竹束单板层积材制造工艺及应用性能研究

摘要

竹材是一种优质的天然生物质梯度复合材料，具备高强度、高韧性、可持续发展等诸多性能与资源优势。但在材料应用方面，尚存在加工出材率低、性能变异较大等不足。因而提高竹材的加工利用效率及其产品稳定性，是提高竹基复合材料附加值的有效途径之一，也是促进竹基复合材料进一步发展和利用的必然趋势。生物质材料富含丰富的纤维素，易成为菌类、昆虫等多种生物体侵害的目标，与其它材料形式相比更容易遭受环境作用的影响，尤其在高温、高湿、强风暴等热带地区的极端环境下生物质材料的性能衰减将表现得更为严重，因而对竹基复合材料进行多方面的性能评价，研究其在热带湿热环境下的性能演变规律、损伤机理和天然抵抗能力，对于充分认识竹基复合材料对环境作用的响应机制、提升竹基复合材料的发展空间、指导并充分发挥其应用性能具有重要的意义。
　　本文以梁山慈竹（Dendrocalamus farinosus）为研究对象，通过深入研究竹材的材性特征，确立了自主研发的竹材帚化机的加工原理和工艺路线，获得了横向交织、纵向连续的平整型竹束单板并以此为原料生产了竹束单板层积材。以高温、高湿、强风暴的热带环境为研究背景，针对生物质材料在热带地区应用时易发生尺寸稳定性变化、性能衰减、虫蛀侵害等不良现象，较为系统地研究了竹束单板层积材的耐湿热耦合性能、抗冲击性能、抗均布载荷性能以及抗白蚁性能及改性工艺，从设备研发、工艺评价、生物特性与环境作用的响应、机理分析与模拟等方面阐述了竹束单板层积材的制造工艺与环境适用性，揭示了竹束单板层积材的湿热老化特性、吸能机制和均布载荷作用下的形变特征。
　　本论文的主要研究结果归纳如下：
　　(1)确立了自主研发竹材帚化机的加工原理和帚化工艺，引入光学影像鉴别技术对单板帚化状态进行快速、定量的监测评价，优选出竹束单板并建立了其拉伸性能衰减的预测模型，通过对竹束单板进行规则化的层积复合，生产出质量稳定、密度均匀的竹束单板层积材；经6次帚化后压制的竹束单板层积材（1.0 g·cm-3）其弯曲强度、拉伸强度和剪切强度分别达到245.8、203.0、和21.2 MPa，室内、外吸水厚度膨胀率分别为4.8％和7.8%，相同密度下的基本性能优于传统重组竹。
　　(2)湿热环境对竹束单板层积材的吸湿行为有明显影响，应用菲克定律和厚度膨胀模型在一定程度上能够较好地预测板材的吸湿特性，厚度膨胀模型的拟合优度大于0.88；湿热耦合作用降低了竹束单板层积材的力学性能，温度从21上升至60℃（RH99%），弯曲强度保持率降低至60%，压缩强度保持率降低至50%。
　　(3)竹束单板层积材的抗冲击性能受单板质量、铺装方式、板坯层数、板材密度等多因素的影响。竹/木复合重组材和竹束单板层积材的总吸收能分别为105.1 J和66.39 J，二者的破坏模式分别为分层与沿纤维方向的劈裂。竹束单板层积材的吸能机制以面内吸能和面外吸能为主，竹/木复合重组材(纵横组坯)的面内强度较差，具有一定的分层吸能特性。
　　(4)竹束单板层积材的弯曲挠度（mm）变化随着密度的增加而降低；将密度作为因数变量引入挠曲线方程，可在一定程度上预测竹束单板层积材的均布载荷中心点挠度随密度的变化规律。竹束单板材层积材的均布载荷性能存在支承方向、跨数及尺寸效应。竹材纤维方向与支承方向一致时容易引起板材背面的拉伸破坏，单跨支承时的挠度变化随板材规格的减小而降低。
　　(5)研究了白蚁对竹束单板层积材的基本侵害规律和侵害机理，认为白蚁的侵害具有选择性，其侵害优先级为：纤维素＞其余成分，低硬度＞高硬度；竹材的薄壁组织首先遭受白蚁攻击，侵害路径沿维管束的边缘顺纤维方向延伸，毛竹精刨竹条的失重率为42.43%；竹束单板层积材的破坏形貌均沿着纤维方向，失重率为10.04%；改性竹束单板层积材具有良好的抗白蚁性能。

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表目录

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第一章 绪论

1.1 资助项目

1.2 研究背景

1.3 竹重组材研究概况

1.4 材料湿热老化性能研究

1.5 复合材料抗冲击性能研究

1.6 板材的抗均布载荷性能研究

1.7 复合材料的白蚁防治研究现状

1.8 研究的目的和意义

1.9 主要研究内容

1.10 本文研究特点

第二章 竹束单板层积材工艺研究

2.1 竹束单板帚化

2.2 竹束单板的帚化效果和性能评价

2.3 不同帚化频数下竹束单板的拉伸强度预测模型

2.4 竹束单板层积材制造及性能研究

2.5 竹束单板层积材性能增强机制

2.6 小结

第三章 竹束单板层积材耐湿热性能研究

3.1 竹束单板层积材的吸湿特性

3.2 竹束单板层积材厚度方向的湿变形行为

3.3 湿热耦合作用对竹束单板层积材力学性能的影响

3.4 小结

第四章 竹束单板层积材耐冲击性能

4.1 试验材料与仪器

4.2 试验方法

4.3 结果与分析

4.4 小结

第五章 竹束单板层积材抗均布载荷性能分析

5.1 试验材料

5.2 试验仪器

5.3 试验方法

5.4 结果与分析

5.5 小结

第六章 竹束单板层积材抗白蚁性能研究

6.1 白蚁对竹束单板层积材的侵害规律

6.2 防虫剂改性竹束单板层积材的物理力学性能研究

6.3 防虫剂改性竹束单板层积材的抗白蚁性能

6.4 小结

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

在读期间的学术研究

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致谢