一种空心原竹等径竹筒柱体的制备方法与流程

本发明涉及一种空心原竹等径竹筒柱体的制备方法，属于竹材加工领域。
背景技术：
：竹子的生长速度较快，一般3～5年即可成材，是目前最好的木材替代品，我国长江以南地区的竹材资源丰富，种植面积最广的为毛竹，此外也有直径较大的竹材如巨龙竹、龙竹、云南麻竹、小叶龙竹登，这些竹材的竹秆粗大通直，高30米，直径20～30厘米，节间长17～22厘米，天然适宜制造结构材料，故我国具有成为竹材加工基地的潜力，使用竹材代替天然实木，可有效缓解我国森林资源不足的现状。此外，竹材的圆筒结构符合材料力学中的等强度设计原理，可作为结构材料使用。但是，竹材的横截面大小不一，且并非标准的圆形，尤其是旋切竹单板工艺要求竹材的椭圆度尽可能小，未经整形的竹材难以实现规模化生产。此外，天然竹材在使用过程中易发生开裂，限制了其使用范围；且易招虫蛀、吸水易腐朽。天然竹材的含水率不均匀且普遍偏低，塑性差，加工困难。相较于木材，竹材的纤维素含量较高，半纤维素和木质素含较低，半纤维素与木质素在80～100℃之间即可具有较好的加工性，而纤维素则需要更高温度。故将竹筒高温软化后做一定的加工，可用于制造竹家具、竹建筑、竹工艺品、护栏及竹制户外景观，对提升竹材利用率、拓展竹材利用领域具有重要意义。技术实现要素：本发明提出一种空心原竹等径竹筒柱体的制备方法，其目的在于通过计算的裁切方式，竹筒的形状和大小进行整饬，随后，在温度为140℃-180℃，优选145℃-165℃的高压蒸汽软化罐中软化5-10min，对竹筒加湿加热，软化竹材中的半纤维素、木质素和纤维素的同时，炭化半纤维素。随后，使用耐水性胶黏剂、等径柱体模具，配合可控弧状压辊，将竹筒的切口完全紧密闭合，再进行干燥、调温调湿至重量恒定后，最后旋切。这种通过计算裁剪、软化和整形处理后得到的等径竹筒柱体，一则弥补了天然竹筒易开裂，提高其防蛀防腐的性能，二则弥补了竹材横截面大小不一、非标准圆形的缺陷，可适于规模化应用。本发明的技术方案，一种空心原竹等径竹筒柱体的制备方法，包括如下工艺步骤：s1：选材；s2：竹筒制备；s3：竹节和竹隔去除；s4：计算裁切；s5：竹筒软化；s6：规则圆台竹筒柱体整形及干燥：将所述软化后的竹筒使用模具压合整形为规则圆台竹筒柱体，随后干燥；s7：等径竹筒柱体制备：旋切所述规则圆台竹筒柱体，制备得等径竹筒柱体；所述步骤s1选取无霉腐缺陷的新鲜竹材；所述步骤s2的竹筒制备，将竹材根据使用长度需要锯切为竹筒；所述步骤的s3竹节与竹隔去除，将竹筒外节、内节及竹隔分别在去外节机、去内节机上去除，使竹筒外节处无凸出，内部中空。所述步骤s4的计算裁切，具体的裁切要求为，假设目标等径原竹体内径为r(r小于等于竹筒小头内径)，原始竹筒的小头壁厚为h1，大头壁厚为h2，沿竹筒纵向切除一部分，使得切除后的小头和大头内圆弧长为2πr，小头外圆弧长为2π(r+h1)，大头外圆弧长为2π(r+h2)。沿竹筒纵向切除一部分后会形成具有左切面和右切面的切口，该切口纵向贯穿竹筒。优选地，所述左切面向外凸出，所述右切面向内凹陷，且左切面与右切面可相互对合；凸出高度与凹陷的深度t取值相同，为竹壁厚度h的1/4至1/2。所述步骤s5竹筒软化，将切除后具有开口的毛竹筒放入高压蒸汽软化罐中，依据不同的竹壁厚度控制软化温度在140℃-180℃，软化时间5-10min。优选地，软化温度为145℃-165℃。所述步骤s6的规则圆台竹筒柱体整形，将软化好的竹筒在开口处沿纵向壁厚施加胶黏剂后，立即将等径柱体模具套入竹筒的中空部，使软化竹筒小头内壁与等径柱体模具内轴完全贴合，小头外壁与多级可控压辊紧密贴合；所述多级可控压辊为弧状压辊，沿竹筒的切线方向由竹筒小头开始逐级对竹筒施压，直至竹筒小头和大头的开口完全紧密闭合所述步骤s6规则圆台竹筒柱体干燥，将分段固定的闭合竹筒置于自然环境下养生24h；之后，带夹具置于100±3℃的干燥箱干燥至含水率12％；之后，带夹具置于环境温度20℃，环境湿度为95％的调温调湿箱中进行水分和应力平衡，至重量恒定后取出，得到规则圆台竹筒柱体。所述步骤s7等径竹筒柱体制备，所述旋切的具体方式为：以规则圆台小头外圆直径为基准，小头圆心为中心，将规则圆台置于旋切机，旋切至等径竹筒柱体。本发明的有益效果是，经过锯切、去节等前处理的天然竹材，按照本发明的裁切方式裁切后，再沿切向压合后可得到轴向内径处处相等、外径因厚度尚存差异的规则圆台竹筒柱体，后经旋切即可得到等径竹筒柱体，方法简单，易于规模化生产，且等径竹筒可用于旋切竹单板，大幅提高旋切法制备竹单板装饰材料的竹筒利用率。考虑到不同粗细的竹材其壁厚也有所不同，上述先压合再旋切的方式，相较于直接将竹筒压合成等径竹筒的方式，降低了压辊工艺的实施复杂度，也避免了在压缩竹材时，径向压缩对竹材强度的影响，在选材时也可以扩大所选竹材的半径分布范围。对于半径差异较大的竹材，相应的壁厚的差异也不可忽略不计。裁切后，虽能保证内径一致，但是外径不同使其整体呈圆台状，若沿径向方向对竹材进行压缩，压合过程更复杂，竹筒的比重也会发生变化，但停止压缩后，竹材径向尺寸有恢复的趋势。但由于压力使得竹材内部的细胞发生了变形，排列也有一定变化，部分内含物如淀粉、树胶等在压缩过程中会被排出，故总体呈现出塑性形变的特点：形状虽有部分回弹，但总体不可逆。可见，其中的规律比较复杂，难以预测，不适于进行标准的规模化生产。而按照竹材本身的特点，沿切向进行压合得到规则的圆台，随后再以规则圆台小头外圆直径为基准，小头圆心为中心，统一进行旋切，得到等径竹筒柱体的方法效率高，适用范围广，利于规模化生产。进一步地优化，向外凸出的左切面与向内凹陷的右切面可相互对合，有助于使整形阶段的竹筒切面贴合更紧密，成品竹筒柱体的结构更牢固。其中，切口的凸出高度与凹陷的深度t取值相同，为竹壁厚度h的1/4至1/2。若t取值过大，右切面的竹壁过薄，压辊过程中容易破裂；若t取值过小，左切面与右切面的对合深度不足，对紧密贴合切面和牢固竹筒的作用不明显。裁切好的竹筒在140℃-180℃，优选145℃-165℃的高压蒸汽软化罐中软化5-10min，利用软化罐中的高温高湿环境，既可将半纤维素、木质素和纤维素软化，同时半纤维素发生水解和热解反应，短时间即被炭化，同时高湿的环境可防止竹筒在加热过程中损失大量水分。在本发明的软化时间和温度下，既可达到软化的目的，又保护了竹材纤维不被破坏，经处理后的竹材仍能保持良好的强度。经高压蒸汽处理后的竹材，一则克服了天然竹筒易开裂的缺点，二则软化与炭化的竹筒无裂缝且具有防蛀防腐性能。随后，经多级可控弧形压辊对竹筒逐级施加沿切线方向的压力，是适应竹筒裁切形状的压合方式，在紧密压合的同时可最大限度地降低对竹筒的二次损害。最后经过整形、干燥和旋切，得到半径相同、在误差范围内为圆形的等径竹筒柱体，在制造竹家具、竹建筑、竹工艺品、护栏及竹制户外景观上等方面应用前景广泛，对提升竹材利用率、拓展竹材利用领域具有重要意义。附图说明下面结合附图对本发明作进一步说明。图1为锯切后尚未进一步加工的竹筒柱体；图2为压合后的规则圆台竹筒柱体；图3为旋切后最终得到的等径竹筒柱体；图4为实施例1裁切后的竹筒切口示意图；图5为实施例2中裁切后的竹筒切口示意图；图6为加工完成后的等径竹筒柱体的横截面示意图。具体实施方式实施例1：(1)选取无霉腐缺陷的新鲜毛竹，直径在100～160mm之间，根据使用长度需要锯切为竹筒；随后，将竹筒外节、内节及竹隔分别在去外节机、去内节机上去除，使竹筒外节处无凸出，内部中空，锯切后竹筒的小头壁厚为h1，大头壁厚为h2。(2)对竹筒进行裁切。沿竹筒纵向切除一部分，根据弧长公式或计算需切除得圆弧对应得圆心角的大小，其中，切除圆弧对应的圆心角大小，内径圆略大于外径圆，使得切除后的竹筒小头和大头内环圆弧长均等于2πr，小头外圆弧长为2π(r+h1)，大头外圆弧为2π(r+h2)。切除后形成左切面和右切面，如附图4所示，该左切面向外凸出，该右切面向内凹陷，所述左切面与右切面可相互对合；凸出高度与凹陷的深度t取值相同，为竹壁厚度h的1/4至1/2。(3)将切除后具有开口的竹筒放入高压蒸汽软化罐中，控制软化温度为155℃，软化时间8min。(4)将软化好的竹筒在开口处沿纵向壁厚施加耐水性胶黏剂后，立即套入等径柱体模具，使软化竹筒小头内壁与等径柱体模具内轴完全贴合，小头外壁与多级可控压辊紧密贴合；之后，模具外部可控弧状压辊由竹筒小头开始逐级对竹筒施压，直至竹筒小头和大头的开口完全紧密闭合。(5)将分段固定的闭合竹筒置于自然环境下养生24h；之后，带夹具置于100±3℃的干燥箱干燥至含水率12％；之后，带夹具置于环境温度20℃，环境湿度为95％的调温调湿箱中进行水分和应力平衡，至重量恒定后取出。(6)以规则圆台竹筒柱体的小头外圆直径为基准，小头圆心为中心，将规则圆台置于旋切机，旋切至等径竹筒柱体。其中，步骤(2)的裁切中所述的“沿竹筒纵向切除一部分”，除了上述根据计算出的圆心角定位，随后进行切割的方式之外，还可以在已知生产目标：等径原竹柱体内径r的条件下，计算目标等径原竹柱体的内圆周长c1、外圆周长c2，再分别使用裁切前竹筒大头和小头的内圆周长c3减去c1、外圆周长c4减去c2，得到需要裁切掉的竹材弧长长度，测量定点后，进行切割，使得切除后的竹筒小头和大头内环圆弧长均等于2πr，小头外圆弧长为2π(r+h1)，大头外圆弧为2π(r+h2)。实施例2：(1)选取无霉腐缺陷的新鲜毛竹，直径在100～160mm之间，根据使用长度需要锯切为竹筒；随后，将竹筒外节、内节及竹隔分别在去外节机、去内节机上去除，使竹筒外节处无凸出，内部中空，锯切后竹筒的小头壁厚为h1，大头壁厚为h2。(2)对竹筒进行裁切。沿竹筒纵向切除一部分，根据弧长公式或计算需切除得圆弧对应得圆心角的大小，其中，切除圆弧对应的圆心角大小，内径圆略大于外径圆，使得切除后的竹筒小头和大头内环圆弧长均等于2πr，其中r＝40mm，小头和大头外环圆弧长均等于2π(r+h)。切除后形成左切面和右切面，如附图5所示。(3)将切除后具有开口的竹筒放入高压蒸汽软化罐中，控制软化温度为155℃，软化时间8min。(4)将软化好的竹筒在开口处沿纵向壁厚施加耐水性胶黏剂后，立即套入等径柱体模具，使软化竹筒小头内壁与等径柱体模具内轴完全贴合，小头外壁与多级可控压辊紧密贴合；之后，模具外部可控弧状压辊由竹筒小头开始逐级对竹筒施压，直至竹筒小头和大头的开口完全紧密闭合。(5)将分段固定的闭合竹筒置于自然环境下养生24h；之后，带夹具置于100±3℃的干燥箱干燥至含水率12％；之后，带夹具置于环境温度20℃，环境湿度为95％的调温调湿箱中进行水分和应力平衡，至重量恒定后取出。(6)以规则圆台竹筒柱体的小头外圆直径为基准，小头圆心为中心，将规则圆台置于旋切机，旋切至等径竹筒柱体。其中，步骤(2)的裁切中所述的“沿竹筒纵向切除一部分”，具体切割方式同实施例1。实施例3：(1)选取无霉腐缺陷的新鲜毛竹，直径在100～160mm之间，根据使用长度需要锯切为竹筒；随后，将竹筒外节、内节及竹隔分别在去外节机、去内节机上去除，使竹筒外节处无凸出，内部中空，锯切后竹筒的小头壁厚为h1，大头壁厚为h2。(2)对竹筒进行裁切。沿竹筒纵向切除一部分，根据弧长公式或计算需切除得圆弧对应得圆心角的大小，其中，切除圆弧对应的圆心角大小，内径圆略大于外径圆，使得切除后的竹筒小头和大头内环圆弧长均等于2πr，小头外圆弧长为2π(r+h1)，大头外圆弧为2π(r+h2)。切除后形成左切面和右切面，如附图4所示，该左切面向外凸出，该右切面向内凹陷，所述左切面与右切面可相互对合；凸出高度与凹陷的深度t取值相同，为竹壁厚度h的1/4至1/2。(3)将切除后具有开口的竹筒放入高压蒸汽软化罐中，控制软化温度为140℃，软化时间8min。(4)将软化好的竹筒在开口处沿纵向壁厚施加耐水性胶黏剂后，立即套入等径柱体模具，使软化竹筒小头内壁与等径柱体模具内轴完全贴合，小头外壁与多级可控压辊紧密贴合；之后，模具外部可控弧状压辊由竹筒小头开始逐级对竹筒施压，直至竹筒小头和大头的开口完全紧密闭合。(5)将分段固定的闭合竹筒置于自然环境下养生24h；之后，带夹具置于100±3℃的干燥箱干燥至含水率12％；之后，带夹具置于环境温度20℃，环境湿度为95％的调温调湿箱中进行水分和应力平衡，至重量恒定后取出。(6)以规则圆台竹筒柱体的小头外圆直径为基准，小头圆心为中心，将规则圆台置于旋切机，旋切至等径竹筒柱体。其中，步骤(2)的裁切中所述的“沿竹筒纵向切除一部分”，具体切割方式同实施例1。对比例1：(1)选取无霉腐缺陷的新鲜毛竹，直径在100～160mm之间，根据使用长度需要锯切为竹筒；随后，将竹筒外节、内节及竹隔分别在去外节机、去内节机上去除，使竹筒外节处无凸出，内部中空，锯切后竹筒的小头壁厚为h1，大头壁厚为h2。(2)将上述经前处理的竹筒放入高压蒸汽软化罐中，控制软化温度为155℃，软化时间8min。(3)将软化后的竹筒置于自然环境下养生24h；之后，带夹具置于100±3℃的干燥箱干燥至含水率12％；之后，带夹具置于环境温度20℃，环境湿度为95％的调温调湿箱中进行水分和应力平衡，至重量恒定后取出，得到经高压蒸汽软化后的竹筒。按照《gb/t15780–1995竹材物理力学性质试验方法》对实施例1、实施例2、对比例1的竹筒进行弹性模量、抗拉强度和抗压强度的测试。结果如下：试验竹材弹性模量/gpa抗拉强度/mpa抗压强度/mpa实施例112.13123.6557.10实施例212.2498.7743.15实施例311.03113.4848.60对比例112.17183.5066.42由上述实施例1～3与对比例1的比较可知，使用本发明的方案可制得半径相同、在误差范围内为圆形的等径竹筒柱体。同时，经本发明的处理，得到的切割整形后的竹筒，具有二次损害小、切面贴合紧密的优点，成品的竹筒柱体的结构也更牢固。与经过除了切割整形工艺之外的相同处理的竹筒相比，竹筒的弹性模量、抗拉抗压强度有所下降，但是整体在可控范围内，且均符合制造竹家具、竹建筑、竹工艺品、护栏及竹制户外景观上等的要求。除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。当前第1页1 2 3 

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