轨道平面之间的空间高度越低，满足逐渐加热、压扁半圆筒状竹材的目的。

2)在竹材向前运动时其会逐渐受力压扁，这时若没有压缩弹簧的缓冲力，很容易导致竹材卡在上压板和平移轨道平面之间（或固定上模具和凸底面之间）无法推动向前移动。连接在底座与第一上支架之间的高度调节螺杆的作用是根据每批次原材料的情况（半圆筒状竹材的尺寸），调节上压板与平移轨道平面之间的空隙高度，以保证压缩弹簧能够起到缓冲作用，使竹材即能逐渐受压又能顺畅向前移动。

3)预热脱水段、油热处理段底部的平移轨道平面与弯曲定型段的凸底面（下模具）是一体的，只是平滑轨道是平面，而弯曲定型段的凸底面是上凸式，凸底面的两侧在上下方向上较平移轨道平面低，这样可以使竹材顺利从平移轨道平面落入凸底面上，从而可以使活动上模具下压使竹材变形到需要的竹瓦外形。

在整个处理装置的下部底座布置有固定式的平滑或下模具轨道（预热段和油热处理段为平移轨道平面，定型段为凸底面，均为用于承托竹材移动的金属传输轨道）,油热处理段的平移轨道平面下部布置有较密集的电加热装置，由1套温控装置控制，预热段、定型段内部的温度分布主要受中间油热处理段的导热影响（其中预热段亦设置有辅助电加热装置，但布置的间隔较油热处理段大），竹材在预热段和定型段分别经历逐步升温和降温的过程，这样的设计即可以有效避免竹材因突冷突热而发生开裂变形的风险，同时可以有效降低因常规的周期式升温、降温工艺带来的不必要的能源消耗。

在预热段、油热处理段的上部布置固定式的上压板，上压板呈先平直后逐步倾斜，其与下部的平移轨道平面之间的间距先保持不变再逐渐缩小，这样安排的目的是在离入口较近的范围内，竹材逐渐升温至100℃左右开始软化，之后利用上压板倾斜面的设计使竹材在移动过程中逐渐向目标形状发生变形，避免过快变形使竹材内部有较大的内应力，不利于控制终产品质量。

在弯曲定型段起始位置布置一套活动上模具，在弯曲定型段剩余位置布置固定上模具，它们与上述弯曲定型段的下模具（凸底面）分别呈凹凸型，其曲率和尺寸相互配合，从而压制出所需的竹瓦外形：待竹材完成油热处理过程进入弯曲定型段的活动上模具的正下方后，活动上模具向下移动卡紧竹材并保持2-3min，使之形状达到目标要求，然后继续向前进入固定上模具和下模具（凸底面）组成的空间内，在温度逐渐降低的条件下使竹材的变形固定，有利于竹材在移动过程中，在有外界约束的条件下逐步释放其内部应力，保证最终产品的外形稳定性。此外，上压板和固定上模具远离竹材的背面安装有压缩弹簧，使其在竹材受压反作用力的范围内具有一定弹性，用于部分克服竹材对其施加的受压反作用力，从而使竹材能够在受压状态下在轨道上能够顺畅通过，压缩弹簧可对竹材施加外力的大小由高度调节螺杆微调实现。

首先取新鲜毛竹圆竹，去除内外节，无需去青去黄，一分为二将圆竹沿纵向剖开，再横向截断为一定长度的半圆竹段；然后将其放入一体化的耐腐防水竹瓦的连续化制造设备内进行处理，油热处理用油为二甲基硅油，油热处理使用的最高温度为175-195℃，最高温保持时间为20-40min。上述一体化装置分为三个不同功能区域：预热脱水段、油热处理段、弯曲定型段。

预热脱水段：主要负责承接新鲜的半圆竹段并对其进行预热脱水，同时对其进行初步的压缩变形。定期将新竹材推入处理装置内，已在装置内的竹材被后续进入的新竹材推动而缓慢向前移动，此段的油温在自带的电加热装置和下述油热处理段的传热影响共同作用下，呈现随竹材移动方向逐渐升高至目标热处理温度的分布特点，从而使进入的竹材在逐步升温的油浴环境下进行预热并进行初步压缩使其发生变形，有利于竹材在高温环境中逐步蒸发内部的水分和变形，而不会因温升、失水、变形过快而发生开裂变形。

油热处理段：待竹材的含水率降至3%以下，将其推进至油热处理段进行油浴热处理，此阶段的油温由带有温控装置的电加热装置控制在175-195℃，竹材内部三大素在此温度环境下会发生高温降解反应。由于浸入油浴中，相当于在隔绝氧气下竹材在高温作用发生一系列的化学反应，相比水热、过热蒸汽等热处理要更加温和，力学强度损失较小；与此同时，竹材的竹黄部分主要是薄壁组织，包围在维管束周围，填充于维管束之间，在高温油热作用下很容易脱落；竹青部分主要是由酯及酯类衍生物组成，在高温油浴作用下也会熔解在油中，省去传统竹材加工过程中去青去黄的步骤。

弯曲定型段：油热处理完成的竹材被推入弯曲定型段，此段的温度由于受到上述油热处理段的传热影响，呈现随竹材移动方向逐渐降低的分布特点。刚从油热处理段推出的竹材的温度仍然处于较高的温度，由于竹材是黏弹性材料，在高温作用下，木素首先发生软化，大分子链发生剧烈运动，能够较大程度的移动，因此竹材会经历玻璃化转变过程，其机械性能迅速发生变化，此外高温硅油亦可以润胀纤维素，使其易于压缩弯曲。此时启动活动上模具，向下移动卡紧竹材进行弯曲，一方面可以利用竹材高温软化作用对竹材进行弧度的定型，另一方面可以挤出竹材表层多余的油，使竹材内部的油均匀分布，同时也可压缩表层提高其表面密度和强度，此外，也可以防止竹瓦进行屋面铺装使用时，由于高温暴晒，油分子运动加强，溢出竹瓦外，玷污竹瓦，影响美观。

本专利考虑竹瓦的尺寸、弯曲弧度等参数，设计的适用于竹瓦生产的连续化制造设备，能够提高其生产效率和加工精度。由于油对细胞壁微孔的填充可获得优良的力学性能，并且利用了油热处理竹材表面有油的优势，起到很好的防水效果。制备的产品整体而言属于原竹利用范畴，无需后期胶合重组和集成，工序较简单易行，产品自身具有隔热防雨、美观整洁、耐久性好的特点。

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