竹缠绕复合材料制品发展现状及趋势

2022-11-11张杰邓砚泽

四川林业科技 2022年5期

张杰, 邓砚泽

西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500

中国竹资源十分丰富，竹种植面积及存储量均位于世界第一[1]。竹子具有生长周期短、环境友好、比强度大、韧性好等特性，其比强度为钢材的3～4倍[2]，是一种物美价廉的可持续发展生态资源。与水泥、钢制品相比，竹材生长周期短、生长过程中可以起到对环境的固碳作用，加工简单、能耗小，使用废弃后可降解，对环境无污染[3]。竹缠绕复合材料是一种生物基复合材料，可充分发挥竹材拉伸强度高、韧性好的特性。2015年、2016年及2018年两会，全国政协委员和人大代表联名建议加快促进竹缠绕复合材料技术产业化。2016年竹缠绕复合材料被科技部、环保部、工信部列入“节能减排与低碳技术成果转化推广清单”。国家林业和草原局专门成立了“国家林业局推进竹缠绕产业发展领导小组”，对竹缠绕产业加大领导力度，扶持力度。竹缠绕技术就是将以竹篾、竹束或者竹纤维构成的加工单元应用连续的缠绕成型工艺，通过控制缠绕角和缠绕张力将缠绕单元有规律地缠绕到芯模上，缠绕单元可以是其中的一种或者多种[4]。竹缠绕技术的诞生，不但符合生态环保要求，也可以带动竹产区经济快速发展。近年来国家也出台了相关政策推进生态文明建设，利用竹子轴向拉伸强度高的这一特性，能在产品结构中形成无应力缺陷分布，研发了一大批以竹缠绕复合材料为代表的科技成果，具有巨大社会、经济、生态效应和国际影响力[5]。同时，竹材具有非常良好的加工性能，是我国实现“碳达峰、碳中和”的最佳材料，竹缠绕技术也是实现乡村振兴的重要产业支撑。由于竹缠绕复合材料为新兴技术，相关研究较少，给竹缠绕制品研发、推广及应用带来一定难度。因此，本文梳理了竹缠绕复合制品研究与应用进展，并对其发展方向提出建议。

1 竹材力学性能及缠绕单元

1.1 竹材力学性能

竹材是一种优良的纤维增强复合材料，与玻璃纤维和碳纤维相比，其具有低成本、可再生、低能耗、绿色环保等优点[6]。国外竹内叔雄于1932年首次对竹材进行研究[7]。随后，我国以梁希、余仲奎等对竹材的物理特性和力学特性进行初步实验探究。南京林产工业学院竹类研究室通过实验，得出下竹材、木材、钢材强度对比结果表1[8]。可知，竹材在抗拉、抗压强度上均明显优于木材。但是钢材的抗拉强度是竹材的2.5倍以上，考虑在工程应用中的实际情况，竹材一般是通过缠绕的方式应用于实际产品中，钢材比重是竹材的5倍，在相同单位重量下，竹材抗拉强度为钢材的3～4倍。因而，竹材代替钢材应用于实际工程中是具备可行性的。

表 1 竹材、木材、钢材强度对比Tab. 1 Strength comparison of bamboo, wood and steel

许多学者对竹材力学进行测试研究，如郝际平等[9]对毛竹进行了抗压、抗拉、抗弯、抗剪等一系列力学性能试验，测得4年生毛竹的抗压弹性模量为12.73 GPa，抗拉弹性模量为12.94 GPa，顺纹抗拉弹性模量略大于抗压弹性模量。马建新、张淑娴等通过实验测得轴向竹缠绕复合管试件正面向上弯曲强度为 42.80 MPa，背面向上弯曲强度为 41.02 MPa，环向试件正面向上弯曲强度为13.28 MPa，背面向上弯曲强度为10.38 MPa[10,11]。

1.2 缠绕单元

1.2.1 竹纤维作增强材料

竹纤维是近年来复合材料的研究热点与难点。竹子单纤维为2 mm左右[12]，缠绕时需将多根单纤维粘接成纤维束，形状类似于亚麻织物。竹纤维较其他植物纤维有缠绕纤维结合度更高，具有密度低、成本低、力学性能好等优点[13]。

1.2.2 竹纤维的制备

竹纤维制备大致分为化学制取法、生物制取法、物理制取法、联合制取法四种[14]。化学制取法是利用竹纤维和胶质在特定情况下不稳定的特性，从而完成胶质的分离，保留纤维，但此法能耗大、对环境有污染，且生产纤维不稳定[15]。生物制取法是在不影响纤维的前提下添加特定生物酶，将胶质去除，此法得出产品质量好、成本低，绿色环保，但由于竹内部有较多抑菌物质存在，给酶的选取带来了较大难度[16]，因此生物脱胶仍需做大量后续研究。物理制取法是通过机械设备直接碾压竹材得到竹纤维，该方法加工简单，效率高，但是会破坏纤维的内部结构，故只能应用于纤维板材一类的初级产品[17]。联合制取法将上述三种方法相结合，充分利用每种方法的优点，现有的几种制取方法均属于联合制取法。因而，竹材作为一种天然绿色增强材料，现阶段可初步应用于工程，但如何高效、环保地制取竹纤维仍有待进一步研究。

2 竹缠绕制品制备

2.1 材料

缠绕成型的竹质异型材的制造单元与铣削成型材、模压成型材以及挤出成型材不同[18]。最典型竹缠绕制品为复合压力管，它是利用竹篾或者成束的连续竹纤维作为基材，同时结合具有高渗透性的树脂粘接技术[19]，树脂包括酚醛树脂或聚氨酯胶液[20]，基材在浸有树脂后即可作为增强层进行缠绕，内衬层是具有防腐功能或者符合食品安全的树脂，外保护层由具有防水、防腐蚀功能的树脂和防火材料以及防辐射填料制成。

2.2 结构和功能

竹缠绕复合管沿径向从内层至外层分别为内衬层、增强层及外保护层。与内部介质直接接触的内衬层除了可用功能性树脂组成，还可由竹基材缠绕而成，主要作用是为了固定介质，防止介质发生渗流、不稳定等情况发生。增强层由竹基材根据不同的缠绕张力、角度进行连续缠绕而成，主要是为了承受外压，且有支撑作用，能保证整个缠绕制品具有一定的强度，可影响整体缠绕制品的力学性能。外保护层主要起防腐蚀作用，特殊情况下也可以添加防火材料，可在表面涂一层油漆，保证缠绕制品具有相应的使用寿命。

2.3 成型方法

纤维缠绕技术是加工竹缠绕复合材料产品最常用且最重要的生产技术之一[21]，缠绕制品的制备基本流程如图1所示，在控制好缠绕张力以及缠绕方式前提下，将浸有一定量的树脂胶液的竹基材均匀且连续地缠绕在内衬层上，在达到所需缠绕效果后，停止缠绕机，随后固化脱模，芯模可以取出也可成为缠绕制品的组成部分[22]，最后在外表面喷涂防护层即可形成竹缠绕复合材料制品。对于形状较复杂的竹质异型材，可通过缠绕精度更高的数字型缠绕机完成，其利用计算机和软件编程进行数字信号控制的高效缠绕方式，缠绕机运动更加精确、速度更快。

图 1 机械式缠绕机Fig. 1 Mechanical winding machine

2.4 相关规范

竹缠绕复合管有高承压能力，保温性能好，节能环保，性价比低等优势，根据现阶段应用效果，可以有效代替不可再生资源在工程中应用[23]。竹缠绕复合管已经通过国家化学建筑材料检测中心的10000 h长期静压实验，其密度一般为1.15～1.35 g·cm-3，轴向拉伸强度为18～24 MPa，初始环刚度大于10 000 N·m-2。

竹缠绕复合管2017年五月被科技部列入国家“十三五”重点战略专项，同年6月中国工程建设标准化协会发布《竹缠绕复合管道工程技术规程》，10月国家林业局发布《LY/T2905——2017竹缠绕复合管》，中国工程建设标准化协会也发布了《竹缠绕复合管道工程技术规范》，《竹缠绕复合管》国家标准已正式实施，《竹缠绕管廊》行业标准已正式颁布。2018年9月，习近平主席在中非合作论坛上指出，愿意帮助非洲国家开发竹藤产业。竹缠绕复合材料制品是由我国科技人员自主创新研发出的新产品，是全球首个已产业化的生物基技术，该技术能充分利用我国闲置竹资源，创造更高的社会、经济、生态价值。

3 竹缠绕制品应用现状

3.1 竹缠绕复合管

自竹缠绕复合管产品诞生，2009年在杭州成功试用后，其逐步工程实际中得到应用。2013年—2014年，浙江、黑龙江和新疆3个不同自然条件下开展竹缠绕复合管工程试验，均表现出良好使用性能。2015年1月在襄阳建立了首个竹缠绕复合压力管生产厂，标志着竹缠绕复合管已正式投入生产。20116年6月，在山东临沂建设年产2.5万吨的竹缠绕复合管生产基地。2018年9月由中铁建牵头的广西玉林竹缠绕复合管顺利投产。2019年7月，在湖北、山东、内蒙古、福建、广西、四川等地已相继建成6个竹缠绕复合管生产基地，生产规模进一步扩大。林产工业规划设计院完成的《竹缠绕复合压力材料发展规划》中指出计划在2023年全国建设500个生产基地，年产能达1 000万t。

中铁二十局等单位应用的缠绕复合管指标如表2所示。根据以上数据分析，竹缠绕复合管的材料强度与使用性价比有较大优势，对比相关材料性能如表3所示。可见，竹缠绕复合管在刚度、强度方面性能优异，且绿色环保，后期维护费用低，是各方面性能优异的理想管材。

3.2 竹缠绕复合管廊

近年来竹缠绕复合管廊也被相继研发成功。相对于传统钢筋混凝土管廊，竹缠绕复合管廊具有抗震、抗地表沉降、耐腐蚀、力学性能好，且绿色环保等优势。2018年4月24日，世界首个竹缠绕城市综合管廊在呼和浩特铺设成功，开辟了新型城镇化建设的新渠道。经过现场力学性能比较，C30混凝土管廊的抗压强度与竹缠绕复合管廊强度相同，满足城市管廊技术规范[24]。实验分析表明[25]在地面受载90t、埋地深1m条件下，竹缠绕管廊竖向变形量不到1%，符合标准，使用寿命可达100年。如内径2800mm、壁厚103mm的竹缠绕管廊环刚度为10000N/m2，覆土高度为4.5m时的管壁最大环向弯曲应力为7.88MPa，最大竖向变形为2.87%[26]。对比传统混凝土管廊，竹缠绕管廊的密度约为其1/3，故施工运输过程中更加方便，综合造价成本低，仅为传统管廊的60%～70%，保温性能优异，使用寿命长，自然条件下使用56年仍保有74%强度，及良好承压以及抗沉降能力[27]。

表 2 竹缠绕复合管主要性能指标[23]Tab. 2 Main performance index of bamboo winding composite pipes

表 3 复合管与其他同口径管道性能对比[2]Tab. 3 Performance comparison between composite pipe and other pipes with the same diameter

3.3 其他竹缠绕产品

根据竹缠绕符合材料的良好力学性能、经济效应、可再生等优势，可以代替传统钢筋水泥等制品，在其他领域如高铁车厢、建筑房屋、容器等均有十分广阔的应用前景。竹缠绕复合车厢已成功研制并进行测试中，世界上首款利用生物缠绕房屋——竹缠绕房屋样品在2017年10月建成，该产品避免了土地污染，建筑噪音等问题，还具有极强的抗风，抗震性能。