CN109591139B - 一种激光改性圆竹各向异性的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，属于圆竹改性领域。一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，是通过激光照射圆竹，圆竹吸收激光能量转化成热能，圆竹内木质素在热量作用下与纤维素、半纤维素等发生三维空间交联作用，圆竹内物质分布发生变化，各向异性降低。本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，不仅可以有效改善圆竹的各向异性，使圆竹抗劈裂性能提高，同时，圆竹造型时，对造型后的圆竹弯曲受力部位进行激光处理，可以减少圆竹造型时的内部应力，提高圆竹造型的稳定性。对圆竹进行热改性，可极大扩展圆竹的应用领域。

Description

一种激光改性圆竹各向异性的加工方法

技术领域

本发明属于圆竹改性领域，具体地说，涉及一种激光改性圆竹各向异性的加工方法。

背景技术

随着木材的短缺，竹子作为一种天然环保可再生的生物质材料，越来越受到人们的关注。竹子具有生长速度快、生态功能强等优点，其经济、生态和社会效益突出。由于圆竹的中空结构、具有尖削度，圆竹结构不均匀，外层为质地坚硬的竹青，内层为组织疏松的竹黄，竹青与竹黄之间为竹肉，导致圆竹异质结构，不同部位、不同方向收缩性的差异，产生各向异性，且其各向异性明显高于木材，使得其在使用过程中更易产生开裂，不仅影响美观，还会使圆竹性能下降。

同时圆竹的上述各向异性，导致现有技术中一般将竹材切段后，预处理后制成相应的竹片，再经过处理制备相关工艺产品，极大的限制了圆竹的使用，且圆竹利用率低，浪费非常严重。现有技术中圆竹利用率达到60％已属不易。

再次针对圆竹防开裂的技术，目前主要是通过浸注、表面封蜡等表面改性工艺。比如中国专利公布号：CN106493814A，公布日：2017-03-15的专利文件公开了一种竹材的防腐防开裂的处理方法：1)选材：选取生长期为5年以上的圆竹，整体挺拔且无残缺；2)切段：根据加工需要所需要的长度将圆竹切段，备用；3)预处理：将步骤2)中竹段放入60-80℃的热水容器中进行静置，时间为10-20min，然后将容器中的水进行加热至沸腾状态并加入明矾粉、酒精和盐，并保持8-10小时；4)碳化：将经过步骤3)处理过的竹段放入碳化炉中，进行一次碳化，温度控制在120-140℃，时间在2-3小时；待一次碳化后的竹段完全冷却后，进行二次碳化，二次碳化先将竹段在110-125℃的高温下进行碳化，时间为2-2.5小时，然后升温至130-135℃，时间为1-1.5小时；5)防腐处理：取出步骤4)处理后的竹段冷却后晾干，然后将竹段浸泡在桐油中10-15分钟，取出后常温晾干，重复浸泡晾干后备用。上述工艺不仅加工周期长，受限于处理药剂功效、耐久性及工艺的影响，处理后圆竹也未能从根本上解决开裂问题。

现有圆竹工艺，往往通过竹干剖成弧形竹片，剥去竹片竹青和竹节，或者直接打碎成竹丝粉，并进行热处理，来克服圆竹内部应力，提高圆竹造型的稳定性。现有上述技术对圆竹内应力的处理，往往破坏很大，后期还涉及胶黏剂的胶合，且制备成本相当高，也不符合如今的环保生产的需求。或者直接通过化学工艺来解决上述内应力的问题，比如中国专利公布号：CN107379167A，公布号：2017-11-24的专利文件公开了一种防止竹制品开裂的处理方法，将新砍伐的圆竹经过简单的表面处理后放置于零下10-零下8℃的冷冻室中冷冻10-12小时，将冷冻处理后的圆竹在200-230℃水蒸气中加热至60-70℃，紧接着使用60-70℃的热风干燥，干燥至圆竹含水量为30-40％，然后放入30-40℃中的干燥箱中缓慢烘干至含水量为10-15％；将干燥后的圆竹放入浸渍剂中，浸渍温度为30-45℃，浸渍时间为1.5-2.0小时，浸渍剂按照重量份计由以下成分制成：酚醛树脂40-50份、醋酸乙烯30-40份、聚乙二醇25-30份、丙烯酸20-28份、尿素14-18份、过硫酸铵1-2份、碳酸氢钠0.5-0.7份、水80-90份；将使用浸渍剂处理后的圆竹取出，自然晾干后，使用砂纸打磨表面1-2分钟，在使用底漆喷涂2遍，所用底漆按照质量百分比计含有以下成分：聚醋酸乙烯-顺丁烯二酸二丁酯共聚外用乳液占40-45％、氧化铝-氧化硅复合溶胶占10-15％、钛白粉占5-7％、硫酸钡占3-5％、羧甲基纤维素钠占0.5-0.8％、聚甲基丙烯酸钠占0.1-0.2％、六偏磷酸钠占0.2-0.4％、乳化剂OP-10占0.2-0.3％、松油醇占0.1-0.3％、剩余为水。上述化学工艺加工周期长，处理药剂功效、耐久性影响很大，也不环保，处理后圆竹也未能从根本上解决内应力而导致的开裂问题。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中无法从根本上解决圆竹容易开裂的问题，本发明提供一种激光改性圆竹各向异性的加工方法。通过激光照射圆竹，圆竹吸收激光能量转化成热能，圆竹内木质素在热量作用下与纤维素、半纤维素等发生三维空间交联作用，圆竹内物质分布发生变化，各向异性降低，且减少圆竹造型时的内部应力，从圆竹内部结构根本上解决了圆竹容易开裂的问题，提高圆竹造型的稳定性。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，通过激光照射圆竹，具体包括以下步骤：

步骤一：确定圆竹密度、竹龄；

步骤二：确定激光装置的加工位置和范围、预加工厚度；

步骤三：根据步骤一圆竹的密度、竹龄，同时根据激光装置的整机功率，确定激光装置的激光参数，所述激光参数包括激光功率；

步骤四：根据步骤二确定的加工位置和范围、预加工厚度，结合步骤三确定的激光功率，确定激光装置的加工速度，所述激光装置的加工速度包括激光照射时的给进速度；

步骤五：将待加工圆竹固定在激光装置的工作台面上，启动激光装置，对圆竹待加工部位进行激光照射；

步骤六：取出步骤五中激光处理后的圆竹，放置至室温。

优选地，步骤三中，竹龄对激光参数的影响具体体现在以密度0.7～0.8g·cm^-3、5～7年生为竹材为分类标准，若圆竹密度低于0.7g·cm^-3或竹龄低于5年时，激光装置采用低于8W的功率；若竹龄高于7年或密度高于0.8g·cm^-3或圆竹壁厚高于13mm时，激光装置采用低于高于8W的功率。

优选地，所述激光装置的激光照射光斑采用矩形均强光斑。

优选地，所述激光装置的激光沿圆竹的横纹方向移动，以使木质素产生更多横向交联。

优选地，步骤五中所述激光装置的激光束与圆竹待加工部位表面垂直。

优选地，步骤二中，所述激光装置的加工范围不低于圆竹表面总面积的5％。

优选地，所述激光装置的预加工厚度为圆竹竹壁厚度的3％～40％。

优选地，步骤四中，所述激光装置的输出能量应保证待加工部位圆竹的有效吸收热量范围在0.1J/mm³～40J/mm³之间。

优选地，当圆竹两侧承受不同的载荷作用，所述的圆竹两侧均进行激光照射改性处理。

优选地，当圆竹在整个圆周方向承受均匀载荷，所述的激光装置采用螺旋轨迹对所述的圆竹进行激光照射改性处理。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，采用激光照射圆竹的方式，使得圆竹吸收激光能量转化成热能，圆竹内木质素在热量作用下与纤维素、半纤维素等发生三维空间交联作用，圆竹内物质分布发生变化，各向异性降低，显著提高圆竹的抗劈裂性能；

(2)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，圆竹进行激光处理前，对圆竹的各参数进行处理前研究，准确确定待处理圆竹的位置和质量，再结合激光装置的参数，确定激光装置的激光输出参数，保证了既能降低圆竹的各向异性，也降低了激光处理中无效的能量损耗，提高激光处理的准确性、高效性；

(3)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，为了得到较大面积的均匀处理，其中激光装置的激光照射光斑采用矩形均强光斑，保证激光光强照射在圆竹上时分布的均匀性；

(4)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，激光装置的激光沿圆竹的横纹方向移动，以使木质素产生更多横向交联，提高圆竹的抗劈性能；且步骤五中激光装置的激光束与圆竹待加工部位表面垂直，以高效利用激光的能量，避免能量的损失；

(5)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，激光装置的加工范围不低于圆竹表面总面积的5％，激光装置的预加工厚度为圆竹竹壁厚度的3％～40％，激光装置的输出能量保证待加工部位圆竹的有效吸收热量范围在0.1J/mm³～40J/mm³之间，一方面，保证了待处理部位的圆竹能够吸收足够的能量实现内部木质素与纤维素、半纤维素的三维空间交联作用，另一方面，也保证了圆竹不会吸收过多热量对竹材造成损伤；

(6)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，圆竹两侧承受不同的载荷作用时，使用激光装置对圆竹两侧均进行激光照射改性处理，可以减少圆竹的内部应力，提高圆竹造型的稳定性，极大的扩展了圆竹的应用领域；

(7)本发明的一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，当圆竹在整个圆周方向承受均匀载荷时，激光装置采用螺旋轨迹对圆竹进行激光照射改性处理，激光装置的螺旋轨迹在圆竹圆周方向上形成近封闭曲线，使得激光处理圆竹的面更全、更高效。

附图说明

图1为实施例1中实验1的加工示意图；

图2为实施例2中实验1的加工示意图；

图3为实施例2中实验1的加工范围示意图；

图4为实施例2中实验2的加工示意图；

图5为实施例2中实验3的毛竹加工示意图；

图6为实施例2中实验3圆竹表面展开后的激光路径示意图。

图中：1、螺旋激光轨迹；2、激光照射位置；3、红竹弯曲半径R；4、激光照射范围；5、第一加强区；6、第二加强区。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，通过激光照射圆竹，具体包括以下步骤：

步骤一：确定圆竹密度、竹龄；

步骤二：根据圆竹使用状态，逐步确定激光装置的加工位置和范围、预期加工厚度，为保证激光照射改性效果及圆竹性能的稳定，激光装置的加工范围不低于圆竹表面总面积的5％，激光装置的预加工厚度为圆竹竹壁厚度的3％～40％，一方面，保证了待处理部位的圆竹能够吸收足够的能量实现内部木质素与纤维素、半纤维素的三维空间交联作用，另一方面，也保证了圆竹不会吸收过多热量对竹材造成损伤；加工范围和预加工厚度的具体数值由圆竹的使用场合和方式决定；

步骤三：根据步骤一圆竹的密度、竹龄，同时根据激光装置的整机功率，确定激光装置的激光输出参数，激光参数包括激光功率，需要说明的是，激光装置的输出能量应保证待加工部位圆竹的有效吸收热量范围在0.1J/mm³～40J/mm³之间，一方面，保证了待处理部位的圆竹能够吸收足够的能量实现内部木质素与纤维素、半纤维素的三维空间交联作用，另一方面，也保证了圆竹不会吸收过多热量对竹材造成损伤；需要说明的是，待加工部位圆竹的有效吸收热量与竹龄、密度相关；

步骤四：根据步骤二确定的加工位置和范围、预加工厚度，结合步骤三确定的激光功率，确定激光装置的加工速度，具体包括激光照射时的激光给进速度；

步骤五：将待加工圆竹固定在激光装置的工作台面上；启动激光装置，对圆竹待加工部位进行激光照射，在照射的过程中，激光装置的激光照射轨迹沿圆竹的横纹方向移动，以使木质素产生更多横向交联，为有效、高效利用激光能量，避免能量的损失，激光装置的激光束需要与圆竹待加工部位表面垂直；所用的激光装置的激光照射光斑可以选用矩形、方形或圆形匀强光斑，为了得到较大面积的均匀处理，采用矩形均强光斑；

步骤六：取出步骤五中激光处理后的圆竹，放置至室温，并养生一昼夜以上。

本实施例的一种激光改进圆竹各向异性的加工方法，采用激光照射圆竹的方式，使得圆竹吸收激光能量转化成热能，圆竹内木质素在热量作用下与纤维素、半纤维素等发生三维空间交联作用，圆竹内物质分布发生变化，各向异性降低，显著提高圆竹的抗劈裂性能。

下面通过实验对实施例1激光照射圆竹的处理效果进行说明：

实验1：如图1所示，加工对象为建筑中作为室内承重柱使用的5年生毛竹，密度为0.78g·cm^-3，长3m，外径100mm，壁厚10mm。作为承重柱，主要承受轴向载荷，在圆竹整个圆周方向均承载，确定采用双螺旋激光轨迹1进行圆竹表面激光照射，螺纹升角45°。5年生毛竹、密度0.78g/cm³，采用中等强度激光处理，激光功率8W。毛竹壁厚10mm，作为室内承重柱，采用中等预加工厚度，即壁厚的20％，2mm。

加工宽度(激光轨迹宽度)6mm，螺纹升角45°的双螺旋，在圆竹表面的总加工长度为√2×3m×2条＝8.48m，其加工面积占圆竹表面积的比例为加工宽度×加工长度/(Π×圆竹直径×圆竹高度)＝6mm×8.48m/(3.14×100mm×3m)＝5.40％。

预加工厚度2mm，加工厚度适中，激光功率8W，采用中等激光速度进给，进给速度6mm/s。

使用情况对比：未进行激光处理的竹筒，其使用3个月后出现宽度为2～4mm裂隙数条，上述采用激光处理的竹筒，其使用3个月后，未出现开裂现象。

实验2：加工对象为在家具中作为桌腿使用的3年生红竹，密度为0.64g·cm^-3，长70cm，外径30mm，壁厚3mm。作为承重部件，主要承受轴向载荷，在圆竹整个圆周方向均匀承载，采用单螺旋激光轨迹1进行表面激光照射，螺纹升角30°。3年生红竹、密度0.64g/cm3，采用强度较低的激光处理，激光功率5W。红竹壁厚3mm，作为室内使用的主要承重部件，采用较大的预加工厚度，即壁厚的30％，0.9mm。

加工宽度(激光轨迹宽度)3mm，则螺纹升角30°的单螺旋，在圆竹表面的总加工长度为2.236×70cm＝156.52cm，其加工面积占圆竹表面积的比例为加工宽度×加工长度/(Π×圆竹直径×圆竹高度)＝3mm×156.52cm/(3.14×30mm×70cm)＝7.12％。

预加工厚度0.9mm，加工厚度较小，激光功率5W，采用较快速度进给，进给速度10mm/s。

使用情况对比：未进行激光处理的圆竹，经夏秋两季后，出现宽度为3mm的贯通裂隙，上述采用激光处理的竹筒，未出现开裂现象。

实验3：加工对象为作为手杖使用的3年生筇竹，密度为0.82g·cm^-3，高130cm，外径25mm，壁厚3mm。手杖使用过程中，底部作为主要着力点，同时可能受雨水侵蚀。受力时，可认为在整个圆周方向均匀承载，采用三螺旋激光轨迹1进行表面激光照射，螺纹升角30°。3年生筇竹、密度0.82g·cm^-3，虽木质化程度较低但密度较大，且会在室外使用，采用强度较高的激光处理，激光功率10W。筇竹壁厚3mm，基于可能遭受水分侵蚀及室内外环境交替变化考虑，采用较大的预加工厚度，即壁厚的40％，1.2mm。加工高度为底端部向上30cm。

加工宽度(轨迹宽度)2mm，则螺纹升角30°的三螺旋，在圆竹表面的总加工长度为2.236×30cm×3条＝201.24cm，其加工面积占圆竹表面积的比例为加工宽度×加工长度/(Π×圆竹直径×圆竹高度)＝3mm×201.24cm/(3.14×30mm×30cm)＝21.36％。

预加工厚度1.2mm，加工厚度较小，激光功率10W，采用较快速度进给，进给速度10mm/s。

使用情况对比：未进行激光处理的筇竹手杖，其使用3个月后底部出现长度20cm的裂隙，至竹节处停止。采用上述激光处理后的筇竹手杖，其使用3个月后，未出现开裂现象。

实施例2

一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，通过激光照射圆竹，具体包括以下步骤：

步骤一：确定圆竹密度、竹龄；

步骤二：根据圆竹使用状态，逐步确定激光装置的加工位置和范围、预期加工厚度，为保证激光照射改性效果及圆竹性能的稳定，激光装置的加工范围不低于圆竹表面总面积的5％，激光装置的预加工厚度为圆竹竹壁厚度的3％～40％，一方面，保证了待处理部位的圆竹能够吸收足够的能量实现内部木质素与纤维素、半纤维素的三维空间交联作用，另一方面，也保证了圆竹不会吸收过多热量对竹材造成损伤；加工范围和预加工厚度的具体数值由圆竹的使用场合和方式决定；

步骤三：根据步骤一圆竹的密度、竹龄，同时根据激光装置的整机功率，确定激光装置的激光输出参数，激光参数包括激光功率，需要说明的是，激光装置的输出能量应保证待加工部位圆竹的有效吸收热量范围在0.1J/mm³～40J/mm³之间，一方面，保证了待处理部位的圆竹能够吸收足够的能量实现内部木质素与纤维素、半纤维素的三维空间交联作用，另一方面，也保证了圆竹不会吸收过多热量对竹材造成损伤；需要说明的是，待加工部位圆竹的有效吸收热量与竹龄、密度相关；

步骤四：根据步骤二确定的加工位置和范围、预加工厚度，结合步骤三确定的激光功率，确定激光装置的加工速度，具体包括激光照射时的激光给进速度；

步骤五：将待加工圆竹固定在激光装置的工作台面上；启动激光装置，对圆竹待加工部位进行激光照射，本实施例圆竹两侧承受不同的载荷作用，圆竹两侧均进行激光照射改性处理，在照射的过程中，激光装置的激光照射轨迹沿圆竹的横纹方向移动，以使木质素产生更多横向交联，为有效、高效利用激光能量，避免能量的损失，激光装置的激光束需要与圆竹待加工部位表面垂直；所用的激光装置的激光照射光斑可以选用矩形、方形或圆形匀强光斑，为了得到较大面积的均匀处理，采用矩形均强光斑；

步骤六：取出步骤五中激光处理后的圆竹，放置至室温，并养生一昼夜以上。

下面通过实验对实施例2激光照射两侧受力不同的圆竹的处理效果进行说明：

实验1：如图2所示，一种竹椅家具中用作弯曲造型的3年生红竹，密度为0.66g·cm^-3，圆竹外径40mm，壁厚5mm，红竹弯曲半径R3为200mm。

根据其使用场合，其弯曲部位两侧承受不同应力作用，弯曲受拉面及受压面均进行表面激光照射，激光照射位置2如图2所示，激光照射范围4如图3所示，单侧面积均为3081mm²，激光照射时沿竹子横纹方向移动。3年生红竹，密度0.66g·cm^-3，采用强度较低的激光处理，激光功率5W。

红竹壁厚5mm，作为室内非结构部位使用，采用较低预加工厚度，即壁厚的15％，0.75mm。采用较大的速度进行处理，进给速度10.5mm/s。

使用情况对比：未进行激光处理的弯曲圆竹，其使用过程中的出现回弹现象，本实验处理后的弯曲红竹，未出现此现象。

实验2：如图4所示，一种庭院装修用圆竹拱门，3年生紫竹，直径5cm，密度为0.72g·cm^-3，壁厚5mm，弯曲半径R为750mm。

根据其使用方式，圆竹整体均处于弯曲状态，对圆竹整体采用双螺旋激光轨迹1进行激光照射，加工宽度3mm，螺纹升角45°，得加工面积为：加工长度×宽度×螺旋数目＝1.414×(2×3.14×750)mm×3mm×2条＝39959.64mm²。同时，在第一加强区6(左、右两侧各20cm范围)、第二加强区5(顶、底部各30cm范围)进行局部加强，其加工面积约为3.14×5cm×(20cm×2+30cm×2)＝1570cm²。其占圆竹拱门面积的比例约为(39959.64mm²+1570cm²)/(3.14×5cm×2×3.14×750mm)＝26.64％。激光照射部位如图4所示。3年生紫竹，密度0.72g·cm^-3选用中等强度激光，激光功率8W。

壁厚5mm，因用于室外，采用较高预加工厚度，即壁厚35％，1.05mm。紫竹的密度较高，采用较慢的进给速度，进给速度4mm/s。

使用情况对比：使用3个月后，进行激光处理的紫竹拱门，其使用过程中出现1～3mm宽度不等的裂隙数条；本实验处理后的弯曲红竹紫竹拱门，未出现此现象。

实验3：一种建筑穹顶，采用7年生毛竹，毛竹直径10cm，0.83g·cm^-3，壁厚10mm，弯曲半径R为2000mm，弯曲部分弧度为90°，如图5所示。圆竹表面展开后激光路径示意图如图6所示，根据其使用方式，毛竹弯曲部分为结构件，上部受拉应力，底部受压应力。为同时保证其弯曲造型结构的稳定性及强度，对毛竹弯曲部分以交叉网格激光照射，每道宽度3mm，与圆周方向呈45°夹角，间距10cm，如图6，得加工面积为：1.414×弯曲圆竹长度×条数×加工宽度＝1.414×(3.14×2000/2mm)×6×3mm＝79919.28mm²，占弯曲部分的面积比为79919.28mm2/(3.14×10cm×3.14×2000mm/2)＝8.10％。

7年生毛竹，密度0.83g·cm^-3选用中等较高强度激光，激光功率12W。

壁厚10mm，用于室内结构用途，采用中等预加工厚度占竹壁厚25％，2.5mm。厚度较大，采用较慢的进给速度，进给速度4mm/s。

使用情况对比：未进行激光处理的弯曲圆竹，其使用过程中的承载极限为45％，本实验进行激光处理的弯曲圆竹承载极限的70％。

Claims (3)

1.一种激光改性圆竹各向异性的加工方法，其特征在于：通过激光照射圆竹，具体包括以下步骤：

步骤一：确定圆竹密度、竹龄；

步骤二：确定激光装置的加工位置和范围、预加工厚度；

步骤三：根据步骤一圆竹的密度、竹龄，同时根据激光装置的整机功率，确定激光装置的激光参数，所述激光参数包括激光功率；若圆竹密度低于0.7g·cm^-3或竹龄低于5年时，激光装置采用低于8W的功率；若竹龄高于7年或密度高于0.8g·cm^-3或圆竹壁厚高于13mm时，激光装置采用低于高于8W的功率；

步骤四：根据步骤二确定的加工位置和范围、预加工厚度，结合步骤三确定的激光功率，确定激光装置的加工速度；所述激光装置的输出能量应保证待加工部位圆竹的有效吸收热量范围在0.1J/mm³～40J/mm³之间；所述激光装置的预加工厚度为圆竹竹壁厚度的3％～40％；

步骤五：将待加工圆竹固定在激光装置的工作台面上，启动激光装置，对圆竹待加工部位进行激光照射；所述激光装置的激光照射光斑采用矩形均强光斑；所述激光装置的激光沿圆竹的横纹方向移动；所述激光装置的激光束与圆竹待加工部位表面垂直；当圆竹在整个圆周方向承受均匀载荷，所述的激光装置采用螺旋轨迹对所述的圆竹进行激光照射改性处理；

步骤六：取出步骤五中激光处理后的圆竹，放置至室温。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤二中，所述激光装置的加工范围不低于圆竹表面总面积的5％。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：当圆竹两侧承受不同的载荷作用，所述的圆竹两侧均进行激光照射改性处理。

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