新型竹纤维复合材料的研发1)

2016-08-18陈复明王戈程海涛李兴军

东北林业大学学报 2016年2期

关键词：单根竹材单板

陈复明　王戈　程海涛　李兴军

(国际竹藤中心，北京，100102)

新型竹纤维复合材料的研发1)

陈复明王戈程海涛李兴军

(国际竹藤中心，北京，100102)

以备受关注的竹纤维及其新型复合材料为主线，从单根竹纤维到竹束纤维的制备、形貌和性能分析等方面简述了竹材的特性；在此基础上，以芯壳结构竹塑复合材料、竹束单板层积材、竹复合压力管为典型代表，从材料学和工艺学角度对其加工工艺、界面改性、结构设计、物理力学性能,以及中试应用情况进行了阐述与分析。最后从竹纤维的生长性状与物理力学性能关系、大尺寸竹质工程材料及构件开发、竹束单板类集装箱房屋组装技术、异型结构竹纤维复合材料的研发等方面，提出了竹纤维复合材料的未来重点发展方向。

竹纤维；竹塑复合材料；竹束单板层积材；芯壳结构；竹复合压力管

With the bamboo fiber and its composites, we illuminated the morphology, structural characteristics, mechanical properties, testing method as well as environment adaptation in single bamboo fibers and bamboo bundle fibers. We introduced the new-style bamboo fiber reinforced composites, such as bamboo plastic composite, bamboo laminated veneer lumber, and bamboo-based twining pipeline. Along with their processing technology, we summarized interfacial modification, structural design, physical and mechanical properties and application prospects. We pointed out the technology issues and key points regarding with the future research and development for bamboo fiber composites, including relationship between growth performance of bamboo fiber and its physical and mechanical properties, the development and research of large-size bamboo-based engineering material and component, bamboo bundle veneer lumber used for container house and its assembly technology, as well as the special shape and structure made by bamboo fiber.

1　我国竹资源与竹子特性

1.1我国竹资源与产业现状

我国竹子资源丰富，共有30余属530多种，竹林面积达601万hm2，其中福建、江西、浙江和湖南等省占全国天然竹林面积75%，浙江、广东、四川、广西、福建和安徽等省、自治区占全国人工竹林面积77%[1]。竹产业是中国为数不多的，拥有自主知识产权的特色朝阳产业。2013年中国竹产业产值达到1 671亿元，较2001年的210亿元增加了近700%。目前竹产业已形成10余类，100多个系列，近万余种产品，每年竹产品出口贸易额达20亿美元以上，远销欧美等30多个国家和地区。

1.2竹子特性

竹子具有生长快、培育周期短、一次栽培可永续利用等特点。竹材强度高、韧性好，其抗拉强度约为人工林木材的2倍。从宏观水平上看，竹材以中空、多节、具有一定尖削度的中空锥形壳体多节结构存在；从组织水平上看，竹材又是一种以竹纤维为增强相、薄壁细胞为基质相的天然纤维增强复合材料，维管束密度沿径向非均匀分布使其具有功能梯度材料的特点[2](见图1)。竹材上述独特的结构赋予其轻质、高强、高韧、高弯曲延展性等优异特性[3]。

2　竹纤维的制备及性能

竹纤维是竹材的主要组成部分和承载单元，被广泛应用于制浆造纸、日用制品、高档竹编工艺品、纺织用品、发泡填充材料、竹基纤维高性能复合材料及竹质工程材料等领域。

2.1竹纤维的制备

大多数天然纤维复合材料使用的是单根纤维和束状纤维，其制取方法主要包括化学法和机械法。陈红等[4]采用了多种化学离析方法及机械剥离法制备出竹单根纤维，并对其微观形貌进行观察(见图2)。竹单根纤维为多层同心圆的壁层结构，细胞壁厚，腔径小，壁上纹孔少，微纤丝与细胞主轴之间的夹角小；单根纤维尺寸非常微小，直径10～30 μm，长度1～4 mm[5]。

图1　不同尺度下竹材单元

图2　毛竹单根纤维微观形貌

竹束纤维制备中，以亚硫酸盐制浆法为代表的化学离析法通过脱除木质素来实现纤维素分子的重新组合，通常被用于纺织行业；而以机械碾压为代表的物理疏解法则通过有效分离薄壁细胞来实现维管束的重新组合，通常广泛用于竹重组材[6]、层积材[7]的制造(见图3)。竹束纤维化单板，是通过碾压疏解作用实现竹材薄壁细胞的分离和维管束纤维的重新组合，再在宽度方向进行整张化处理而形成的。其幅面宽度随疏解频数的增加而增加，在疏解6遍后增加程度减小；而力学强度随着疏解频数的增加而逐渐降低[8]。

图3　竹束纤维形貌特征

2.2竹纤维力学性能

竹单根纤维力学性能的研究，对于从细胞水平理解竹材的特性来说，实现了从微观层面揭示其宏观力学表现的目的，对研发高性能竹纤维复合材料有重要意义[4]。然而，单根竹纤维细短、变异性大、纤维的夹持和定向及横截面积测量难度大[9]。曹双平[5]采用自主研发的单根纤维拉伸设备，研究了4种典型植物纤维的力学特性，从细胞水平上获得了竹材的力学性能。毛竹单根纤维的断裂强度最大，平均值达1 770 MPa，最大值达2 708 MPa。毛竹单根纤维力学性能随竹龄增长略有增加，第4年后纤维基本达到成熟。与40%环境湿度下相比，70%环境湿度下，毛竹单根纤维弹性模量有所增大，而90%环境湿度下却有所下降。

不同单元形态的竹材的拉伸力学性能具有差异性(见表1)。从竹单根纤维、维管束、束纤维到竹条，力学性能都呈现衰减趋势，且化学分离法制备的单根纤维和竹束纤维的力学性能较机械分离法好。纤维胞间层弱界面的存在及加工过程的损伤使得拉伸强度减小。因此，为了发挥竹纤维的强度优势，加工过程中要尽量减少竹束纤维胞间层的破坏。

表1　竹材不同形态单元在不同加工方法下的拉伸力学性能

注：表中数值为平均值±标准差。

3　新型竹纤维复合材料的研究与开发

3.1芯壳结构竹塑复合材料的研究和开发

3.1.1芯壳结构竹塑复合材料的制造工艺

为了有效发挥竹纤维优势和充分利用竹浆造纸加工剩余物，采用芯壳结构来提高复合材料的使用性能(如耐水性、耐磨性、抗弯和抗蠕变性能)，减少材料的制造成本[10-11]。复合材料的表层(壳层)设计为竹纤维、造纸剩余物白泥和高密度聚乙烯(HDPE)的复合物，芯层设计为竹屑剩余物和HDPE的复合物(图4)。具体制造工艺如下：首先按m(竹屑纤维)∶m(HDPE)=3∶7充分混合后造粒，粒径约4 mm，将其作为芯层材料的原料备用；然后分别按m(HDPE)∶m(竹浆纤维)=9∶1、m(HDPE)∶m(纳米碳酸钙)=9∶1、m(HDPE)∶m(白泥)=9∶1将材料充分混合后造粒，作为壳层原料备用。通过共挤出成型系统(挤出机A和B)制得芯壳结构竹塑复合材料。挤出机A和B的机筒温度控制在160～180 ℃和160～175 ℃，成型口模面积30 mm×4 mm。芯层和壳层材料厚度分别为2.8 mm和0.6 mm，m(芯)∶m(壳)=7∶3。

3.1.2芯壳结构竹塑复合材的性能

对芯壳结构复合材料进行静态弯曲测试，发现其阶梯型破坏模式明显，壳层材料性能越高，越有助于延缓破坏的发生。同时，芯壳结构竹塑复合材料弯曲性能优于均质结构竹塑复合材料，并且将力学性能较好的竹浆纤维放置表层，能有效地提高复合材料的弯曲性能[12-14]。在壳层设计3种材料：纯高密度聚乙烯复合材料(CS-HDPE)、5%白泥增强高密度聚乙烯复合材料(CS-WC)、5%竹浆纤维增强高密度聚乙烯复合材料(CS-BPF)，其复合材料弯曲强度和模量从大到小顺序为CS-HDPE、CS-BPF、CS-WC，剪切强度从大到小顺序为CS-HDPE、CS-BPF、CS-WC(见表2)。结果表明：表层HDPE与芯层材料熔融结合性能更好，加入马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)能改善竹浆纤维与表层HDPE的界面相容性。因此，芯壳结构对扩展竹屑—HDPE复合材料的应用领域具有重要的意义。

图4　芯壳结构竹塑复合材料

复合材料种类弯曲强度/MPa弹性模量/GPa剪切强度/MPaCS-WC50.02±0.471.69±0.1210.02±0.07CS-BPF66.60±1.222.51±0.998.34±0.14CS-HDPE67.97±1.062.99±0.1311.42±0.76

注：表中数值为平均值±标准差。

3.2竹束纤维单板层积材制造技术与产品开发

3.2.1竹束单板层积材制造技术及性能

竹重组材是中国主要的竹质工程材料，用途广泛。但传统竹重组材存在密度大、铺装不均、残余应力大等问题[15]。针对上述问题，本研究小组采用自主研制的碾压帚化设备对竹材进行分类、去隔、疏解(6～8次)，将竹束在厚度方向上进行质量分级，在宽度方向上进行整张化处理，使其形成连续而均匀的大幅面竹束单板，使得竹节、缺陷等薄弱处被均匀地分散到每张竹束单板之中。再将竹束单板浸渍水溶性酚醛树脂，浸胶量为10%～16%，采用均匀层积、全顺纹组坯、纵横竹束/木单板复合组坯、纵向连续接长等组坯方式，经热压胶合形成新型竹基复合材料，即竹束单板层积材(BLVL)[16-17]。对BLVL的密度均匀性、静态抗弯曲和抗剪性能、动态耐冲击性能、均布载荷性能、防白蚁性能、耐湿热性能和连接性能等方面进行了全面系统的研究，并探讨了组坯结构、密度和竹节对板材基本物理力学性能和连接性能的影响[18-21]。研究结果表明：以上工艺解决了传统竹重组材存在的问题，并且制造出了密度均匀、性能稳定的结构材(见图5)。平均密度为1.0 g/cm3的BLVL，其抗拉强度为203 MPa，拉伸模量为20.3 GPa，水平剪切强度为21.2 MPa，静曲强度达245.8 MPa，抗弯弹性模量为25.4 MPa，24 h吸水厚度膨胀率在8%以下。

另外，中国林业科学研究院木材工业研究所通过创立多功能竹材疏解设备，发明了纤维原位可控分离制造技术，实现了竹基纤维复合材料的可控性和高性能化，开发出室外地板用材、风电桨叶基材和全竹集装箱底板用材等竹基复合材料制造技术[22-24]。南京林业大学通过将重组竹理想化为横向各向同性材料，建立了材料的纵向拉压强度与材料本构的关系模型[25]。国际竹藤中心利用锥形量热仪研究了磷酸二氢铵、聚磷酸铵和硼硼合剂3种阻燃剂对重组竹燃烧性能和物理力学性能的影响，发现3种阻燃剂均能够不同程度地改善重组竹的阻燃和抑烟性能[26]。

图5　竹束单板层积材与重组竹密度均匀性比较

3.2.2竹束单板层积材中试应用

利用竹束单板层积材及复合板制造的轻质墙体，不仅具有轻质、高强、保温性能良好等优点，还可以通过对其进行合理的设计与加工，使其结构体系、物理性能等满足不同使用功能的要求(见图6)。目前已投入应用的有江苏无锡竹木结构示范房屋的墙体和江苏竹裏馆聆风阁。另外，本研究小组的《一种整张化竹束单板和超长竹束单板层积材的制作方法》专利技术可实现具有如下优势的轻质墙体的制造：①与混凝土砖墙相比，其环保和保温、隔热性能均较优；②与竹席/竹篾胶合板相比，竹材的利用率高，达85%以上，成本低；③与竹重组材相比，其密度低，纵横强度均匀，具有可设计性；④与木材胶合板相比，具有更高的强度、优良的耐久性能和可靠的结构性能；⑤可根据实际需要满足超长尺寸的加工与制造。同时，墙板芯层填充纤维发泡环保保温材料，可赋予墙体轻质、保温、阻燃和防护功能。

a.墙体正面b.墙体侧面

图6轻质竹束单板层积材墙体单元构件

3.3竹质缠绕复合管制造技术与产品开发

3.3.1竹质缠绕复合管加工工艺及性能

以浸渍低固化温度的酚醛树脂或聚氨酯胶液的连续竹束纤维/竹篾为增强材料，在控制好张力和环向缠绕、纵向缠绕组合的条件下，将其缠绕到芯模或模具上制成的压力管道(图7)，即为竹质缠绕增强热固性树脂复合压力管(简称竹质缠绕复合管)[27]。借助先进的二维往复式缠绕制造工艺，研究确定了制造高质量竹质缠绕管道材料构件所需具备的最佳竹质纤维含水率、缠绕张力、缠绕速度、固化温度等工艺参数。如表3所示，竹质缠绕复合管主要的物理、力学性能可满足《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332—2002)规定的相应指标要求[28]。

图7　纺织结构竹质复合压力管加工示意图

目前竹质缠绕复合管的直径范围可达200～3 000 mm，密度为0.90～1.35 g/cm3,轴向抗拉强度为18～24 MPa，弯曲弹性模量为9～12 GPa，短时失效水压大于4倍工作压力，初始环刚度在10 kN/m2，内表面粗糙度小于0.008 2，使用压力不超过1.6 MPa，使用环境温度不高于80 ℃。竹缠绕复合压力管具有绿色环保、低碳节能、价格低廉等诸多优点，可应用于水务工程、农田灌溉和城镇管网等行业，在全球能源和环境问题日益突出的今天具有巨大的市场价值和发展前景。中国管道用量预计2020年将达到1.6亿t，若竹缠绕复合压力管可以替代传统管道市场的10%，即可创造1 000万t竹复合压力管和2 000亿产值的新兴产业[29]。竹缠绕复合管具有价格便宜、耐压比强度高、刚度大、水流性能佳、安装方便等特性。

3.3.2缠绕层积界面与结构优化

竹质缠绕复合材料的环向层积界面性能与层积结构是决定其质量的关键因素。研究小组针对竹篾和竹束纤维与树脂形成的内衬层、增强层和防护层层内和层间界面(图8)开展了结合机理和调控机制的研究。在分析竹材材性的基础上，采用先进的微观试验手段，对树脂渗透及流动状态、竹材—树脂结合形态、界面微区力学、热分析和宏观力学表征等进行研究，揭示微观胶合状态与材料理化性能的关系，阐明非平面外载下竹材/树脂界面环向层积结合本质与机理。通过对竹纤维缠绕张力递减规律、成型中空穴和气泡存在状态、壁层结构与物理力学性能表征的关系研究，获得竹质缠绕复合材料层积结构调控机制，为竹质复合管优化设计提供理论指导。

a.结构示意图b.实物图

图8竹质复合管环向断面图

3.3.3竹质缠绕复合管道产品中试应用

竹质缠绕复合压力管可最大限度发挥竹子拉伸强度高和柔韧性好的材性特点。在2013年，水利部组织并落实了竹质复合管在黑龙江、新疆、浙江3地进行推广应用的示范工程(图9)。在新疆地区主要研究了在地面沉降地貌不规范、施工条件复杂情况下，竹质复合管的抗击打能力和防渗性能，结果表明：竹质复合管具有良好的防摔、防渗漏性能。在浙江地区开展了在重负荷车辆经过的公路下方和高盐碱地里埋设竹质缠绕复合管的试验，结果显示：竹质复合管具有耐腐蚀性能好，抗压能力强的特点[30-31]。2014年国家林业局科技司主持召开科技成果鉴定会，对竹缠绕复合压力管技术成果进行鉴定，评价其已达到国际领先水平[32]。目前，国际竹藤中心正与浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司合作，将对竹材微观领域和可生物降解树脂领域进行更系统深入的研究。

图9　竹质复合管中试应用情况

4　今后的研究与开发重点

竹纤维生长过程性状与其物理力学性能的关系。研究竹子从生长初期、竹笋、成熟材直到衰退过程中竹纤维的发育、木质化形成及老化过程与物理力学性能的关系，探究不同时期竹纤维性状与各项材性指标的表达，为不同阶段竹纤维的有效利用提供基础理论支持。

大尺寸连续长度竹质工程材料和构件的开发。通过层积组坯、连续接长、间歇式热压连续长度制造工艺，加工长度大于12 m的超长竹束单板层积材，再借助合理的设计方法，加工大尺寸的竹质工程构件，应用于大跨度公共建筑和房屋的建造。

竹束单板复合板制造及集装箱房屋组装技术开发。以竹束单板层积材、竹席胶合板、竹篾层积材等为框架和覆板，通过合理设计将其加工成标准构件，再通过金属连接件的合理连接形成可组装的板式房屋，可用作非永久性的景区房、野外施工住房、军队营房等。

异型结构竹纤维复合材料的制造技术。以竹束纤维为原料，采用纺织、缠绕、模压等技术加工竹纤维复合材料，制造能够满足力学和结构性能要求的新型高质化构件，应用于管道柱体、轿车外壳、高铁内饰等领域。

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Development of Advanced Bamboo Fiber Based Composites Material//