高性能竹基纤维复合材料制造技术及机理研究

【摘要】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。
【作者】余养伦；
【导师】于文吉；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，木基复合材料科学与工程，2014，博士
【关键词】竹基纤维复合材料；纤维化竹单板；制造技术；耐水性；力学性能；机理；

【参考文献】
[1]申国栋.氮掺杂纳米TiO_2负载活性炭纤维可见光催化材料研究[D].西安工程大学,纺织工程,2012,硕士.
[2]徐川川.滞后输出反馈及其在航天器交会中的应用[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[3]窦易升.薄层厚度定量解释的振幅谱平方比法[J].石油地球物理勘探,1995,S2:57-65+181.
[4]王晓帆.基于茶树基因组测序信息的UGTs基因的分析、克隆与原核表达研究[D].安徽农业大学,茶学,2012,硕士.
[5]苏园.妊娠期糖尿病VCAM-1、AOPP的表达及相关性研究[D].河北医科大学,妇产科学（专业学位）,2014,硕士.
[6]张培.影响政府网站论坛持续使用意愿的关键性因素分析[D].河北经贸大学,行政管理,2012,硕士.
[7]朱玉平.基于P2P网络的资源搜索算法的研究[D].山东师范大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[8]杨向荣,沈钧毅,王瑞.一种可分类数据的聚类算法及其应用[J].微电子学与计算机,2002,08:30-33.
[9]何桂立,张翠平,张雁,孙淑英.关于电话发送响度的测试与研究[J].电信网技术.2001(05)
[10]董培培.内蒙古迪彦庙地区复理石研究[D].石家庄经济学院,矿产普查与勘探,2012,硕士.
[11]梁晓莉,戚军,张有兵,谢路耀.局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪方法对比研究[J].电工电能新技术,2015,04:12-17+74.
[12]别锋锋.油田注水系统设规划优化研究[D].大庆石油学院,安全技术及工程,2004,硕士.
[13]梁毅.全数字三相SPWM信号产生系统IP软核设计[D].西安理工大学,微电子学与固体电子学,2003,硕士.
[14]靳霏霏.基于图像质量评价的可见光和红外图像融合算法研究[D].西安科技大学,应用数学,2013,硕士.
[15]杨淑芬.曲沃方言的语音研究[D].辽宁师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[16]赵杨.造型艺术形式的多元与延伸[D].河北师范大学,美术学,2013,硕士.
[17]白超.德国环境外交研究[D].青岛大学,国际关系,2013,硕士.
[18]邓诗桦.活化蛋白C在宫内炎性暴露后脑白质损伤中的作用及机制研究[D].华中科技大学,儿科学,2013,硕士.
[19]杨勇强,邱隆伟,陈世悦,付育璞.基于小波能量谱系图及小波曲线的层序地层划分[J].石油地球物理勘探,2011,05:783-789+836+665.
[20]朱静.高中英语教材中阅读材料的使用情况调查[D].延安大学,学科教学,2014,硕士.
[21]李希胜.中学数学教学中创造性思维的培养[D].江西师范大学,教育,2003,硕士.
[22]王成.区域土地利用变化及其生态健康研究[D].西南农业大学,土壤学,2004,硕士.
[23]周彬忠,包吉山.山区静校正问题分析[J].石油地球物理勘探,1985,06:581-596.
[24]韩元东.威宁县倮秣泥石流的基本特征及风险性评价[D].成都理工大学,地质工程,2013,硕士.
[25]李丁.平网印花自动铺片机械手关键技术研究[D].武汉纺织大学,机械工程（专业学位）,2014,硕士.
[26]戴根平.维新运动时期湖南思想界的动态研究[D].江西师范大学,中国近现代史,2004,硕士.
[27]李倩倩.三产品旋流分级筛细粒矿物分级特性研究[D].中国矿业大学,矿业工程,2014,硕士.
[28]李倩.巴利的公道正义观研究[D].湖南师范大学,伦理学,2013,硕士.
[29]张茹.农村商业银行治理结构：比较与借鉴[D].南京农业大学,2003.
[30]陈洁.城市景观水体吸磷控藻材料与水质改善组合技术研究[D].扬州大学,市政工程,2012,硕士.
[31]王浩红.反微乳液法制备TiO_2/CdS/Fe_mO_n及其光催化降解亚甲基蓝研究[D].华东师范大学,物理化学,2004,硕士.
[32]奕丽萍.我国上市高技术企业并购对技术创新绩效的影响[D].华东师范大学,金融学,2013,硕士.
[33]吴鹏举.光伏并网通信管理机的设计与实现[D].北京交通大学,电气工程（专业学位）,2013,硕士.
[34]刘锐.基于子空间的人脸识别算法的研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[35]毛玲玲.柴达木盆地东缘新生代沉积特征与物源分析[D].成都理工大学,地质学,2013,硕士.
[36]刘畅.骨髓增殖性肿瘤JAK2 V617F、exon12及MPL突变的研究[D].湖南师范大学,内科学,2013,硕士.
[37]张志祥,刘鹏,蔡妙珍,康华靖,廖承川,刘春生,楼中华.九龙山珍稀濒危植物南方铁杉种群数量动态[J].植物生态学报,2008,05:1146-1156.
[38]何兆龙.PCI三通道数据接收卡WDM驱动程序的研究与设计[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[39]张瑜.技能人才多元评价方法研究[D].首都经济贸易大学,劳动经济学,2014,硕士.
[40]刘建超.面向DHT的P2P分布式存储认证系统[D].东北大学,计算机软件与理论,2010,硕士.
[41]曹国栋.可编程序控制器在设计中的选型与应用[J].冶金自动化,1991,06:51-53.
[42]顾德强.生态城市建设中的地方政府行为研究[D].苏州大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[43]王其兵,李凌浩,白永飞,邢雪荣.气候变化对草甸草原土壤氮素矿化作用影响的实验研究[J].植物生态学报,2000,06:687-692.
[44]张天伦,张伯林,聂荔.关于非无穷远三极剖面法的若干新认识[J].石油地球物理勘探,1999,02:235-246+248.
[45]高英.中小学生家庭作业行为研究[D].西北师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[46]张晓云.一次性多功能引流袋与一次性普通引流袋在恶性心包积液治疗中安全性和有效性的临床对比研究[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.
[47]吴雨徽.纯电动汽车驱动轴力矩估计问题研究[D].吉林大学,控制工程,2014,硕士.
[48]姜大力.CXCL5、MMP-9在胃癌中的表达及意义的研究[D].佳木斯大学,外科学（专业学位）,2012,硕士.
[49]李强.呼和浩特铁路局薪酬制度改进研究[D].内蒙古大学,高级管理人员工商管理,2013,硕士.
[50]程艳艳.白藜芦醇对砷致猫器官损伤的保护作用研究[D].东北农业大学,临床兽医学,2013,硕士.