薄型竹束单板层积复合材制造及其形变研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kk77763
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目前,重组竹由于原料利用率高、强度大、耐久性好、适应性强等特点,被广泛应用于建筑和工程领域。然而,当其应用于建筑装饰领域时(如覆面板、幕墙板、装饰板、门板),存在重量过大、强度过剩、应力不均、易变形、成本高等问题,影响产品的使用。为了满足市场需求,开发薄型、轻质、稳定的竹束纤维复合材料,改善常规重组竹产品性能将具有巨大的市场前景和特色优势。然而,由于竹束纤维原材料的变异性大、板坯密度不均,竹束纤维复合材料的薄型化后的残余应力会导致板材的翘曲变形。因此,提升竹束原材料的均匀性,开展竹束整张化单板的评价分级,以及基于竹材维管束-薄壁细胞梯度结构的湿变形特性,精细疏解对竹束纤维形态的影响规律与树脂的渗透分布特征和正交对称组坯结构开展薄型化竹束复合材料形变机理的研究具有重要的科学价值和实际意义。为实现建筑用竹束复合材料薄型化,本文以竹束单板为研究对象,以透光率和机械刚度为指标对整张化竹束单板进行质量在线评价,以获得密度均匀、性能稳定的建筑用竹束单板,为后续薄型化竹束单板层积复合材制备提供原材料。以整张化竹束单板(添加或不添加木单板)为原料,采用全顺向或纵横交错的层积组坯方式,通过热压工艺制成厚度小于6.0 mm的薄型竹束单板层积复合材(TBLC),并研究不同工艺参数对其物理力学性能的影响,建立竹束单板质量与板材性能的内在联系。针对薄型板材的翘曲形变难题,系统研究了薄型板材的原材料-竹材/竹束单板的基本特性、薄型板材工艺与结构参数、湿热变形特征以及外载变形规律,揭示薄型竹束单板层积复合材形变机理,阐明薄型竹束单板层积复合材在水分和温度协同作用下的形变规律,为改进竹束复合材料均匀性,开发结构可设计、性能可控制的薄型竹束纤维复合材料提供科学依据。本论文的主要结论如下:(1)以透光率和机械刚度为主要评价指标,采用自主研发的实时在线评价系统对竹束单板的密度均匀性和力学性能进行定量表征,建立了竹束单板的质量评价方法,获得了竹束单板的质量分级规律。并研究了评估压力、连接线的道数等因素对竹束单板质量的影响。竹束单板的透光率在0~60%之间波动,机械刚度在700~1200 N/mm波动,以此为基础将竹束单板分为A、B、C三个等级。压力对竹束单板的机械刚度影响较大,当测试压力为50 N时,可获得较为准确的结果。二次帚化疏解整张化竹束单板的透光率和刚度较一次帚化的分别减少了62.58%和4.03%。(2)研究了竹束单板质量、密度、上胶量、板坯铺装方式等因素对薄型竹束单板层积复合材物理力学性能及其均匀性的影响,建立了竹束单板等级与其密度均匀性和翘曲变形的数学关系。当上胶量从7.4%增加至18.9%时,板材的吸水厚度膨胀率和吸水率分别降低了79.67%和63.92%;Ⅲ型混杂铺装的重组竹的密度分布变异性分别是层积组坯的Ⅰ型和Ⅱ型TBLC的1.55倍和2.26倍,而B级竹束单板制备的Ⅰ型的密度变异性是A级竹束单板制备的Ⅱ型TBLC的1.46倍。(3)通过研究竹材维管束梯度结构与其湿变形的关系,分析组坯方式对TBLC翘曲变形的影响规律,揭示了薄型竹束单板层积复合材的形变机理。竹材维管束梯度结构使TBLC厚度方向不对称,由于竹材纤维与薄壁细胞对水分的敏感性不同及结构上的不均质性等因素造成板材内部产生应力是导致板材出现翘曲变形的主要原因,竹材弦向和径向的湿膨胀差异性以及力学性能不同造成板材纵向变形小于横向变形。竹材不同维管束梯度部位制备的三层TBLC和单层板的形变规律均是:竹青侧竹束单板制备的板材的变形最大,竹黄侧竹束单板制备的板材的变形最小,由竹青侧竹束单板制备的单层板对角线翘曲度比竹黄侧竹束单板制备的单层板高48.15%;增加铺装层数可有效减少板材的翘曲变形,三层结构的TBLC的对角线翘曲度比单层板低85%。通过调整竹束单板的铺层角度可降低TBLC的翘曲变形,全顺向组坯的TypeD的对角线翘曲度分别比具有横向结构的TypeE和TypeF高25%和60%。(4)阐明了湿热环境下薄型竹束单板层积复合材的形变规律,建立了翘曲变形的预测模型。在湿热环境下,板材宽度方向的吸水膨胀和热膨胀要大于长度方向,板材横向翘曲变形大于纵向翘曲变形;在板材厚度方向上,水分子按照菲克第二定律由板材的表层向芯层扩散,由于表层的密度大及树脂的阻挡作用,板材的表层较次表层和芯层要先吸水膨胀且单位厚度上膨胀率也较高,板材内部形成湿度梯度导致内应力,且水分子的渗透和温度的热膨胀作用导致复合界面出现损伤,加速了板材内部应力的释放,导致板材翘曲变形增大。随着温度的升高,TBLC宽度和对角线方向上的翘曲变形均出现增大趋势,当温度从25℃增加到100℃,TypeE的横向翘曲度和对角线翘曲度分别增加了155.88%和66.67%。采用奇数层0/90°对称铺装结构的TBLC,具有更好的湿热稳定性。
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