竹纤维制备技术经过多年的发展,形成了以蒸煮碾压法、梳解法等为主体的天然长竹纤维生产格局。这些制备方法虽各具特色,但加工方法普遍存在工艺复杂,生产效率低下,竹材利用率偏低,纤维生产质量不稳定,加工过程不清洁,能耗较大,环境污染问题较突出等诸多问题,生产出的竹纤维分离度较低,纤维粗、短、硬,其均匀度、长度、细度、强度等指标不仅达不到纺织用纤维的要求,甚至还不能满足制备复合材料、非织造材料的要求。基于以上原因,姚文斌等人提出了一种竹材脱层成纤的制作装置及方法,该方法充分利用竹材沿壁厚方向纤维分布不均等特性,迫使竹片受到弯曲、挤压和拉伸的组合变形破坏,导致竹片产生几何非线性大变形作用以实现竹材中纤维与基体组织中产生裂纹并随着裂纹的不断扩展,纤维与基体脱层剥离,竹纤维束得以提取,该制作过程简单易行,且生产过程环保无污染,而且竹材结构能受到均匀的挤压弯曲组合变形,使获得的竹纤维(束)具有弹性好、韧性佳,纤维细度、均匀性好突出的特点。本文在前述开纤装置及方法的基础上,研制出竹片翻卷脱层成纤试验机,基于竹材非均匀生物结构,使经过软化的竹片通过弯曲翻卷反拉脱层成纤方法直接分离出物理性能较好的天然长竹纤维。论文通过竹材的横纹径向抗弯实验并结合纤维体积分数,建立竹材宏观力学性能与纤维体积分数之间的关系为建立开纤力学模型提供依据,通过建立层间脱粘破坏应变模型、界面脱粘和基体破坏力学模型获得竹片翻卷反拉脱层成纤的条件,并通过试验确定了最佳的软化工艺、开纤参数和竹材材料性能,揭示竹材开纤的规律。其中主要研究内容和取得的成果如下:(1)通过对不同竹龄、部位和层次的毛竹横纹抗弯试验,并辅以显微和图像自动识别处理技术,通过混合定律计算得到纤维与基体的力学性能,其纤维与基体的力学性能相差较大。确定了竹子具有单向纤维增强复合材料结构的特性,为竹材的损伤破坏机理论分析提供依据。(2)将竹材视为天然的单向纤维增强复合材料,对竹材的破坏损伤过程进行理论分析。根据竹材层和结构建立层间脱粘破坏力学模型,并运用应变能释放率解析法和剪切滞后法,构建纤维与基体界面脱粘、基体破坏模型。三种模型较为系统的揭示了竹片翻卷反拉脱层成纤的机理,为竹片翻卷反拉实验研究提供理论支撑。(3)通过实验探究竹片翻卷脱层成纤的影响因素,分析软化条件、翻卷半径和不同竹种、部位对竹材分离成纤的影响。实验表明:3%的碱浓度和4mm的翻卷半径有利于提取物理性能较好的竹纤维,提取得到的竹纤维分离度、细度、细度标准差、拉伸强度分别为84%、144.3μm、43.5μm、32.1MPa。纤维含量较高的竹梢部有利于减少纤维表面的基体组织,从而提高纤维物理指标,竹梢部提取纤维的平均分离度、细度、拉伸强度分别比竹根部提高了30.7%、34.1%、21.1%。三种竹材中,毛竹纤维平均分离度78.3%高于慈竹和黄竹的62.7%、56.6%;而慈竹和黄竹的平均纤维细度为143.7μm、137.1μm,优于毛竹纤维的158.7μm;竹种间的生物差异性造成单纤维排列方式不同,从而影响竹纤维束的拉伸强度,毛竹、慈竹和黄竹纤维平均拉伸强度分别为27.3、23.7、23.0MPa。