竹材也能做結構材料？組坯結構如何影響竹束層壓板的性能？

文章基本信息

• 標題：組坯結構對竹束單板層壓板物理力學性能的影響

• 作者：張文福、王戈等（國際竹藤網絡中心、黑龍江省林產工業研究所）

• 期刊：《中南林業科技大學學報》2012年02期

• 關鍵詞：竹束單板、層壓板、力學性能、耐水性能、連接性能

研究背景與意義

竹子作為可再生資源，具有生長快、強度高的特點。竹束單板層壓板是一種新型工程材料，通過將竹材加工成松散纖維束，再熱壓成型，可替代傳統木材或金屬用于建筑、家具等領域。然而，傳統順紋層壓板雖然縱向強度高，但橫向連接性能差（如螺栓連接易劈裂），限制了其應用。本文通過改變組坯結構（纖維排列方向），探索如何平衡竹材層壓板的強度與連接可靠性。

實驗方法與關鍵材料

1. 材料與工藝

• 原料：梁山慈竹（3-5年生）、水溶性酚醛樹脂膠。

• 加工流程：竹筒剖分→碾壓成竹束單板→浸膠→干燥→組坯熱壓（熱壓機(CARVER3895)邁可諾）。

• 組坯結構：

• 順紋組坯（0°）：所有層纖維方向一致。

• 縱橫組坯（0°/90°）：相鄰層纖維垂直交叉。

• 交錯組坯（0°/60°/120°）：纖維方向間隔60°排列。

• 性能測試

• 力學性能：靜曲強度、彈性模量、順紋抗壓強度、水平剪切強度。

• 耐水性：63℃浸泡24小時、28小時循環水煮后的吸水膨脹率。

• 連接性能：模擬螺栓連接測試，記錄破壞載荷和破壞形式。

核心研究結果

1. 力學性能：多向鋪裝會降低強度

• 順紋組坯（板材A）：靜曲強度 201 MPa，彈性模量 21 GPa，表現最佳。

• 縱橫組坯（板材B）：靜曲強度下降23%（155 MPa），彈性模量下降25%。

• 交錯組坯（板材C）：靜曲強度僅為順紋的68%（136 MPa）。

• 原因：多向鋪裝導致纖維交叉彎曲甚至斷裂，削弱縱向承載能力。

2. 耐水性能：順紋結構更優

• 順紋組坯：吸水厚度膨脹率低至（6.82%）。

• 多向組坯：膨脹率顯著增加（交錯組坯達20.74%）。

• 原因：多向鋪裝導致內部空隙增多，水分子更易滲入。

3. 連接性能：多向鋪裝優勢明顯

• 順紋組坯：螺栓連接易劈裂，破壞強度 120 MPa。

• 縱橫組坯：破壞強度提升33%（160 MPa），但側材膠層易破壞。

• 交錯組坯：破壞強度最高（182 MPa），螺栓拉斷前結構保持完整。

• 結論：多向鋪裝分散了應力，減少局部劈裂風險，提升連接可靠性。

結論與實用價值

1. 力學與連接的平衡：

• 若追求高強度（如承重結構），優先選擇順紋組坯。

• 若需高連接可靠性（如螺栓連接節點），推薦交錯組坯。

• 竹材的環保優勢：

• 竹材生長周期短（3-5年），碳排放量僅為木材的1/3，是理想的可持續建材。

• 工業應用建議：

• 建筑領域：交錯組坯用于連接部位，順紋組坯用于梁柱主體。

• 家具設計：縱橫組坯兼顧美觀與強度，適合桌面、柜體。

未來研究方向

• 優化組坯結構：例如混合鋪層（外層順紋、內層多向），兼顧表面強度與內部連接性。

• 樹脂改性：開發耐水性更強的膠黏劑，彌補多向鋪裝的吸水缺陷。

• 仿生設計：借鑒竹材天然纖維排列，設計更高效的結構。

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參考文獻：文中引用《竹材人造板工藝學》《木結構試驗方法標準》等7篇文獻，涵蓋材料加工、性能測試標準等。

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