高性能竹基纤维复合材料制造技术及机理研究

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我国是世界上最大的竹材资源拥有国和生产国,竹产业是我国林业的四大朝阳产业之一,重组竹由竹束或纤维化竹单板为构成单元,按顺纹组坯、经胶合压制而成的板方材,历经了10余年的发展,成为了竹产业的主流产品之一。竹基纤维复合材料作为重组竹的第二代产品,与传统的重组竹相比,具有原料的一次利用率高、生产效率高和产品附加值高等特点,是竹产业研究的热点和前沿技术之一。本文以慈竹和毛竹为研究对象,采用竹材青黄差速异步点/线裂微创技术和纤维原位可控分离技术,制备了纤维化竹单板,采用3因素4水平全因子试验,探讨了疏解度、浸胶量和密度等工艺因子对竹基纤维复合材料的耐水性能和力学性能的影响;在此基础上,采用超景深三维显微镜、扫描电子显微镜、CT扫描仪、接触角、万能力学试验机等先进仪器设备,对竹基纤维复合材料耐水性的改善机制和力学性能的增强机理进行了研究,得出如下结论:(1)采用竹材青黄差速异步点/线裂微创技术和纤维原位可控分离技术,制备出的纤维化竹单板,与竹束相比,其生产率提高约5倍左右;竹材一次利用率可达到90%以上;纤维束直径减小了约60%;单股最粗的纤维束直径在2mm以下。(2)纤维化竹单板的分离机理:竹青和竹黄表面难以胶合的皮层和髓细胞均为短细胞,在竹材青黄差速异步点/线裂微创技术产生的摩擦力和切割力的作用下,这些短细胞发生了脱落和破坏,实现了分离的目的;竹纤维细胞长、实心,抗压强度大;导管和基本组织细胞短、壁薄、腔大,抗压强度小,在纤维原位可控分离技术产生的挤压力和切割力的作用下,实现了纤维、导管和基本组织之间的分离,并最大限度地保留了竹纤维的强度,使其不受损伤。(3)竹基纤维复合材料的物理力学性能是可控的,可以根据目标产品对耐水性能和力学性能的需求,通过对疏解度、浸胶量和密度等工艺的调整,生产出满足《重组竹》国家标准(报批稿)要求的各层级的竹基纤维复合材料,采用疏解度为4度,浸胶量为16%,制备的密度为1.30g/cm3的高耐水性竹基纤维复合材料,经过28h(煮-干-煮)循环处理,其吸水厚度膨胀率小于2.08%,吸水宽度膨胀率小于0.78%,吸水率小于2.35%;采用疏解度为3度,浸胶量为10%,制备的密度为1.30g/cm3的高强度性竹基纤维复合材料,其静曲强度达到398MPa,弯曲弹性模量达到32.3GPa。(4)建立了竹基纤维复合材料吸水性的数学模型,竹基纤维复合材料自由水与材料的空隙度有关,吸着水与细胞壁表面形成的酚醛树脂胶膜层和羟基的数量有关。(5)竹基纤维复合材料耐水性的改善机制包括憎水胶膜层和胶钉的形成两方面:(a)憎水胶膜层的形成:酚醛树脂胶黏剂通过疏解形成的裂纹,渗透到竹纤维束的表面,在竹纤维束的表面形成一层连续的酚醛树脂胶膜层;(b)胶钉的形成:酚醛树脂胶黏剂通过疏解形成的裂纹,渗透到导管和基本组织等薄壁细胞的细胞腔内,在细胞腔内形成胶钉,将密实的薄壁细胞固定,使之不反弹。(6)竹基纤维复合材料力学性能的增强机理包括压缩密实增强和界面增强两方面:(a)压缩密实增强:基本组织和导管等薄壁细胞受到压缩密实,致使单位体积内竹纤维百分比增加;竹纤维力学性能远大于基本组织和导管,竹纤维比例的增加提高了竹基纤维复合材料的力学性能;(b)界面增强:酚醛树脂胶黏剂在纤维与纤维、纤维与基本组织以及基本组织与基本组织之间形成了胶钉链接,增强了胞间层的界面性能,改善了纤维之间的应力传递,更有效地发挥了纤维承载性能。
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