竹材原態(tài)多方重組單元與冷壓熱固工藝研究

竹材原態(tài)多方重組單元與冷壓熱固工藝研究竹材原態(tài)多方重組材料研究，是在竹材高效利用形勢(shì)下符合我國(guó)林業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的新課題，是解決我國(guó)木材供需矛盾的有效途徑之一，符合“生態(tài)林業(yè)、民生林業(yè)”的發(fā)展模式，具有廣泛應(yīng)用前景和發(fā)展空間。本文以4~6年生毛竹為研究對(duì)象，提出冷壓定形、熱壓固化成型工藝制備竹材原態(tài)多方重組材料，研發(fā)冷壓熱固成型專用卡具，以單元性能、材料小樣制備及力學(xué)性能為重點(diǎn)，主要研究竹材原態(tài)多方重組材料橫向膠合成型技術(shù)，旨在掌握竹材原態(tài)多方重組材料基本性能和冷壓熱固成型制造工藝，為該材料工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)，并對(duì)進(jìn)一步開發(fā)竹材原態(tài)多方重組材料冷壓熱固成型機(jī)提供必要的試驗(yàn)基礎(chǔ)，推進(jìn)竹材原態(tài)多方重組材料工業(yè)化進(jìn)程。本論文結(jié)論如下：（1）采用木材常規(guī)干燥窯干燥法、蒸煮和高溫?zé)崽幚矸?、化學(xué)與增容結(jié)合處理法對(duì)竹材單元進(jìn)行防裂處理，優(yōu)選出竹材原態(tài)多方重組材料單元防裂干燥處理工藝：常壓下，原竹浸入0.8%氯化鈉和1%醋酸混合溶液中，在溫度100℃條件下蒸煮4h；蒸煮處理后原竹進(jìn)行常規(guī)低溫干燥：干燥階段溫度為50℃～58℃，濕度為75%～85%，風(fēng)速1.5m/s，干燥至當(dāng)?shù)仄胶夂?。此工藝條件下處理的竹材原態(tài)多方重組材料單元，90d后僅5%生開裂，干燥效果優(yōu)良，適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。（2）適合制備竹材原態(tài)多方重組材料單元的直徑范圍是90mm~110mm；經(jīng)六面銑削一次成型制備的竹材原態(tài)多方重組材料單元，輪廓算術(shù)平均偏差Ra均值為2.79μm，微觀不平度十點(diǎn)高度Rz均值為18.31μm，輪廓最大高Rzmax均值為26.51μm，Ra和Rz隨原竹直徑增大呈增加趨勢(shì)，Rzmax無(wú)明顯規(guī)律；試驗(yàn)結(jié)果表明，竹材原態(tài)多方重組材料單元輪廓算術(shù)平均偏差Ra和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz處于膠合強(qiáng)度高的粗糙度范圍內(nèi)。（3）全因子試驗(yàn)法研究竹材原態(tài)多方重組材料單元基本力學(xué)性能：竹節(jié)對(duì)橫向抗壓強(qiáng)度提高明顯，竹節(jié)在中間處橫向抗壓強(qiáng)度最高，無(wú)竹節(jié)次之，竹節(jié)在端頭最小，竹材原態(tài)多方重組材料單元橫向抗壓強(qiáng)度隨直徑增大出現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，隨重組單元質(zhì)量增加呈減小趨勢(shì)，橫向抗壓強(qiáng)度平均值4.47MPa，最小值3.38MPa，竹材原態(tài)多方重組材料橫向成型時(shí)優(yōu)選抗壓強(qiáng)度為1.0MPa~1.5MPa；竹材原態(tài)多方重組材料單元縱向抗壓強(qiáng)度均值為51.78MPa，較原竹強(qiáng)度損失約5.7%，采用竹材原態(tài)多方重組材料單元理論模型計(jì)算其抗壓強(qiáng)度為61.47MPa，強(qiáng)度偏大約18.7%，修正系數(shù)為0.85，誤差±5%之內(nèi)。六面成型銑削對(duì)原竹縱向使用性能影響不大。（4）研發(fā)冷壓熱固成型工藝專用卡具，實(shí)現(xiàn)二維加壓，橫向平面加壓，縱向異型面加壓，最大承載壓力6kN；卡具由2件成90°夾角的構(gòu)件組成，采用螺栓螺母固定位置，卡具結(jié)構(gòu)用材Q235，板簧材料選擇65Mn，自重12kg；引入板簧結(jié)構(gòu)，在冷壓熱固成型過(guò)程中，補(bǔ)償應(yīng)力松弛引起的壓力降低；縱向采用120°V形卡具，將線接觸轉(zhuǎn)化為面接觸，減少竹單元壓潰，提高竹材原態(tài)多方重組材料膠合強(qiáng)度，單元間結(jié)合較冷壓成型更為致密；專用卡具加工竹材原態(tài)多方重組材料尺寸為210mm~350mm，專用卡具冷壓熱固成型工藝制備竹材原態(tài)多方重組材料2h，工藝固化周期為冷壓冷固工藝的1/84。（5）7單元竹材原態(tài)多方重組材料橫截面橫向尺寸（側(cè)面對(duì)側(cè)面）平均值為288.11mm，熱固成型后平均減少3.61mm，約1.25%；縱向尺寸（頂點(diǎn)對(duì)頂點(diǎn)）平均值為271.78mm，熱固成型后減少2.67mm，約0.98%；橫截面橫向和縱向最大尺寸減少均為4.5mm，陳放24h后，產(chǎn)生0.3mm~0.4mm的彈性恢復(fù)，彈性恢復(fù)率約11%；竹材原態(tài)多方重組材料熱固應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，壓力降低主要發(fā)生在停止施加壓力后的前180s，360s后應(yīng)力曲線基本呈直線，建議將600s時(shí)載荷定為最終載荷設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備。（6）試驗(yàn)采用正交分析法研究膠黏劑種類、施膠量、熱固成型溫度、熱固成型時(shí)間與竹材原態(tài)多方重組材料小樣試件縱向抗壓性能的關(guān)系，結(jié)果表明：酚醛樹脂膠制備的竹材原態(tài)多方重組材料性能最好，異氰酸酯膠黏劑次之，脲醛膠黏劑強(qiáng)度最低；該材料縱向抗壓強(qiáng)度隨施膠量增加呈下降變化，200g/m2施膠量抗壓強(qiáng)度最大；隨溫度上升呈增加變化，150℃時(shí)達(dá)到最大值，但增加比例不高；隨時(shí)間延長(zhǎng)縱向抗壓強(qiáng)度基本不變。冷壓熱固法制備竹材原態(tài)多方重組材料優(yōu)選工藝參數(shù)：酚醛膠黏劑、施膠量200g/m2，熱固成型溫度130℃、熱固成型時(shí)間10min，此工藝條件下驗(yàn)證試驗(yàn)表明：縱向載荷793.7kN，抗壓強(qiáng)度73.80MPa，比強(qiáng)度為0.0559Nm/kg，優(yōu)于普通鋼材0.0540Nm/kg，高于正交試驗(yàn)法平均值0.0529Nm/kg。參照木材容許應(yīng)力研究方法，提出竹材原態(tài)多方重組材料安全系數(shù)為2.85~4.0，則容許載荷≤195kN。（7）使用鋼筋作為預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)材料，可增加竹材原態(tài)多方重組材料縱向抗壓強(qiáng)度，但降低該材料的強(qiáng)度—容重比，竹材原態(tài)多方重組材料強(qiáng)度-容重比比值為0.07和紅松相同，優(yōu)于鋼材的0.054，低于玻璃鋼的強(qiáng)度-容重比（0.20），高于其他類型的常用材料。隨竹材原態(tài)多方重組材料重組單元增加縱向抗壓強(qiáng)度增加，14單元為7單元的2.2倍；竹材原態(tài)多方重組材料的破壞形式主要是膠層撕裂，改