竹重组材/OSB复合材料工艺研究与性能预测

【摘要】竹重组材，是将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料，具有原料利用率高、强度高、材质均匀、加工性能好等优点。十年来，我国以毛竹为主要原料的竹重组材产业发展迅猛，产品逐步应用于建筑、工程、结构等高附加值领域。我国杨木等速生木材资源丰富，是制造胶合板、纤维板和刨花板的优等原料，应用十分广泛。本文提出以竹重组材和OSB（定向刨花板）为复合单元制造竹重组材/OSB复合材料的理念，探讨复合材料的设计、工艺、性能和应用，具有良好的发展前景。在毛竹和重组后竹材的基本物理力学性能基础上，比较了两者在微观构造和性能上的差异，研究了毛竹重组材和杨木OSB结构特性和表面性能，基于产业化前景的考虑，从工艺条件和生产成本两方面，分别对热压和冷压生产过程进行分析，研究适合毛竹重组材和杨木OSB材料特性的胶合工艺以及复合形式对复合材性能的影响。在确定竹重组材与OSB复合工艺的基础上，利用经典层合板理论，分别建立了竹木层合板的弹性模量以及静曲强度的预测模型，编制了基于VB的竹木层合板弯曲性能预测程序。采用有限元方法，对竹木层合板弯曲行为进行分析以及厚度优化设计，得出了基于有限元分析的竹木层合材料弯曲性能的预测方法，并用竹重组材/OSB集装箱底板的实例验证。论文的主要研究结论如下：（1）竹材的纤维体积分数Vy沿径向由青向黄侧梯度减小，重组后竹材内部结构发生变化，靠近髓环侧的韧皮纤维变得致密，大部分区域的Vy值在50%上下，但是临近髓环区域的Vy值维持不变。（2）炭化处理对于算数平均偏差（Ra）、微观不平度十点高度（Rz）及轮廓最大高度（Rmax）这三种指标的影响均不显著。随着砂纸目数的增大，砂光后竹重组材表面越光滑，算数平均偏差（Ra）、微观不平度十点高度（Rz）及轮廓最大高度（Rmax）值越小。刨切后表面（BS-B）与100目砂纸砂光后的粗糙度（BS-100）比较接近。总的来说，竹重组材纵纹粗糙度参数远小于横纹，同种测量条件下，前者值不到后者的一半。目数越小砂纸砂光处理的竹重组材表面水接触角相对越小。（3）利用PUR胶冷压制备竹重组材/OSB复合材料，较优的工艺参数为时间1.5min/mm；单面涂胶量200g/m2；压力1.2MPa。（4）对于竹重组材/OSB复合材料，适当增加竹质材料厚度或者纵横组坯，可使复合材整体获得更高的刚度值。铺层方向的变化（纵横组坯），可以改善复合材的尺寸稳定性。对于给定厚度的竹重组材，增加层数并不显著地影响复合材整体的强度值和刚度值。背衬无纺布（纸）可明显降低复合材的尺寸稳定性。（5）在最终产品性能方面，与竹重组材复合，可显著地提升OSB的抗弯性能。位于表层的竹材很好地避免了应力集中引起的结构破坏，验证了三层夹层结构（强-弱-强）是一种合理的结构组合。有限元模型可以较精确地预测层合板弹性区域内的刚度值，且三维模型比二维模型更为精确；但对于强度预测来说，更精准的预测需要进一步改善模型。（6）利用AltairOptistruct结构分析和优化工具，优化后的厚度能满足工程应用的安全需要，该优化方法在工程实际中验证是可行的。对于竹重组材/木质定向刨花板/竹重组材三层结构的层合板类人造板而言，采用优化后的铺层结构对比由传统公式计算出的铺层结构，在木质材料不变的情况下，竹材使用量节省三分之一。
【作者】杨峰；
【导师】费本华；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】竹重组材；毛竹；杨木OSB；竹重组材/OSB复合材料；物理力学性能；微观形态；复合工艺；弯曲性能模型；有限元方法；

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