一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板及其制造方法

摘要

本发明公开了一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板及其制造方法，利用锯齿嵌锁结构制作展平竹单板，可以有效的释放竹黄组织间展平产生的拉应力。在压齿过程中，一定程度上提高了竹黄面的密实度，增大了竹材内壁的密度，可有效控制竹材展平后由内应力及密度分布不均造成的翘曲和开裂。复合层压板基本单元由两块展平竹锯齿咬合胶结而成，在利用锯齿嵌锁结构制作的复合层压板中，由于锯齿结构，增大了胶结面积，使其抗剪性能大大增强。复合层压板单元横截面上密度分布平衡，上下面强度高，中部抗剪能力强，符合抗弯构件结构设计要求，经锯齿咬合处理的复合层压板，可有效控制竹材内部应力产生的变形，使复合层压板的稳定性和耐久性得到很大的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板及其制造方法。

背景技术

中国是世界上竹类资源最丰富的国家，竹林种类、面积和蓄积量都居世界首位，竹林面积每年以5万Hm²的速度递增，这为竹材加工成各种产品以满足经济建设和人们生活提供了充足的原材料。竹材具有壁薄中空、尖削度大等特点；竹材的外层竹青维管束分布致密，质地坚硬，表面光滑，附有一层蜡质，对水和胶粘剂润湿性差；内层的竹黄维管束分布少，组织疏松，质地脆弱，对水和胶粘剂的润湿性也较差；中间的竹肉，性能介于竹青和竹黄之间，是竹材利用的主要部分；按传统的竹材加工方式，竹材的利用率低于30％，这也部分地造成目前竹产品价格居高不下的问题。展平竹的出现，大大提高了竹材的出材率，降低了竹产品的成本。但是，目前展平竹在辗轧成型过程中，为了释放竹黄组织间的内应力，对处理后的圆竹进行局部开凿辗轧，由于竹黄面与竹青面强度差异大，容易导致竹黄面出现裂纹和破损，在长期使用中出现应力集中、面板曲屈变形，胶层开裂，耐久性差等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板，由若干复合层压板基本单元构成，所述复合层压板基本单元由两块带锯齿展平竹的咬合后热压胶合所得。

本发明还提供了上述一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板的制造方法，包括如下步骤：

S1、锯齿展平竹的制造：

S11、选取年龄3-5年生毛竹，优选直径在8mm-12mm范围内的竹材，锯切成1-1.5米长竹筒后，用剖竹机将竹筒沿生长方向剖分成有槽圆弧的竹段，并去除竹段的内节和外节；

S12、将所得的1-1.5米长竹段进行软化或高压防腐处理；

S13、将步骤S12所得竹段的竹青面朝上放置在热平板上，通过锯齿齿轮辗轧机床进行锯齿加工；本机床对原有展平竹机床进行了改装，将竹黄面展平滚轴更换成带锯齿的齿轮碾压滚轴。根据竹材直径大小，齿轮碾压滚轴分成两套装置，直径在8-10cm范围内的竹材应用滚轴A型，10-12cm直径的竹材应用滚轴B型。A型齿轮参数：齿轮半径为300mm，单个齿高为3.5mm,齿距离为5.4mm,齿顶部宽度2.2mm,齿底部宽度3.2mm；B型齿轮参数：齿轮半径为300mm，单个齿高为4.0mm,齿距离为5.4mm,齿顶部宽度2.1mm,齿底部宽度3.3mm。具体参数可根据竹材性质进行调整。

现有市场上的展平竹设备里，材料进入机床的模式有两种，分别为纵向进入和横向进入。纵向模式时，竹片的横断面先进入机床，齿轮结构为滚丝轮结构。：横向模式时，竹片的侧边先进入机床，要求竹片长度小于机床宽度，齿轮结构为滚槽轮结构。

展平热压温度80-100℃，热压压力1-1.2MPa,经过锯齿齿轮辗轧机床时间按2秒钟/厘米计算；所述锯齿齿轮辗轧机床除了其上的齿轮辗压滚轴其余结构与现有展平竹机床均相同。

S14、将带有锯齿的展平竹片整齐堆放，并在顶部添加重物使其稳定，防止展平竹片在冷却过程中翘曲变形，放置48小时后，送进木材干燥机干燥，待展平竹片的含水率达到10％左右时取出，进行定厚砂光，去除1mm竹青、竹黄；

S2、锯齿嵌锁展平竹复合层压板单元及不同厚度板材的制造：

S21、将处理完成后的展平竹面板按照两两面板锯齿嵌入咬合规则，竹黄面-竹黄面施胶热压胶合，制作高强展平竹层压板单元，用胶优选为酚醛树脂胶黏剂；热压温度150°，热压时间根据板材厚度而定。以10mm厚度的锯齿状展平竹为例，上下层胶合后，热压时间宜20分钟；亦可用其他胶黏剂进行冷压、或热压工艺

S22、制作好的展平竹单元可根据应用要求，按照每单元纤维方向夹角等角度方法组培胶合制作不同厚度的展平竹复合层压板材。

本发明利用锯齿嵌锁结构制作展平竹单板，可以有效的释放竹黄组织间展平产生的拉应力。在压齿过程中，一定程度上提高了竹黄面的密实度，增大了竹材内壁的密度，可有效控制竹材展平后由内应力及密度分布不均造成的翘曲和开裂。复合层压板基本单元由两块展平竹锯齿咬合胶结而成，在利用锯齿嵌锁结构制作的复合层压板中，由于锯齿结构，增大了胶结面积，使其抗剪性能大大增强。复合层压板单元横截面上密度分布平衡，上下面强度高，中部抗剪能力强，符合抗弯构件结构设计要求，经锯齿咬合处理的复合层压板，可有效控制竹材内部应力产生的变形，使复合层压板的稳定性和耐久性得到很大的提高。

附图说明

图1为本发明实施例中竹截面示意图。

图2为本发明实施例中展平竹示意图和单元尺寸符号。

图3四年生毛竹沿壁厚方向的平均密度。

图4为本发明实施例中施胶后进行热压或冷压制作展平竹高强板材。

图5为本发明实施例中一个复合层压板基本单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板，由若干复合层压板基本单元构成，如图5所示，所述复合层压板基本单元由两块带锯齿展平竹1的咬合后热压胶合所得，该胶层2采用酚醛树脂胶黏剂。

本发明实施例提供了一种锯齿嵌锁结构展平竹高强复合层压板的制造方法，包括如下步骤：

S1、锯齿展平竹的制造：

S11、按指定尺寸将竹材锯切成竹筒后，用机器将竹筒沿生长方向剖分成有槽圆弧的竹段，并去除竹段的内节和外节；

S12、将所得的竹段进行软化或高压防腐处理；

将竹段放入高温高湿箱进行软化，温度设定在160到190°之间，内部设有喷淋装置；如有防腐需要，则在此阶段加入防腐药剂，使软化和防腐同时进行。

S13、将步骤S12所得竹段的竹青面朝上放置在热平板上，通过锯齿齿轮辗轧机床进行锯齿加工；热压温度80-100℃，热压压力1-1.2MPa,经过锯齿齿轮辗轧机床时间按2秒钟/厘米计算；所述锯齿齿轮辗轧机床除了其上的齿轮辗压滚轴，其余结构与现有展平竹机床均相同，所述齿轮辗压滚轴的形状及尺寸见图4，如以四年生毛竹为例：齿轮半径为300mm，单个齿高为3.5mm,齿距离为5.4mm,齿顶部宽度2.2mm,齿底部宽度3.2mm.根据不同竹材的平均物理性能，齿轮参数可进行相应调整。

S14、将带有锯齿的展平竹片整齐堆放，并在顶部添加重物使其稳定，防止展平竹片在冷却过程中翘曲变形，放置48小时后，送进木材干燥机干燥，待展平竹片的含水率达到10％左右时取出，进行定厚砂光，去除1mm竹青、竹黄；

S2、锯齿嵌锁展平竹复合层压板单元及不同厚度板材的制造：

S21、将处理完成后的展平竹面板按照两两面板锯齿嵌入咬合规则，竹黄面-竹黄面施胶热压胶合，制作高强展平竹层压板单元，用胶优选为酚醛树脂胶黏剂；热压温度150°，热压时间根据板材厚度而定。以10mm厚度的锯齿状展平竹为例，上下层胶合后，热压时间宜20分钟；涂布后，如图4所示。

S22、制作好的展平竹单元可根据应用要求，按照每单元纤维方向夹角等角度方法组培胶合制作不同厚度的展平竹复合层压板材(例如：两单元纤维方向采用90度夹角，三单元采用60度夹角，四单元采用45度夹角)。根据不用需要，可也根据具体使用要求改变方向进行组培。

在进行制作展平竹时，在有条件的地方，应根据竹材强度、密度和尺寸进行初步分级。选择带齿磨具参数制作辗压设备时，应考虑三个因素：

1)、同一年份竹子外径平均值。

2)、同一年份竹子内径平均值或平均壁厚。

3)、同一年份竹子密度或强度沿厚度方向上的变化规律。

带齿辗压模具参数设计具体如下，对于不同年份的竹子可按照本设计方法进行适当的调整，竹子中层密度pm；竹子外壁密度po，竹子平均内径di；竹子平均外径do；竹子内壁密度pi，尺寸参数符号见图1-2所示。

本具体实施以四年生毛竹为例：

1、四年生毛竹沿壁厚方向的平均密度如图3所示：

采用二次抛物线拟合，拟合公式为：y＝1.0593x²-0.7521x+0.6674；R²＝1；其中，y为密度。

2、根据四年生毛竹的外径内径计算内外径差ΔL(近似为圆形进行计算，直径为长轴和短轴的平均值)：

ΔL＝do×(pi)-di×(pi)；

式中，竹子平均内径di；竹子平均外径do；圆周率为pi；

展平竹开齿齿长总长度Lg＝ΔL+Lc

式中：Lc为齿压痕长度；

压齿数为n，所以2a＝ΔL/n+Lc/n-c/tanθ

式中：θ为开齿角度。

假定一：由于同一竹材内外径和密度均不同。为使得竹黄面疏松，展开内外径区域一致。

参数f不易过大，f所占的弧度建议小于等于5°(可根据竹材材质、软化状况调整)。

do×(pi)/n＝2f；

当(2(pi)/360°×do/2<1mm)；

n＝ΔL/(((2(pi)/360°)×(do/2)))；

当(2(pi)/360°×do/2>＝1mm)；

n＝ΔL/u

u为开缝释放竹黄面应力的宽度。根据压缝磨具制定，一般取0.5～2mm。

假定二：由于成材毛竹平均厚度在12mm左右。因此开齿厚度不宜过深。需根据平均密度沿壁厚方向的变化合理制定。

如四年生毛竹，根据非线性二次函数拟合后的平均密度变化曲线，可计算出密度最小点在厚度方向的35.5％处。所以，开齿深度c可按照厚度方向密度最小点进行计算，可根据竹材材质、软化状况适当调整。

假定三：根据平均密度沿壁厚方向上的关系，单个压齿长度、厚度需考虑压痕后的密度变化，尽量使平均密度沿壁厚方向的变化小：

压实密度沿压缩平行方向增加，压实密度变化沿压缩厚度方向为非线性二次函数变化逐渐变小。

设压实密度沿压缩平行方向的变化率为K＝1-E³

(E为压缩点到影响位置的距离占全厚度距离的比例，(0<＝E<＝1)

开齿角度为：arctanθ＝c/(f-2a)(0<2a<f)

根据开齿压力和几何关系，当a＝0时，锯齿为三角型，容易造成应力集中现象。所以θ角应在30°～85°之间。

假定三：压实密度,以四年生毛竹平均密度为例，可近似为：

Pc＝(1.0869E²–0.7717E+0.6848)×K×((a+c/tanθ-E/tanθ)/(f-a-c/tanθ+E/tanθ))+1.0869E²–0.7717E+0.684

以四年生竹为例，当选择θ角度为82°，a等于1.1mm,c等于35.5mm开齿。

本参数基于4年生毛竹平均性能选取参数，针对不同平均性能的圆竹，具体情况参数应根据本方法作出相应调整。

性能预测：经过开齿处理的展平竹在两片单元错齿胶合做成高强层压板材料后。取酚醛胶剪切强度为2MPa、毛竹剪切强度为10MPa预测胶合展平竹高强板材的剪切强度。按照美国ASTM剪切测试标准公式计算，其顺齿方向上的剪切强度比未开齿展平竹板增加540％。垂直开齿方向上两板之间的剪切强度将比未开齿展平竹板增加2373％。剪切强度有明显的增加。并且运用开齿嵌锁结构，将有效防止展平竹高强层压板开裂翘曲等情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。