一种空心竹基纤维复合结构材及其制造方法

摘要

本发明涉及一种空心竹基纤维复合结构材，并提供了制造方法，以竹材、胶黏剂和单板为原料，采用纤维分离、一次重组，二次复合、优化胶合界面结构等方法，制造空心竹基纤维复合结构材，本发明解决了竹基纤维复合材料性能过剩和二次复合过程因胶合不良而导致强度衰减等阻碍竹基纤维复合材料用于结构材的技术瓶颈，这种空心竹基纤维复合结构材可以用于制造梁、柱、家具和大尺寸室外地板等。

说明书

技术领域

本发明属于人造板行业中的人造板及其制造技术领域，尤其适用于力学 性能要求高，规格尺寸大的梁、柱、家具和地板等建筑和工程结构材。

背景技术

竹基纤维复合材料是将竹材经过疏解形成纤维化竹单板后，经过干 燥、浸胶、再干燥、组坯和胶合等工序加工而成的一种新型建筑和工程结 构材。这种材料的静曲强度可以达到350MPa以上，拉伸强度可以达到 360MPa以上，压缩强度可以达到140MPa以上，弹性模量可以达到27GPa[于 文吉.我国高性能竹基纤维复合材料的研究进展[J].木材工业， 2011，25(1)：6-8，29]，具有良好的物理力学性能，将竹基纤维复合材料直 接用于制造梁、柱、家具和地板等，往往造成强度过剩，造成浪费；在组 成的过程中，这种材料的密度达到1.05～1.30g/cm³，由于材料自重比较大， 容易造成使用不方便。

其次，竹基纤维复合材料的生产工艺主要分为两大类：一类是冷成型、 热固化工艺，简称冷压工艺；二是借鉴人造板传统热压工艺，形成的竹基 纤维复合材料热压工艺。由于受冷压机和热压机设备的规格尺寸的限制， 目前，竹基纤维复合材料的规格尺寸均较小，如冷压工艺生产的竹基纤维 复合材料方料常用的规格尺寸(长×宽×厚)为：193cm×10.5cm×15.0 cm和200cm×14.5cm×15.0cm；热压工艺生产的竹基纤维复合材料常规尺 寸(长×宽×厚)为：244cm×122cm×(1.5-4)cm，最大幅面也只能达 到500cm×120cm×5cm(于文吉，我国竹基纤维复合材料产业发展现状与 趋势分析，木材工业，2012，26(1)：11-14)。这样的规格尺寸难以满 足结构材如梁、柱、大型家具和大规格地板的尺寸要求。

再者，大规格的结构材通常由小规格的材料采用纵向接长，横向拼宽， 和重组复合胶接而成。胶接不良会导致板材性能的下降，胶接常见的缺陷 类型包含：脱胶、裂缝、空隙、胶层厚度变异、固化不完全和表面制备缺 陷等，其中，脱胶、裂缝和表面制备缺陷是主要的。影响复合材料胶接强 度的主要因素有：被连接件的材料种类、被连接件的刚度比和热膨胀系数 等因素的影响，只要有可能尽量使被胶接件的刚度近似相等，热膨胀系数 和吸湿膨胀系数相近(益小苏，复合材料手册，化学工业出版社，2009)。

中国专利201010243351.7，201020279829.7，201020279815.5提供 了一种采用小径木通过指接或斜接制造小径木重组结构材及其制造方法， 采用这种方法可以将小径木加工成大规格的重组结构材。但这种工艺在二 次胶合时形成的胶层，其胶合性能不稳定，具有一定的变异性，一些板材 胶层可能出现开裂、开胶等现象；另一些板材则可能出现胶合强度低、物 理力学性能损失大等问题。通过分析，导致上述现象和问题的主要原因是 局部胶合不良。

根据先前研究：形成良好的胶接的先决条件是胶黏剂分子和被胶接材 (木材)能充分接触和有效润湿(顾继友，胶黏剂与涂料，中国林业出版 社，1999)。竹基纤维复合材料是一种由多孔天然材料木材或竹材在较大 的压力(冷压法成型压力约为60MPa；热压法成型压力为4～6MPa)作用 下成型的，竹基纤维复合材料的密度一般大于1.0g/cm³，在环境温度和湿 度变化时，会发生顺弯、翘弯、翘曲等变形，严重时会产生跳丝和开裂等 现象(于文吉，我国竹基纤维复合材料产业发展现状与趋势分析，木材工 业，2012，26(1)：11-14)，即使在加工过程中采用砂光处理，也难以 获得平整的胶合面；其次，在竹基纤维复合材料的制造过程中，为了使胶 黏剂分布更加均匀，通常采用浸胶方法，竹束和木束通过浸胶后，其表面 均附着了一层胶黏剂，固化后，形成了一层不溶不熔的致密的胶层，表面 润湿性下降；再者，竹基纤维复合材料强度高，硬度大，难以被压缩，但 受到传统思维的影响，选择胶接件时，尽量选择刚度近似相等，热膨胀和 吸湿膨胀相近的材料，通常不会考虑引入除胶黏剂外的第三种材料，因此， 粗糙的表面、难以压缩的胶接面和不良的润湿性在二次成型过程容易产生 脱胶、裂缝、空隙、胶层厚度变异等胶接缺陷，特别是高硬度的竹基纤维 复合材料局部胶合不良问题始终未能得到有效地解决。

发明内容

本发明的目的在于改进现有的工艺技术中的不足，提供空心竹基纤维 复合结构材，使其物理力学性能满足结构材性能的要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种空心竹基纤维复合结构材，它包两块正面板、两块侧 面板、木单板和胶黏剂，其特征是：两块正面板和两块侧面板相互胶合成 截面为正方形或长方形的空心方柱，所述的正面板和侧面板为竹基纤维复 合材料；所述相互胶合两块正面板和侧面板连接处之间设置一层木单板， 所述木单板的厚度为0.1-1.5mm；竹基纤维复合材料和木单板之间设有胶 黏剂层，所用的胶黏剂是间苯二酚胶黏剂或水性高分子异氰酸酯胶黏剂； 所述相互胶合两块正面板和两块侧面板的胶接处为90度角或45度角。

所述一种空心竹基纤维复合结构材，其特征是：空心竹基纤维复合结 构材的正面板和侧面板是由竹基纤维复合材料经过纵向接长而成，纵向接 长的接合面设有胶黏剂层，所用的胶黏剂是间苯二酚胶黏剂或水性高分子 异氰酸酯胶黏剂。

所述一种空心竹基纤维复合结构材，还包含有纸板，其特征是：所述 纵向接长的竹基纤维复合材料在纵向接长的接合面之间设有一层纸板，竹 基纤维复合材料和纸板之间设有胶黏剂层，所用的胶黏剂是间苯二酚胶黏 剂或水性高分子异氰酸酯胶黏剂。

所述空心竹基纤维复合结构材，其特征是：所述接长为指接接长或斜 接接长。

本发明提供一种空心竹基纤维复合结构材的制造方法，包含以下工 段：(一)原料准备、(二)重组复合、(三)后期处理，其特征是：

(一)原料准备，包含竹基纤维复合材料准备、木单板准备和胶黏剂 调配：

(1)竹基纤维复合材料准备，通过疏解、干燥、浸胶、再干燥、胶 合、养护、裁边、锯截和砂光工段，将竹材加工成规格竹基纤维复合材料； 在浸胶工序所用的胶黏剂为浸渍用酚醛树脂；

(2)将一定厚度的竹基纤维复合材料切割成4块相同宽度竹基纤维 复合材料板条，每个竹基纤维复合材料的板条两侧斜切成45度角的斜面 或90度角的直角面，作为两块正面板和两块侧面板；

(3)木单板准备，通过旋切、干燥、裁边工段，将木材加工成厚度 为0.1-1.5mm的木单板；木单板准备，通过旋切、干燥、裁边工段，将木 材加工成厚度为0.1-1.5mm的木单板；若胶接处按45度角胶接，将木单 板裁切成宽度为步骤(2)中所述的竹基纤维复合材料厚度1.5倍；若胶 接处按90度角胶接，将木单板裁切成宽度为步骤(2)中所述的竹基纤维 复合材料厚度1.1倍；

(4)胶黏剂调配，将间苯二酚胶黏剂或水性高分子异氰酸酯胶黏剂 的主剂和固化剂按照100∶(10-20)比例均匀混合；

(二)重组复合

将所述的木单板上下表面涂上间苯二酚胶黏剂或水性高分子异氰酸 酯胶黏剂，将所述两块正面板和两块侧面板在相互胶合连接处按为45度 角或90度角组合，经胶合成截面为正方形或长方形的空心方柱；所述相 互胶合两块正面板和侧面板连接之间设置一层木单板。

(三)后期处理

将所述空心竹基纤维复合结构材板坯，经过裁边、锯截、砂光等工 段，加工成空心竹基纤维复合结构材。

所述空心竹基纤维复合结构材的制造方法，包含以下纵向接长工段， 其特征是：将所述规格竹基纤维复合材料两端采用机械加工成指接面或斜 接面，再在指接面或斜接面涂上调配后的间苯二酚胶黏剂或水性高分子异 氰酸酯胶黏剂，经过纵向指接或斜接制成纵向接长的竹基纤维复合材料。

所述空心竹基纤维复合结构材的制造方法，其特征是：在所述纵向接 长工段中，所述纵向接长的竹基纤维复合材料在纵向接长的接合面之间设 有一层纸板，竹基纤维复合材料和纸板之间设有胶黏剂层，所用的胶黏剂 是间苯二酚胶黏剂或水性高分子异氰酸酯胶黏剂。

所述空心竹基纤维复合结构材的制造方法，其特征是：在斜接工序中， 斜接部位的厚度和斜面比例为1∶10-1∶20。

所述的空心竹基纤维复合结构材的，其特征是：在指接工序中，齿榫 参数：齿长8mm-45mm，齿顶宽0.5mm-20mm，齿距3mm-20mm，齿指斜度 1/6-1/9。

本发明提供的空心竹基纤维复合结构材，采用空心方柱结构，大幅度 地降低了材料的密度，生产工艺简单；降低成本；强重比大。

此外，在硬度高、强度和刚度大的竹基纤维复合材料之间设置一层可 压缩、可形变，厚度0.1-1.5mm薄木单板，这种胶接面结构设计，充分 利用了木单板良好的润湿性、渗透性、胶合性以及可压缩和可形变等特性， 利用薄木单板形变特性，可有效地填补了硬度高、强度和刚度大的竹基纤 维复合材料之间由于胶合面不平形成的缝隙，从而增加了有效的胶合面； 利用薄木单板良好的润湿性和胶合性，可与竹基纤维复合材料形成良好的 胶合面，提高胶合性能；在二次胶合时，利用木单板的渗透性和压缩性能， 在所施加压力的作用下，使薄木单板压缩密实，同时，使间苯二酚胶黏剂 或水性高分子异氰酸酯胶黏剂能够充分地渗透到薄木单板内，与薄木单板 发生胶合反应，从而形成与竹基纤维复合材料性能相近的压缩木。这种胶 接面结构设计，巧妙地利用了竹基纤维复合材料和薄木单板的特性，使胶 合后的大规格竹基纤维复合材料胶接层符合胶接件的刚度近似相等，热膨 胀和吸湿膨胀相近的传统经典胶接面胶合理论，又解决了竹基纤维复合材 料脱胶、裂缝、空隙、胶层厚度变异等胶接缺陷。

本发明提供的空心竹基纤维复合结构材在纵向接长时，在纵向接长的 接合面之间设有一层纸板，纸板在胶接处的作用与上述的薄木单板基本相 同，这里不再赘述。之所以在纵向接长时，选择纸板，原因如下：与薄木 单板相比，除了良好的润湿性、渗透性、胶合性以及可压缩和可形变等特 性外，纸板的柔性和可塑性更好。通常指接面和斜接面是异型曲面，纸板 可根据指接面和斜接面的形状进行设计，从而使胶接面更加吻合，能最大 限度地减少脱胶、裂缝、空隙、胶层厚度变异等胶接缺陷。

本发明提供的空心竹基纤维复合结构材在纵向接长以及重组复合过 程中，采用冷固化胶粘剂即双组份异氰酸酯胶粘剂或间苯二酚胶粘剂，可 以根据目标产品的需要在长度和厚度方向重组复合，满足结构材大尺寸的 规格要求。

本发明提供的空心竹基纤维复合结构材，在竹基纤维复合材料制造过 程中，选用浸渍用酚醛树脂或浸渍用脲醛树脂，使竹束或木束达到均匀浸 胶，从而得到性能稳定的竹基纤维复合材料。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，并非对本发明的 限制，凡是依照本发明公开内容所进行的任何本领域的等同替换，均属于 本发明的保护范围。

附图说明

图1竹基纤维复合材料指接面

图2纸板指接面

图3竹基纤维复合材料指接接长

图4指接接长后的竹基纤维复合材料

图5木单板

图6胶接处为90度角空心竹基纤维复合结构材板坯

图7胶接处为90度角空心竹基纤维复合结构材(剖面图)

图8胶接处为90度角空心竹基纤维复合结构材

图9竹基纤维复合材料斜截面

图10纸板斜截面

图11竹基纤维复合材料斜接接长

图12斜接接长后的竹基纤维复合材料

图13胶接处为45度角空心竹基纤维复合结构材板坯

图14胶接处为45度角空心竹基纤维复合结构材(剖面图)

图15胶接处为45度角空心竹基纤维复合结构材

具体实施方式

实施例1：胶接处为90度角空心竹基纤维复合结构材

本发明典型实施例的空心竹基纤维复合结构材，它包含纵向指接接长 的竹基纤维复合材料(1)、纸板(2)、木单板(3)和胶黏剂(图中未 标出)，如图8所示，两块正面板和两块侧面板相互胶合成截面为正方形 空心方柱，正面板(11)和侧面板(12)为竹基纤维复合材料；胶合两块 正面板和侧面板连接处之间设置一层木单板(3)，木单板(3)的厚度为 1.2mm；竹基纤维复合材料(1)和木单板(3)之间设有胶黏剂层，所用 的胶黏剂是间苯二酚胶黏剂或水性高分子异氰酸酯胶黏剂；相互胶合两块 正面板(11)和侧面板(12)的胶接处为90度角。

本发明空心竹基纤维复合结构材制造方法典型实施步骤如下：

1，通过疏解、干燥、浸胶、再干燥、胶合、养护、裁边、锯截和砂 光工段，将竹材加工成(长×宽×厚)为：220cm×20cm×3.0cm的竹基 纤维复合材料；在浸胶工序所用的胶黏剂为浸渍用酚醛树脂，热压工序中， 采用热压法生产竹基纤维复合材料，属于现有技术；

2，将上述的竹基纤维复合材料通过铣齿机铣成如图1所示的指接齿， 齿长25mm，齿顶宽10mm，齿距20mm，齿指斜度1/8。

3，按照100∶15比例称取间苯二酚胶黏剂主剂和固化剂，混合，经搅 拌后，形成主剂和固化剂均匀的间苯二酚胶黏剂；

4，将纸板加工成如图2所示的齿状结构，齿长25mm，齿顶宽10mm， 齿距20mm，齿指斜度1/8。

5，在指接面涂上所述调配后的间苯二酚胶黏剂，涂胶量为300g/m²， 或根据纸板加工前的面积a m²，采用浸胶方式，将纸板指接进入胶黏剂中， 浸胶量为(300×a)g；将涂胶后的竹基纤维复合材料指接板按照图3所 示组坯，将组坯后的板材采用两端向中间积压，使指接处紧密结合，指接 接长后的板材如图4所示。

6，通过旋切、干燥、裁边工段，将木材加工成宽度为33cm，厚度为 1.0mm的木单板条，如图5所示；

7，在木单板涂上调配后的间苯二酚胶黏剂，涂胶量为300g/m²；

8，将所述两块正面板和两块侧面板在相互胶合连接处按为90度角组 合，相互胶合两块正面板和侧面板连接之间设置一层木单板，按图6所示 组坯，经胶合成截面为正方形或长方形空心方柱。

9，将所述空心竹基纤维复合结构材板坯，经过裁边、锯截、砂光等 工段，加工成空心竹基纤维复合结构材如图7和图8所示。

实施例2：胶接处为45度角空心竹基纤维复合结构材

本发明典型实施例的空心竹基纤维复合结构材，它包含纵向斜接接长 的竹基纤维复合材料(1)、纸板(2)、木单板(3)和胶黏剂(图中未 标出)，如图15所示，两块正面板和两块侧面板相互胶合成截面为正方 形或长方形空心方柱，正面板(11)和侧面板(12)为竹基纤维复合材料； 胶合两块正面板和侧面板连接处之间设置一层木单板(3)，木单板(3) 的厚度为1.0mm；竹基纤维复合材料(1)和木单板(3)之间设有胶黏剂 层，所用的胶黏剂为水性高分子异氰酸酯胶黏剂；相互胶合两块正面板 (11)和侧面板(12)的胶接处为45度角。

本发明空心竹基纤维复合结构材制造方法典型实施步骤如下：

1，通过疏解、干燥、浸胶、再干燥、胶合、养护、裁边、锯截和砂 光工段，将木材加工成(长×宽×厚)为：180cm×140cm×4cm的竹基 纤维复合材料；在浸胶工序所用的胶黏剂为浸渍用酚醛树脂，在胶合工艺 中，采用冷压法，属于现有技术；

2，将上述竹基纤维复合材料的两侧斜切成45度角的斜面；

3，将上述竹基纤维复合材料两端锯成如图9所示的斜截面，斜接部 位的厚度和斜面长度比例为1∶10；

4，按照100∶18比例称取水性异氰酸酯胶黏剂的主剂和固化剂，混合 搅拌均匀；

5，将纸板通过加工成如图10所示的斜面结构，斜接部位的厚度和斜 面长度比例为1∶10；

6，在斜接面涂上所述调配后的水性异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为 250g/m²，或根据纸板斜接面的面积am²，采用浸胶方式，将纸板浸入胶黏 剂中，浸胶量为(250×a)g；将涂胶后的竹基纤维复合材料按照图11所 示组坯，将组坯后的板材采用两端向中间积压，使斜接处紧密结合，斜接 接长后的板材如图12所示。

7，通过旋切、干燥、裁边工段，将木材加工成宽度为6cm，厚度为 0.8mm的规格木单板，如图5所示；

8，在木单板涂上调配后的水性异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为250g/m²；

9，将所述两块正面板和两块侧面板在相互胶合连接处按为45度角组 合，相互胶合两块正面板和侧面板连接之间设置一层木单板，按13所示 组坯，经胶合成截面为正方形或长方形空心方柱；

10，将所述空心竹基纤维复合结构材板坯，经过裁边、锯截、砂光等 工段，加工成空心竹基纤维复合结构材如图14和图15所示。