竹材也能做結(jié)構(gòu)材料？組坯結(jié)構(gòu)如何影響竹束層壓板的性能？

文章基本信息

• 標(biāo)題：組坯結(jié)構(gòu)對竹束單板層壓板物理力學(xué)性能的影響

• 作者：張文福、王戈等（國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心、黑龍江省林產(chǎn)工業(yè)研究所）

• 期刊：《中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報》2012年02期

• 關(guān)鍵詞：竹束單板、層壓板、力學(xué)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(tǒng)木材或金屬用于建筑、家具等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)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(yīng)用。本文通過改變組坯結(jié)構(gòu)（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(guān)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(jié)構(gòu)：

• 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(xué)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(huán)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(jié)果

1. 力學(xué)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(xiàn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)更優(yōu)

• 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(dá)20.74%）。

• 原因：多向鋪裝導(dǎo)致內(nèi)部空隙增多，水分子更易滲入。

3. 連接性能：多向鋪裝優(yōu)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(cè)材膠層易破壞。

• 交錯組坯：破壞強度最高（182 MPa），螺栓拉斷前結(jié)構(gòu)保持完整。

• 結(jié)論：多向鋪裝分散了應(yīng)力，減少局部劈裂風(fēng)險，提升連接可靠性。

結(jié)論與實用價值

1. 力學(xué)與連接的平衡：

• 若追求高強度（如承重結(jié)構(gòu)），優(yōu)先選擇順紋組坯。

• 若需高連接可靠性（如螺栓連接節(jié)點），推薦交錯組坯。

• 竹材的環(huán)保優(yōu)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(xù)建材。

• 工業(yè)應(yīng)用建議：

• 建筑領(lǐng)域：交錯組坯用于連接部位，順紋組坯用于梁柱主體。

• 家具設(shè)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(yōu)化組坯結(jié)構(gòu)：例如混合鋪層（外層順紋、內(nèi)層多向），兼顧表面強度與內(nèi)部連接性。

• 樹脂改性：開發(fā)耐水性更強的膠黏劑，彌補多向鋪裝的吸水缺陷。

• 仿生設(shè)計：借鑒竹材天然纖維排列，設(shè)計更高效的結(jié)構(gòu)。

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參考文獻：文中引用《竹材人造板工藝學(xué)》《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》等7篇文獻，涵蓋材料加工、性能測試標(biāo)準(zhǔn)等。

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