竹材缠绕复合材料推广应用中的耐久性问题

摘 要：竹材缠绕是一种应用加工技术，突破了传统的竹材平面层热压技术，也有助于拓展其应用领域，是高分子材料的抗老化、抗生物变质和老化机理等材料的延续。作为一种生物质树脂杂化材料，其耐久性研究除了木材、聚合物基材（如纤维增强材料）的耐久性评价方法之外，还可以引入耐久性研究方法。基于此，本文主要针对竹材缠绕复合材料推广应用中的耐久性问题进行分析。

关键词：竹材缠绕;复合材料;推广;应用;耐久性

一、竹材缠绕复合材料概述

竹材缠绕是适合竹子的加工技术，有利于突破以往的竹平面层压技术及其应用领域。与木材相比，竹子的最大特点是高抗拉强度（人工林木的2倍）、良好的韧性、薄而中空的竹壁、横向结缔组织少、非常薄的竹条、容易分解。这些竹单元材料是伸缩性、柔软性、弯曲延性良好、卷曲加工优良的单位材料，不仅能够实现二维平坦的竹制品的制造，还能够将竹制品扩大为立体的特殊形状，促进竹产业的结构调整、变形升级，使大规模工业生产的实现变得更加容易。

近年来，用竹材缠绕、编织、曲面层压等制作的特殊竹制品陆续登场。其中，竹卷复合压力管具有代表性。从历史角度来看，我国处于城市化和新农村建设阶段，对水保护、油田、农田灌溉、建设管道有着巨大的需求，而水泥管道、钢管、玻璃纤维管道、塑料管道等传统管道使用的原材料都是可再生资源，在处理工程中存在高能耗和高污染的问题。

在中国丰富的竹资源的基础上，以及在成熟的纤维缠绕加工技术所触发的优良纵向拉伸特性和竹的优良柔软性的基础上，浙江新进省竹基复合材料技术有限公司和国际竹与藤中心联合开发出新的生物基复合缠绕管缠绕复合压力管道，以完全打破中国竹资源优势为目标，突破传统平压工艺，将部分传统压力管道换成轻、高强度、环保的压力管道，提高可再生资源的利用效率和经济性，这可以打开减少排放量的新方法。

二、竹材缠绕复合材料特性及技术指标

（一）竹材缠绕复合材料特性

中国是世界上竹资源最丰富的国家，在建筑物和管线等相关领域使用竹材有着悠久的历史，在贵州、云南、少数民族生活密集的其他地区，竹子的构造是主要的建筑形态，例如，世界着名的钱南省和钱东南省保存着“数千苗村”。由于现代旅游的发展和现代建设技术的合作，中国式的平屋顶住宅和铸造钢筋混凝土梁和板“竹建筑”出现在云南省西双版纳大族自治州。竹材在古代的应用，更是一种实践勘探和体验的应用，但随着科学技术和相关领域的发展，人们采用现代科学手段来验证竹材在建筑相关领域的适用性。

同时，竹子还具有短生产周期（3～5年）、高碳隔离效率、平易近人等资源优势和环境优势。 竹林结构的使用和通过竹管运输国内和生产水在中国南部是非常普遍的，其中大多数使用寿命和耐久性都很长，但缺乏科学理论数据，不用说相关标准的支持，不同项目的设计师和技术人员都害怕使用竹材。

（二）竹材缠绕复合材料技术指标

竹卷复合压力管是用竹带和浸渍了竹束纤维的热硬化性树脂粘接剂制作，根据卷绕成形技术，具有核心模具和死亡特定的轴承压力的管成形制品的一种。它基本上是竹纤维增强热固性树脂复合材料的一种，因此，竹卷复合材料的耐久性受到很多因素的影响。

首先，竹子作为竹卷复合材料的加强阶段，是由于干燥收缩和湿润的长度方向的直径小，具有大的弦状变动的各向异性材料。湿性变化、温度变化、冻融循环等环境变化会引起材料的膨胀或收缩，导致内部或界面的裂纹扩大，以及长期作用后的材料损伤。同时，竹子也是由对霉菌和霉菌脆弱、复杂、分布不均匀的各种高分子聚合物构成的有机物质。 腐烂的霉菌是生物学代谢的过程。 微生物对糖、脂质、含氮有机物等有机物的分解会给竹材的耐久性带来不良影响，比如，吃昆虫也会威胁竹材的品质。

竹材在生长过程中有内外缺陷，其收获、运输和贮藏也主要涉及伤痕、变形、裂缝（随温度和湿度变化而出现的纤维组织滑动）、光泽、霉菌和腐烂、蛾子（表皮蠕虫沟深度为≥1cm，大小蠕虫眼直径为≥3mm ）及 与竹子建筑材料相比，竹管埋在地下，受到更重、更复杂耐久性问题的影响。

三、竹材缠绕复合材料推广应用中的耐久性研究

探索2000年以后有关竹材缠绕复合材料推广应用的文献，其中发现了主要着眼于玻璃纤维创管的研究，几乎没有关于竹材，特别是竹卷材料的相关文献。在诸多学者在研究新产品时，为了预测推定材料和产品的寿命，我们希望始终找到在短时间内获得经过和故障后的实验数据的加速方法，竹材耐久性的研究主要是竹子抗老化性能和抗生物学老化性能研究周期长，由于竹子抗老化和自然条件下抗老化的复杂老化机制，因此研究进展缓慢。近年来，随着研究的继续，随着更多领域的整合和新技术的出现，竹老化性能和抗生物学劣化性能试验的研究开发正在进行。

对于竹类热固性树脂复合材料的耐久性而言，抗老化性能的研究主要伴随着抗老化和防湿热老化，而抗生物学降解性能主要研究抗霉菌、防腐和抗白蚁的性能，其中复合材料的加固单元主要包括熔化的竹束和竹粉，竹粉具有最小的容积，可以用更好的复合材料树脂包裹，因此暴露于外部环境的概率小，但界面区域比其他两种材料大，会受到内部或界面的龟裂或收缩而引起影响。

有些学者评价其耐用性，结果表明密度与竹子的稳定性相关。一旦竹子加速老化后，板子的特性就会大幅度的减少。主要是由于树木润滑脂的存在，特别是用酚醛树脂制备的热处理重组竹复合材料耐腐蚀性强。但是，一般来说，这种符合材料在霉菌，特别是曲霉菌和蓝色中阻碍能力低，如果温度和湿度适合，可以在室外用，而重组竹子对霉菌简单，会导致重组竹子表面颜色的巨大变化，严重影响材料的室外应用。由于阳光、水分、氧的复合效果和多种影响，竹类复合材料的耐久性评价很复杂，通常情况下紫外线是竹类复合材料光分解和物质性质变化的主要原因。

此外，由于木材材料包含能够容易吸收紫外线的多个氯仿基和芳香族结构，而木质素上的二元醇羟基、羧基、芳香族和酚基在紫外线的作用下容易形成自由基，自由基的连续产生导致木材材料表面上的木质素的选择性光分解，留下难以光分解的纤维素和半纤维素，从而导致材料表面上的纤维素剥离，降低表面涂层的粘合性，并且变得容易剥离。

四、结语：

像原始的竹子或平坦的推入的竹基的木基的面板那样，如果复合材料用于建筑物和管线等相关领域，耐久性问题不可避免。但目前由于新素材和新产品的设计开发，在研究过程中使用年限是最令人担心的课题。可以说，缺乏基本耐久性数据是竹结构材料不被广泛使用的重要原因之一。

因此，竹子作为由具有复杂且不均匀分布的各种高分子聚合物构成的有机物，其耐久性受到多个复杂因子的影响。一方面，对抗老化、抗生物学劣化、老化机理進行综合系统的研究，得到能够承受试验、引导工学结构应用的基本数据是必要的;另一方面，作为生物量树脂混合材料，竹绕线材料的耐久性研究不仅从木材耐久性评价方法中吸取教训，还介绍了高分子系材料（纤维强化材料等）的耐久性研究方法。

参考文献：

[1]杨峰. 竹材缠绕复合材料推广应用中的耐久性问题[J]. 木材加工机械， v.29（05）：30-33.

[2]张丽辉， 郭丽萍， 孙伟. 超高韧性水泥基复合材料研究进展，存在问题及展望[C]// 中国混凝土与水泥制品协会纤维混凝土工程材料2012高峰论坛. 2017.

[3]张丽辉， 孙伟， 东南大学材料科学与工程学院，南京市江宁区，中国， et al. 超高韧性水泥基复合材料研究进展、存在问题及展望[J]. 中国混凝土与水泥制品协会纤维混凝土工程材料2012高峰论坛， 2018.

作者简介：

张林（1986.05—），男，汉族，山东省滨州市惠民县人，硕士研究生学历，中级工程师，研究方向：金属材料/机械。