一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺

摘要

本发明公开了一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺，涉及竹材加工技术领域，利用多巴胺的自聚合在竹材表面形成聚多巴胺涂层，之后利用含一维纳米材料的氟钛酸铵的水解，在竹材表面形成亲水层，经处理后的竹材涂胶后进行热压定型即可。本发明中，通过多巴胺的自聚合，在竹材表面的蜡质层上形成一层聚多巴胺涂层，之后利用氟钛酸铵的水解，在聚多巴胺涂层表面生长一层均匀的二氧化钛薄膜，从而改善了竹材表面的润湿性，使得胶粘剂可以很好的粘接在竹材表面，降低竹材的胶合难度，使得竹材胶合后具有良好的静曲强度和弹性模量，在使用时不易发生变形和断裂，可以满足使用需求。

说明书

技术领域

本发明竹材加工技术领域，具体涉及一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺。

背景技术

我国是竹资源最丰富的国家，竹种植面积约占全球竹林面积的20%。近年来，我国竹产业得到迅速发展，竹类产品不断丰富，产值逐年增加。但竹材资源利用率低及其产业化滞后等问题制约着我国竹产业的健康发展。圆竹具有中空壁薄的天然筒体结构，也存在尖削度大和力学性能差异大等缺陷，在使用过程中易产生虫蛀、开裂、发霉等劣变现象，限制了其使用范围。

竹材人造板材是圆竹的利用方式之一，也是竹材产业化的主要方式。在传统的竹材人造板制备过程中，竹材通常被分为细小单元后再重新胶合。这种拆分后再组合的方式破坏了竹子的颜色、纹理和结构等原始形态。竹材在细化过程中，存在利用率低、工序复杂等问题，增加了竹材人造板的生产成本。此外，由于竹子表面的蜡质层主要成分为烷烃类物质，蜡质层在竹青表面能够形成点状凸起物，蜡质层和点状凸起是疏水结构的必要条件，此疏水结构对水溶性胶黏剂也具有疏拒作用，导致竹材胶合困难。在现有技术中，为了保证胶合强度，在竹质人造板生产过程中，竹青和竹黄往往被去除，但该过程工艺复杂，能源消耗大，降低了竹材利用率，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺，工艺方法如下：利用多巴胺的自聚合在竹材表面形成聚多巴胺涂层，之后利用含一维纳米材料的氟钛酸铵的水解，在竹材表面形成亲水层，经处理后的竹材涂胶后进行热压定型即可。

具体的，所述工艺方法包括如下步骤：

1）将竹子破成弧形竹片，清洗烘干，然后浸泡在由盐酸多巴胺和Tris-HCl缓冲液组成的混合液中，待浸泡完成后用蒸馏水冲洗掉表面杂质，得到预处理竹片；

2）将一维纳米材料分散于氟钛酸铵水溶液中得到分散液，将预处理竹片浸泡在分散液中，待浸泡完成后，取出用蒸馏水反复冲洗，并置于亚硫酸氢钠溶液中保存，备用；

3）将备用的竹片用超纯水浸泡后烘干，将胶粘剂涂刷在竹片表面，再经热压处理，即可完成竹片的胶合成型。

在一种具体的实施方式中，步骤1）中，弧形竹片的烘干温度为60-70℃，烘干时间3-8h。

在一种具体的实施方式中，步骤1）中，Tris-HCl缓冲液的pH为7.5-8.5。

在一种具体的实施方式中，步骤1）中，混合液中，盐酸多巴胺和Tris-HCl缓冲液的比例为2-10g:1-6L。

在一种具体的实施方式中，步骤1）中，混合液中的浸泡时间5-10h。

在一种具体的实施方式中，步骤2）中，一维纳米材料选用纳米碳材料。

进一步的，上述一维纳米材料选用介孔碳纳米管。

进一步的，上述介孔碳纳米管在使用前，还进行了氧化修饰处理。

进一步的，上述介孔碳纳米管的氧化修饰处理方法如下：

将适量的介孔碳纳米管置于浓硝酸与浓硫酸的混合液中，超声分散后继续进行搅拌，然后洗涤至中性，将得到的固液混合物烘干，得到预修饰介孔碳纳米管。

进一步的，介孔碳纳米管与混合液的固液比为1:50-200g/mL。

进一步的，混合液由浓硝酸和浓硫酸按体积比1:3组成。

进一步的，超声分散的功率100-300W，分散时间1-5h。

进一步的，搅拌在室温条件下进行。

进一步的，搅拌转速100-500r/min，搅拌时间3-10h。

进一步的，洗涤采用离心法清洗。

进一步的，烘干温度80-120℃，烘干至恒重即可。

在一种具体的实施方式中，步骤2）中，氟钛酸铵水溶液的浓度为0.1-0.3mol/L，pH为3.2-4.2。

在一种具体的实施方式中，步骤2）中，分散液中，一维纳米材料与氟钛酸铵的质量比为0.01-0.1:1。

在一种具体的实施方式中，步骤2）中，浸泡在室温下进行，浸泡时间15-60min。

在一种具体的实施方式中，步骤2）中，亚硫酸氢钠溶液的浓度为0.1-0.3wt%。

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，超纯水浸泡10-15h。

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，烘干温度60-70℃，烘干时间3-10h。

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，胶粘剂酚醛树脂胶粘剂、聚二苯甲烷二异氰酸酯胶粘剂、水性高分子-异氰酸酯胶粘剂中任一一种。

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，涂胶量控制在200-300g/m

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，热压采用高频热压设备进行热压处理。

在一种具体的实施方式中，步骤3）中，热压处理的参数如下：

压力2.0-5.0MPa，屏极电压4000-4500V，屏极电流1.0-3.0A，热压时间为20-50s/mm。

本发明相比现有技术具有以下优点：

针对目前竹材表面由于存在蜡质层，导致竹材胶合困难，在加工过程中，需要将竹青和竹黄去除，现有技术中普遍采用铣削的方式对竹材进行处理，但该技术方法存在过程工艺复杂，能源消耗大，降低了竹材利用率，增加了生产成本等缺陷；针对现有技术存在的不足，本发明中，通过多巴胺的自聚合，在竹材表面的蜡质层上形成一层聚多巴胺涂层，之后利用氟钛酸铵的水解，在聚多巴胺涂层表面生长一层均匀的二氧化钛薄膜，从而改善了竹材表面的润湿性，使得胶粘剂可以很好的粘接在竹材表面，降低竹材的胶合难度；并且，为了提高后续胶粘剂在竹材表面的稳定性，本发明中，还向氟钛酸铵水溶液中引入了一维纳米材料，利用一维纳米材料之间的相互缠绕，在二氧化钛薄膜表面一层相互交错的网状结构，该网状结构一方面增大了二氧化钛薄膜表面的粗糙度，便于胶粘剂的附着粘接，另一方面，涂刷的胶粘剂会渗入到网状结构中，使得网状结构逐渐嵌入在胶层中，有助于提高胶层分布的均匀性，增强了胶层的稳定性，使得胶层不易发生开裂，从而使得胶合后的竹材性能稳定，具有良好的静曲强度和弹性模量，在使用时不易发生变形和断裂，从而使得竹材在不需要去除竹青和竹黄的情况下，通过直接胶合依然具有优良的力学性能，可以满足使用需求。

具体实施方式

选用长度不超过2m，内径不小于60mm的毛竹作为实验对象，并且毛竹截取胸径部位。

实施例1

一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺，具体方法如下：

1）将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于60℃烘箱中干燥3h，备用，配置pH7.5的Tris-HCl缓冲液，将10g盐酸多巴胺溶于5L的Tris-HCl缓冲液中，将备用的弧形竹片浸泡在该溶液中，静置5h，取出后用蒸馏水冲洗掉表面杂质，得到预处理竹片；

2）按照固液比为1:50g/mL，称取5g介孔碳纳米管置于体积比为1:3的浓硝酸与浓硫酸混合液中，在100W下超声处理1h，待超声处理后，在室温条件下，以100r/min搅拌3h，然后采用离心法清洗溶液至中性，将得到的固液混合物置于烘箱内，在80℃下烘干至恒重，得到预修饰介孔碳纳米管；

3）配置浓度为0.1mol/L，pH为3.2的氟钛酸铵水溶液，将预修饰介孔碳纳米管超声分散于氟钛酸铵水溶液中得到分散液，并且控制分散液中预修饰介孔碳纳米管与氟钛酸铵的质量比为0.01:1，将预处理竹片浸泡在分散液中，室温下静置15min，取出后用蒸馏水反复冲洗，然后置于0.1wt%的亚硫酸氢钠溶液中保存，备用；

4）将备用的竹片用超纯水浸泡10h，取出后置于60℃烘箱中干燥3h，使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为200g/m

对照组1：

将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于60℃烘箱中干燥3h，将干燥后弧形竹片进行精铣，去除竹青竹黄，然后使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为200g/m

测试实验：

采用文献（竹材原态放生重组材抗压性能研究，张彬，中国林业科学研究院）中2.6.2中提供的加载装置对实施例1和对照组1中提供的胶接竹片试件进行力学性能测试，微机控制电液伺服试验机（型号：YAW1000，最大荷载1000kN，最大试验空间2000mm）通过试验机上、下端头设置的球铰支座传递载荷，球铰中心线加载于试件两端截面形心，试件中部的挠度变化由位于试件前、后、左、右向的四个水平布置的拉线式位移计（量程为500mm)测量，试件的纵向变形由位于试件底部钢板的2个纵向位移计（型号：YHD-50位移传感器，量程50mm）测量，试件中部横竖各一个应变片（敏感栅长度30mm)布置在试件前向的位置，用来测量试件中部的横向、纵向应变；正式加载前对试件进行预压调整和铅垂度校正：首先预加载，从0kN加载10kN，然后卸载，然后进入力控制阶段，加载速率为100-300N/s，由0kN加载到10kN，最后位移控制，加载速率为1mm/min，至100mm；加载过程中，荷载传感器压力及试件应变和拉线式位移计通过晶明JM3840动静态数据采集仪采集，每隔1s记录1次各测点应变值，同时观察试件加载过程中的破坏现象。

测试结果：

通过分别对实施例1和对照组1提供的胶接竹材试件进行测试，结果如下：实施例1中，胶接竹材试件的静曲强度为96.8MPa，弹性模量为4531MPa；对照组1中，胶接竹材试件的静曲强度为97.2MPa，弹性模量为4552MPa。

结果分析：

通过上述测试结果可知，实施例1和对照组1提供的胶接竹材试件的静曲强度和弹性模量数据差异不大，二者的力学性能近似，由此可见，本发明提供的工艺方法，在不对竹材进行去除竹青竹黄的操作后，依然可以获得高性能的胶接竹材，从而也证明了本发明提供的工艺方法，相比较现有工艺，极大提高了竹材的利用率，减低了能源消耗以及成本。

实施例2

一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺，具体方法如下：

1）将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于65℃烘箱中干燥5h，备用，配置pH8.0的Tris-HCl缓冲液，将30g盐酸多巴胺溶于20L的Tris-HCl缓冲液中，将备用的弧形竹片浸泡在该溶液中，静置8h，取出后用蒸馏水冲洗掉表面杂质，得到预处理竹片；

2）按照固液比为1:100g/mL，称取20g介孔碳纳米管置于体积比为1:3的浓硝酸与浓硫酸混合液中，在200W下超声处理3h，待超声处理后，在室温条件下，以300r/min搅拌7h，然后采用离心法清洗溶液至中性，将得到的固液混合物置于烘箱内，在100℃下烘干至恒重，得到预修饰介孔碳纳米管；

3）配置浓度为0.2mol/L，pH为3.5的氟钛酸铵水溶液，将预修饰介孔碳纳米管超声分散于氟钛酸铵水溶液中得到分散液，并且控制分散液中预修饰介孔碳纳米管与氟钛酸铵的质量比为0.05:1，将预处理竹片浸泡在分散液中，室温下静置30min，取出后用蒸馏水反复冲洗，然后置于0.2wt%的亚硫酸氢钠溶液中保存，备用；

4）将备用的竹片用超纯水浸泡13h，取出后置于65℃烘箱中干燥6h，使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为260g/m

对照组2：

将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于65℃烘箱中干燥5h，将干燥后弧形竹片进行精铣，去除竹青竹黄，然后使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为260g/m

测试实验：

采用文献（竹材原态放生重组材抗压性能研究，张彬，中国林业科学研究院）中2.6.2中提供的加载装置对实施例2和对照组2中提供的胶接竹片试件进行力学性能测试，微机控制电液伺服试验机（型号：YAW1000，最大荷载1000kN，最大试验空间2000mm）通过试验机上、下端头设置的球铰支座传递载荷，球铰中心线加载于试件两端截面形心，试件中部的挠度变化由位于试件前、后、左、右向的四个水平布置的拉线式位移计（量程为500mm)测量，试件的纵向变形由位于试件底部钢板的2个纵向位移计（型号：YHD-50位移传感器，量程50mm）测量，试件中部横竖各一个应变片（敏感栅长度30mm)布置在试件前向的位置，用来测量试件中部的横向、纵向应变；正式加载前对试件进行预压调整和铅垂度校正：首先预加载，从0kN加载10kN，然后卸载，然后进入力控制阶段，加载速率为100-300N/s，由0kN加载到10kN，最后位移控制，加载速率为1mm/min，至100mm；加载过程中，荷载传感器压力及试件应变和拉线式位移计通过晶明JM3840动静态数据采集仪采集，每隔1s记录1次各测点应变值，同时观察试件加载过程中的破坏现象。

测试结果：

通过分别对实施例2和对照组2提供的胶接竹材试件进行测试，结果如下：实施例2中，胶接竹材试件的静曲强度为108.7MPa，弹性模量为5240MPa；对照组1中，胶接竹材试件的静曲强度为109.3MPa，弹性模量为5327MPa。

结果分析：

通过上述测试结果可知，实施例2和对照组2提供的胶接竹材试件的静曲强度和弹性模量数据差异不大，二者的力学性能近似，由此可见，本发明提供的工艺方法，在不对竹材进行去除竹青竹黄的操作后，依然可以获得高性能的胶接竹材，从而也证明了本发明提供的工艺方法，相比较现有工艺，极大提高了竹材的利用率，减低了能源消耗以及成本。

实施例3

一种提高竹材胶合强度的竹材胶合成型工艺，具体方法如下：

1）将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于70℃烘箱中干燥8h，备用，配置pH8.5的Tris-HCl缓冲液，将50g盐酸多巴胺溶于30L的Tris-HCl缓冲液中，将备用的弧形竹片浸泡在该溶液中，静置10h，取出后用蒸馏水冲洗掉表面杂质，得到预处理竹片；

2）按照固液比为1:200g/mL，称取30g介孔碳纳米管置于体积比为1:3的浓硝酸与浓硫酸混合液中，在300W下超声处理5h，待超声处理后，在室温条件下，以500r/min搅拌10h，然后采用离心法清洗溶液至中性，将得到的固液混合物置于烘箱内，在120℃下烘干至恒重，得到预修饰介孔碳纳米管；

3）配置浓度为0.3mol/L，pH为4.2的氟钛酸铵水溶液，将预修饰介孔碳纳米管超声分散于氟钛酸铵水溶液中得到分散液，并且控制分散液中预修饰介孔碳纳米管与氟钛酸铵的质量比为0.1:1，将预处理竹片浸泡在分散液中，室温下静置60min，取出后用蒸馏水反复冲洗，然后置于0.3wt%的亚硫酸氢钠溶液中保存，备用；

4）将备用的竹片用超纯水浸泡15h，取出后置于70℃烘箱中干燥10h，使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为300g/m

对照组3：

将竹子采伐后截断成竹段，再将竹段破成弧形竹片，用清水将弧形竹片清洗干净，置于70℃烘箱中干燥8h，将干燥后弧形竹片进行精铣，去除竹青竹黄，然后使用酚醛树脂胶涂刷在竹片表面，控制涂胶量为300g/m

测试实验：

采用文献（竹材原态放生重组材抗压性能研究，张彬，中国林业科学研究院）中2.6.2中提供的加载装置对实施例3和对照组3中提供的胶接竹片试件进行力学性能测试，微机控制电液伺服试验机（型号：YAW1000，最大荷载1000kN，最大试验空间2000mm）通过试验机上、下端头设置的球铰支座传递载荷，球铰中心线加载于试件两端截面形心，试件中部的挠度变化由位于试件前、后、左、右向的四个水平布置的拉线式位移计（量程为500mm)测量，试件的纵向变形由位于试件底部钢板的2个纵向位移计（型号：YHD-50位移传感器，量程50mm）测量，试件中部横竖各一个应变片（敏感栅长度30mm)布置在试件前向的位置，用来测量试件中部的横向、纵向应变；正式加载前对试件进行预压调整和铅垂度校正：首先预加载，从0kN加载10kN，然后卸载，然后进入力控制阶段，加载速率为100-300N/s，由0kN加载到10kN，最后位移控制，加载速率为1mm/min，至100mm；加载过程中，荷载传感器压力及试件应变和拉线式位移计通过晶明JM3840动静态数据采集仪采集，每隔1s记录1次各测点应变值，同时观察试件加载过程中的破坏现象。

测试结果：

通过分别对实施例3和对照组3提供的胶接竹材试件进行测试，结果如下：实施例3中，胶接竹材试件的静曲强度为123.7MPa，弹性模量为6186MPa；对照组1中，胶接竹材试件的静曲强度为124.3MPa，弹性模量为6235MPa。

结果分析：

通过上述测试结果可知，实施例3和对照组3提供的胶接竹材试件的静曲强度和弹性模量数据差异不大，二者的力学性能近似，由此可见，本发明提供的工艺方法，在不对竹材进行去除竹青竹黄的操作后，依然可以获得高性能的胶接竹材，从而也证明了本发明提供的工艺方法，相比较现有工艺，极大提高了竹材的利用率，减低了能源消耗以及成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。