摘  要：竹纤维作为一种新型天然纤维，是当前竹材加工、新材料、纺织领域研究的热点之一，竹纤维的新产品受到社会的广泛关注，但目前竹纤维制备技术还不能满足工业化的使用要求。中国是世界上竹类资源最丰富的国家，采用竹子为原料，寻求高效的生产工艺技术装备，实现高附加值的竹纤维产品的生产，乃当前迫切需要攻克的生产技术难题。该文在介绍竹纤维应用研究背景的基础上，阐述了目前竹纤维机械制备方法和原理，分析了加工技术中存在的问题，并提出了相应的解决对策。探讨了竹纤维研究和竹纤维加工技术的发展前景。

 

关键词：竹子，天然纤维，解纤机理，竹纤维加工设备 中图分类号：S785 文献标识码：A            文章编号：1002-6819(2008)-10-0308-05

张  蔚，姚文斌，李文彬. 竹纤维加工技术的研究进展[J]. 农业工程学报，2008，24(10)：308－312.

Zhang Wei, Yao Wenbin, Li Wenbin. Research and development of technology for processing bamboo fiber[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(10)：308－312.(in Chinese with English abstract)

0   引  言

天然竹纤维是以竹子原料经机械、物理方法提取而成。在加工过程中，不破坏竹材的纤维束结构，只去除纤维束外的植物组织。竹子单纤维长度较小，一般在2 mm左右[1]，多用于造纸制浆。通常，竹纤维以纤维束形式应用，其纵向由多根单纤维粘结组成，形状与大麻、黄麻、亚麻等相近。

近 20 年来，竹材的工业化利用得到了快速发展，竹业已成为中国林业发展的一个新的经济增长点[2,3]，特别是天然竹纤维的开发和应用是近年来相关企业关注的焦点，也是科技研究的热点问题。随着全球性气候的恶化，木材资源的减少，迫切需要寻求替代木纤维及化纤等资源的新材料，竹纤维原料来源于天然可再生资源，产品使用后可生物降解，符合环保要求，竹纤维被认为是替代这些纤维的理想材料[4-9]。

1  竹纤维的研究背景

竹纤维的应用领域比较广，近年来国内外相关研究逐年增加，尤其在非织造材料、复合材料中的应用研究日益广泛，可纺竹纤维是目前研究的热点和难点[4-6]。

与其它植物相比，竹子对二氧化碳的吸收能力强，具有减缓“温室效应”的作用；竹纤维替代化纤和塑料等人造材料，不仅可节约有限的石油资源，而且可再生循环利用。2003 年以来，国内一些院校与日本多家公司合作开发出车用天然竹纤维非织造材料和复合材料，试生产的产品有：轿车的门内板（如图 1）、行李厢、顶棚、座椅背板，以及卡/客车的车厢内衬板、门板、顶棚、座椅背板等。2004 年还开发出天然竹纤维隔热/音和阻尼材料，在 2005 年日本爱知博览会上受到极大关注。将来，用天然竹纤维的热塑性或热固性模压件（如车门板等）可望成为轿车的标准配置，作为一种新的加工技术——天然竹纤维 聚丙烯注射模压技术将成为今后的发展趋势[7]。

用竹纤维作增强相的复合材料的研究报道相对较 多[10-12]，日本同志社大学 Tokoro[13]利用天然竹纤维开发可降解的新型塑料，探讨了其机械性能。叶颖薇等[14]对以竹纤维增强水泥复合材料的研究发现竹纤维的添加可以使复合材料具有有机材料和无机材料的复合性质，李亚滨等[15]通过在 PCL 树脂中添加适量的竹纤维提高了复合材料的拉伸强度和拉伸模量。用竹纤维作增强相的复合材料是目前材料领域研究的热点问题之一。

天然竹纤维横截面的高度“中空”的结构决定了其具有优良的吸水和导湿性[16]，竹纤维中含有天然的抗菌、除臭等成分，特别适合用于纺织用品的开发。日本研究人员的实验证实了竹沥有广泛的抗微生物功能，竹纤维日用品 24 h 抗菌率可以达到 71%，竹纤维中的叶绿素和叶绿素铜钠都具有较好的除臭作用,竹纤维中所含的叶绿素铜钠是安全、优良的紫外线吸收剂，抗紫外线功能比棉强 20 倍。竹纤维还含有竹蜜和果胶成分，该成分对皮肤健康有益[17-20]。2000 年中国四川阆中棉纺织厂[21]率先开展了天然竹纤维的纺纱实验。自此以后，国内外多家企业及大学和研究机构开展竹纤维可纺性研究，2004 年，浙江林学院试纺出 4 支纱线[4]。目前，一些高校和科研院所仍在积极开展竹纤维的可纺性研究。另外，竹纤维可以用来生产无纺布、地毯等产品。

目前的竹纤维制备方法生产的竹纤维较粗且硬，均匀度、细度等指标不仅达不到纺织用纤维的要求，甚至还不能满足制备车用复合材料、无纺布的要求，其加工技术较落后，所生产的纤维质量不稳定，离工业化还有一定的距离。近年来，大批科技工作者关注竹纤维的研究进展，通过专业期刊介绍研究成果，但目前研究天然竹纤维的资料仍然相对较少，研究主要集中在：竹纤维结构、力学及理化性能、应用及复合材料的制备及性能等几方面；关于竹纤维的制备技术研究较少，并且研究主要集中在后处理—精细化处理；根据目前竹纤维加工工艺，机械开纤是其关键的工序，对后续竹纤维精细化处理的质量起着决定性作用。

本文在阐述目前竹纤维应用研究开发背景的基础上，着重评述近几年来竹纤维的机械加工技术及其存在的问题，提出今后竹纤维研究的思路，展望了竹纤维的加工技术的发展前景。

2  竹纤维的制备及进展

对竹纤维的研究，日本起步较早。1988 年，日本 Toyo Press 有限公司开发了一种有效地将竹子分裂成纤维的系统，生产的竹纤维可以代替玻璃纤维用于纤维增强整形材料[22]。中国的研究相对较晚，但近年来，已取得了较大的进展，在竹纤维的制备方法上也有许多发明专利,并走在世界前列。

2.1  碾压开纤加工技术

该技术一般将竹材分片，然后蒸煮软化，使纤维牢固结合一体的木素胞间层部分分离，通过锤击或碾压来削弱纤维之间的结合强度。竹片在受到机械冲击摩擦的外力作用下，最终导致纤维分解。 1994 年，日本三信整热工业株式会社（ Sanshin Thermal Insulation Company and Ask Corporation）开发了一种竹纤维提取系统[23]，包括3道工序：①用碾压机沿竹子生长方向碾压；②用具有一专门机构的锤磨型研磨机使从第1道工序所得的辗碎竹子纤维化；③从第2道工序制得的纤维中分离出其中的竹肉薄皮部分。

2004年，浙江林学院和四川厂家联合开发了成套的碾压开纤设备，该工艺包括机械碾压、揉搓开纤细化等关键设备，批量生产出了竹纤维。 此技术生产效率高，但对纤维的强力损伤大，纤维的纤细度及均匀度难以保证。

2.2  机械梳解制纤技术

该技术[6]采用机械设备将经过碾压的扁竹材直接梳解成竹纤维。但由于加工过程中，采用机械作用破坏了纤维的强力，使所获得的竹纤维粗、短、柔韧性差。一般只能用于生产竹纤维板等低附加值产品。目前用此法加工的竹纤维，处理后，长度在 3～15cm 之间，细度大致为 0.05～0.15 mm，平均断裂强度≤1.5 cN/dtex。

由于此方法工艺过程简单，加工效率较高，有一定的实用价值。技术改进应着重根据竹子的特点，依据加工的竹纤维长细比的统计规律，确定机械梳解的主要技术参数，研制专用设备实现竹纤维加工长细比的有效控制。

2.3  闪爆脱胶制纤技术

闪爆法脱胶是根据国内外造纸制浆新工艺[24]、蒸汽法脱胶以及剑麻纤维处理新技术[25]提出来的。1980 年Delong [26]发明了 Iotech 专利，使用 3.8～5.2 MPa 饱和水蒸汽爆破经化学预处理的木片。Stake[27]推出了连续爆破技术，于 1.48～1.76 MPa 下每 4 min 喷放一次。其它还有Suopuler、  Kokta 等提出的爆破工艺。国内对爆破制浆的研究从 20 世纪 80 年代中期开始起步，并发表了研究论文[28,29]，对作为纺织用的大麻纤维，采用闪爆技术进行处理的研究国内外已有报道[25]，但用于竹纤维却少有报道。

由于竹子组分中木质素含量较高，通常脱胶方法一般难以去除，为此，利用高温高压状态下液态水和水蒸汽作用于竹子原料，并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。2003 年日本同志社大学藤井透教授利用该方法制备出了竹纤维，并将其应用于复合材料开发中。

此法纤维得率高，不需要化学药品，无污染，制得的纤维均匀性较好，但纤维处理工艺复杂，设备成本高，所得到的纤维颜色较深，一般呈褐色。目前未见闪爆脱胶技术的规模化应用。

2.4  化学机械加工技术

该技术基本采用造纸制浆工艺原理，首先用化学药品对竹材进行预处理，使竹材中的胶质、木质素、半纤维素等受到破坏而溶解，从而削弱与纤维之间的结合力，再经机械外力作用而形成纤维。Deshpand[31]介绍了一种可以提取竹纤维的化学机械联合加工工艺系统，该系统结合传统的压模工艺和碾模工艺，提取的竹纤维可以用于复合材料的加工。

此法纤维得率低，耗费化学品，制得的纤维还有一定酸碱性，纤维处理工艺复杂，成本高。但对竹龄长的竹子较为适用，应解决的主要技术问题是不同竹种、竹龄的竹子的预处理工艺。但目前未见系统的研究报道。

上述方法生产的竹纤维可作为增强相制成多种复合材料，产品正在进一步的开发中，用上述方法加工的纤维目前不能用于纺织。

2.5  裂解开纤加工技术

2005 年，浙江林学院姚文斌、张蔚等在初步揭示竹子热—机械耦合开纤机理的基础上提出了竹纤维裂解开纤的制备技术[6]。

该方法首先将竹材分片成形，然后放在特制的高压蒸煮容器内蒸煮软化，再采用机械外载将竹片夹裂松解产生脱层和微裂纹并使脱层和裂纹沿平行于纤维方向扩展以引发竹材开纤，然后在另一外载荷的协同作用下，促使竹材宏观裂纹不断扩展，实现其界面脱粘分层，从而获得竹子粗纤维，如图 2 所示。竹子粗纤维，再经过后续的软化、梳理等一系列工序，可获得细纤维，如图 3所示。

该方法的显著特点是对纤维强力损伤小，利用该方法生产的竹纤维形态均匀，纤维柔软。用此法加工的竹纤维呈麻状（见图2），长度在25～80 cm之间。经精细化处理后，.细度可达到0.04～0.06 mm，平均断裂强度达到5.5 cN/dtex。如何实现规模化生产要求是该技术下一步要研究和解决的关键问题。

在粗竹纤维制备的基础上，近年来，竹纤维制备的研究集中在纤维的后处理上。即：如何处理粗竹纤维，进一步提高其细度、均匀度、柔软度从而获得精纤维。天津工业大学王春红[32,33]、绍兴文理学院楼利琴[34]、苏州大学许伟[35]等在浙江林学院制备的竹子粗纤维基础上各自进行了化学脱胶、生物酶脱胶等工艺的研究，在细度、柔软性方面取得了一定的进展。东华大学在原有研究的基础上，对竹子纤维的脱胶和细化机理进行了探讨，对超声波、生物酶、机械牵伸的细化作用进行了比较；研究表明超声波对竹原纤维的细化作用甚微，机械轧压和牵伸对竹原纤维的细化起到显著的作用，但机械牵伸的结果还不太稳定，有待进一步进行实验研究[36,37]。这些研究进展使人们看到了天然竹纤维的应用前景，但目前竹纤维的加工技术及提取质量限制了进行规模化推广应用，离真正意义上的工业化还有一定的距离。

3  结论和展望

机械解纤技术是竹纤维制备的关键步骤，直接关系后续纤维制备的质量，而目前这正是竹纤维制备研究的薄弱环节。针对以上竹纤维的机械加工方法，目前仅通过生产过程的认识和经验来解释其分离原理。对解释竹纤维分离原理加以总结，主要有“高温蒸煮”和“机械冲击-摩擦”分离理论，但仅见一些初步的介绍未见深入分析，没有形成分离纤维的系统理论。采用锤击、碾压、机械梳解等方法多是通过削弱纤维之间的结合强度或者强行破坏竹材结构，使竹片在机械冲击摩擦等外力作用下，最终导致纤维分解。以上二种理论都只是宏观唯象的定性分析，对于力场作用下竹材解纤的过程有所揭示，但不能从根本上解释纤维分离的作用机制和条件。浙江林学院姚文斌、张蔚等人提出的竹子热-机械耦合脱层开纤的机理，也仅是初步揭示竹子解纤机理[6]。因此，在一定程度上制约了竹纤维加工技术的发展。

目前，在竹纤维的制备研究中还存在以下几方面的问题：

1）对竹纤维的物理、化学性能还未能深入了解，基础理论的研究较薄弱，力-热-化多场耦合作用下竹材的力学行为研究尚未形成系统的理论。

2）竹纤维分离的理论，还很不成熟，分离方法还未能从根本上解决竹纤维加工中存在的技术问题；至于竹纤维分离的力学机理，至今仍未揭示。

3）竹纤维生产技术体系尚未形成，缺乏专用的竹纤维生产技术设备和行业规范。 竹子开纤本质上就是采用合适的方法破坏竹子的天然复合结构，使其纤维与其它成分（基体）完全分离，最终将竹子中的纤维从原来的复合结构中提取出来。而如何有效地实现这一过程则是我们必须认知的。显然，通过对竹子特性及其破坏机理的深入认识，将有助于揭示出竹材成纤的科学方法和机制，并为设计和制造出最有效的竹纤维加工设备准备必不可少的条件。

竹子可视为纤维增强梯度复合材料[38,39]，竹子在成纤过程中所伴随的脱层扩展和开裂解纤是解释竹子成纤的关键。复合材料宏、细观破坏机制与强度理论为揭示竹材开纤的力学机理奠定了基础，也为研究竹子的纤维化开辟了新方法[40-42]。考虑到竹子的脱层开纤与温度、竹材性能、约束条件、加载方式、加载速率及引发方式等之间具有密切的相关性，可通过计算模拟的方法对竹子开纤条件进行有效的预测和控制，实现纤维细度的有效控制。随着竹纤维分离机理的揭示，竹纤维的制备方法今后将向高质量、高效率、可控制方向发展。竹纤维加工过程的无污染性和竹纤维的多功能特性，都将使竹纤维成为“21 世纪的环保功能型绿色纤维”。

 

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Research and development of technology for processing bamboo fiber 

Abstract:  The  bamboo  fiber  is  a  new  kind  of  natural  fiber,  and  is  in  the  frontier  of  bamboo  timber  processing,  new composite  and  textile  research  field.  The  new  products  made  up  of   bamboo  fibre  were  noticed  widely  by people.whereas, present preparation technology of bamboo fiber could not meet the needs of industrialization utilization. China has most abundant bamboo resources in the the world. Seeking for efficient production technology and equipment to  produce  high  value-added  bamboo  fiber  using  bamboo  as  raw  material,  is  now  an  urgent  technical  problem  to overcome.In  this  paper,  the  authors  introduced  firstly  the  application  of  bamboo  fiber,  then  mainly  expounded  the recent  mechanical  preparation  methods  and  principles  of  bamboo  fiber,  the  problems  in  preparation  technology  were analyzed and solving methods were put forward. Finally, future research directions of bamboo fiber were discussed, the future investigating trends in bamboo fiber processing technology were prospected as well. Key words: bamboo, natural fibers, mechanism of separating fiber, processing equipment of bamboo fiber