竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响

【目的】研究竹龄及竹秆纵向部位对簕竹Bambusa blumeana材性及纤维性能的影响,为簕竹的开发利用提供理论和实践依据。【方法】通过范式洗涤法、纤维离析与显微观察、碱煮法对竹龄(1、2、3、4 a)和竹秆纵向部位(基部、中部、梢部)的簕竹密度、纤维形态、化学组分、力学性能、纤维束拉伸性能进行性能分析。【结果】随竹龄的增长,簕竹的气干密度、全干密度、木质素质量分数、拉伸强度、顺纹抗剪强度随之增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄为2、3、4 a的簕竹,其竹秆不同纵向部位的平均长度差异极显著(P<0.01)。簕竹的纤维形态受竹秆纵向部位的影响较为明显。簕竹竹秆纵向部位基部至梢部,气干密度、全干密度、木质素质量分数、抗弯强度、顺纹抗剪强度及纤维束拉伸强度和模量均增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄和竹秆纵向部位对半纤维质量分数、苯醇抽提物质量分数的影响不显著。【结论】簕竹纤维性能优良,在纤维化开发利用方面具有较大潜力。簕竹不同竹龄及竹秆纵向部位性能差异显著,其中竹龄为3和4 a的簕材可作为加工开发的优先选取材料。

小径级圆竹顺纹抗压强度及其影响因素

【目的】探究测试小径级圆竹顺纹抗压强度的方法,以及纤维鞘体积分数和维管束分布密度对顺纹抗压强度的影响。【方法】以苦竹Pleioblastus amarus、篌竹Phyllostachys nidularia、水竹Phyllostachys heteroclada和早园竹Phyllostachys propinqua等4种小径级竹材(胸高直径50 mm以下)为研究对象,采用圆竹形式的试件探究小径级竹材的顺纹抗压性能测试方法,测试不同长径比(试件长度与直径的比值)试件对顺纹抗压强度的影响。同时,利用基于YOLO深度学习算法开发竹材维管束检测模型对维管束数量和纤维鞘面积进行测定,以探索其对顺纹抗压强度的影响。【结果】不同长径比试件测试结果并无显著性差异,以数据稳定性为准,则2.0倍长径比试件测试结果较为合理。采用该长径比试件测试,早园竹顺纹抗压强度最大,为82.91 MPa,水竹顺纹抗压强度最小,为67.01 MPa。篌竹纤维鞘组织比量最大,为35.64%,水竹最小,为33.05%。苦竹的维管束分布密度最大,达7.94个·mm^(−2),早园竹最小,为5.77个·mm^(−2)。将不同种竹材作为整体对象的研究表明:纤维鞘体积分数正向影响顺纹抗压强度,而维管束分布密度对顺纹抗压强度的影响较小。【结论】小径级竹材顺纹抗压强度的测试宜采用2.0倍长径比试件,控制试件在(90±30)s内压溃。该试验选用的小径级竹材的顺纹抗压性能较为优异,纤维鞘体积分数(y)与顺纹抗压强度(x)之间存在y=260.44x-18.26线性相关性。

改性方法对竹束纤维及其增强环氧树脂复合材料性能的影响

竹青束纤维(BGF)、竹肉束纤维(BMF)分别取自于竹材的竹青或竹肉部位,其微观结构及力学性能等有所差异,但业界关注甚少。为研究改性方法对两种纤维束性能及其增强树脂复合材料性能的影响,使用碱、碱/γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性处理竹纤维(BGF、BMF)为增强体,制备竹纤维/环氧树脂(BF/EP)复合材料,并通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、接触角、力学性能和扫描电镜(SEM)对竹纤维及复合材料的性能进行表征。结果表明,碱(NaOH溶液)处理时,BGF的拉伸强度在5%NaOH溶液处理时最高,提高了28.2%,BMF在1%NaOH溶液处理时达到最大,提高了30.1%;碱/KH550处理时,BGF、BMF的拉伸强度降低;BF/EP复合材料断面微观形貌表明碱、碱/KH550处理的界面性能提升,且其力学性能相比未改性的显著增强,其中碱处理的BGF/EP、BMF/EP复合材料拉伸强度分别提高了27.8%、15.9%,碱/KH550处理的则分别提高38.0%、21.2%;碱处理后BF/EP复合材料弯曲强度提升较大,改性BGF/EP、BMF/EP较未处理的分别提高14.4%、15.0%。

竹束精细疏解与炭化处理对重组竹性能的影响

以去青留黄的竹片为原料,利用纤维原位可控分离技术,对竹片进行精细化疏解处理,再经浸胶、干燥后,采用热压法制备重组竹,并与普通的本色重组竹、低温炭化重组竹、高温炭化重组竹以及竹基纤维复合材料进行对比。结果表明:高温热处理是提高重组竹的耐水性能和尺寸稳定性的有效方法之一,其缺点是力学性能损失严重,静曲强度损失率达到45%;与高温炭化处理相比,精细疏解加工工艺简单,加工的重组竹力学性能基本不损失,且能更有效地改善重组竹的耐水性能和尺寸稳定性;与普通本色重组竹相比,采用精细化疏解竹束制备的重组竹,其吸水率降低75%,吸水厚度膨胀率降低67%,耐水性能和尺寸稳定性接近竹基纤维复合材料。

云南4种典型材用丛生竹宏观解剖结构与主要物理力学性质的关系

对云南４种典型的材用丛生竹（龙竹Ｄｅｎｄｒｏｃａｌａｍｕｓｇｉｇａｎｔｅｕｓ，甜龙竹Ｄｅｎｄｒｏｃａｌａｍｕｓｂｒａｎｄｉｓｉ，黄竹Ｄｅｎｄｒｏｃａｌａｍｕｓｍｅｍｂｒａｎａｃｅｕｓ，油勒竹Ｂａｍｂｕｓａｌａｐｉｄｅａ）的维管束密度、纤维比量、密度、含水率、干缩率、顺纹抗压强度和弦向抗弯强度的检测结果认为：４种竹材之间和同一竹种内径向、弦向和纵向上的结构和物理力学性质的分布存在着较大的差异。对结构指标与主要物理力学性质之间关系的分析结果认为：纤维比量比维管束密度与竹材物理力学性质的关系更为密切；４种竹材的纤维比量与密度、弦向抗弯强度和顺纹抗压强度呈正比关系，与饱湿含水率呈反比关系。

竹基纤维复合材料纤维化单板的形态研究

对梁山慈竹纤维化单板形态进行了研究。结果表明:节间竹青面和竹黄面、节部竹青面和竹黄面的平均裂隙角度为60°～70°;节间52%的竹青、节部75%的竹青发生脱落;节间竹束平均断面面积1.97mm2,包含4.61个维管束。节部竹束平均断面积1.83mm2,包含4.07个维管束。通过碾压疏解,对原竹进行可控分离,使复合材料制备达到广谱可设计性。

毛竹纤维鞘的拉伸力学性能

以成熟毛竹为研究对象,在显微镜下从竹纤维鞘中成功切割出竹纤维束拉伸试样,并应用微拉伸技术测量其纵向拉伸强度和模量。通过对机械剥离的单根维管束以及竹片小试样进行拉伸对比,获得竹纤维鞘拉伸弹性模量和强度的间接测量值和计算值。结果显示,竹纤维束的拉伸弹性模量和强度平均值分别为42.72 GPa和729.25 MPa,介于竹纤维鞘的间接测量值和计算值之间,并与已有的研究结果也吻合得较好,表明竹纤维束试样的测试结果可以代表竹纤维鞘的整体力学性能。同时,笔者提出了在细观尺度下研究竹子力学特性的关键实验技术。

不同预处理对竹纤维束提取及其结构的影响

采用3种不同的预处理工艺提取获得竹纤维束,利用光学显微镜和X射线衍射法分别比较3种工艺下竹纤维束的微观形态和结晶结构。研究结果表明,低碱处理可分离提取竹纤维束,提取的竹纤维束为黄褐色丝状,直径为100～200μm。微观形态下,竹纤维束横截面呈蜂窝状,纵面呈多根柱形紧密排列状。3种工艺中,10%碱常温处理分离竹纤维最易,分离效果最好,残留基质黏附最少。由竹材经3种工艺提取的竹纤维束,结晶结构未改变,但相对结晶度均较原竹材有所提高。

竹篾层积材的制造新工艺——一种径向竹篾帘层积材

针对竹篾层积材制造工艺存在的不足与问题,采用径向竹篾帘替代弦向竹篾作为构成单元,用中温固化型酚醛树脂胶替代高温固化型酚醛树脂胶,用"热-热"胶合工艺替代"冷-热-冷"胶合工艺,使用特殊设计的弹性厚度规和合理的板坯结构等创新工艺,压制出一种径向竹篾帘层积材.它是竹篾层积材的改进型产品,在性能和用途上完全可以替代现有的竹篾层积材.两者与之相比,径向竹篾帘层积材具有竹材利用率高、热压机产量高、能耗低、产品质量好和成本低的优点.

沤竹产物的性能表征

采用核磁共振碳谱、傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析的方法,结合纺织标准GB/T 5889—1986,定性和定量地分析沤竹产物(简称竹束)的化学成分.通过光学显微镜和X射线衍射研究竹束的形态及结晶构型.通过热重(TG)分析研究竹束的热性能,并与竹子原料及纤维成品进行对比.此外,还研究了竹束对环境湿度的敏感性,包括吸水能力和吸湿放湿特性.研究结果表明,沤制工艺可以有效分解和去除竹子中的黏结物质,分离出竹束.所得竹束主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,各组分质量分数分别为42.25%,35.61%,19.39%,与竹原料各组分质量分数有所不同.该竹束可作为竹纤维生物脱胶工艺中的半成品,为后道机械细化处理或酶处理提供原料基础.

竹材宏观自仿生纤维束的拉伸性能分析

对几种不同仿生螺旋结构竹纤维束的纵向拉伸性能进行测试分析,结果表明:平行均布、单螺旋、双螺旋A、双螺旋B型竹纤维束的拉伸强度分别为11.5、51.7、52.2和56.1 MPa;螺旋结构能够消除纤维束中的强度薄弱点,改善纤维束中各根纤维的结合,同时纤维束各层螺旋角的逐渐变化也有利于拉伸强度的提高。单螺旋、双螺旋A、双螺旋B型竹纤维束的拉伸弹性模量分别为9 659、5 265和4 291 MPa,单螺旋竹纤维束的拉伸弹性模量优于双螺旋竹纤维束。宏观仿生螺旋结构提高了竹束的拉伸强度,却降低了弹性模量。

竹原纤维与竹浆纤维束吸水性能比较

采用基于Whilhelmy原理表面动态接触角测量仪及自制的吸水高度测试装置,以纤维束为试样形态,对比研究了竹原纤维、竹浆纤维、普通粘胶纤维的吸水量、吸水高度与时间的关系。结果表明,与竹浆纤维束、粘胶纤维束相比,竹原纤维束吸水速率快,吸水高度高、吸水量大;竹浆纤维束吸水高度略高于粘胶纤维束,但从吸水量—时间关系看,并没有显示出比粘胶纤维束优越。

云南4种材用丛生竹的组织结构

以维管束密度和纤维比量的检测分析结果为依据，认定云南４种材用丛生竹（龙竹、甜龙竹、黄竹和油勒竹）的结构具较大差异；同一竹种沿竹秆径向和纵向的结构是不均匀的，且径向上的不均匀性远较纵向上的不均匀性为高，但竹材梢部的结构均匀性较其基部的为好．４种竹种的维管束密度与纤维比量的分布规律虽然具有一定的相似性，却没有绝对的正相关关系．上述结果为云南竹材的工业化开发利用提供了一定的基础性依据．

两种竹束地板坯料的结构与工艺比较

通过分析比较两种竹束地板坯料的结构、工艺及其生产成本,认为用竹束帘按奇数层且相邻层互相垂直组坯胶合而成的中竹地板坯料,比用竹束篾全顺纹铺装高压胶合而成的重竹地板坯料具有产品结构合理、工艺先进、性能良好且生产成本低的优点,是一种性价比较高的新产品,将有较好的市场前景。

广西4种丛生竹材解剖特征的对比研究

采用生物解剖学方法,对广西4种丛生竹(撑篙竹、粉单竹、吊丝竹、青皮竹)的主要解剖特征进行了系统研究,以期为优质制浆造纸竹材的合理筛选提供基础数据。研究结果表明,4种丛生竹的维管束形态均属于断腰型,平均纤维组织比量、纤维长度、长宽比和壁腔比分别介于40.2%~46.8%、1.75~3.54mm、117~229、2.50~5.90之间。在竹壁径向上,维管束密度由竹黄向竹青逐渐增大,而双壁厚呈减小的趋势,竹壁径中部的纤维长度、宽度和腔径均为最大。综合来看,4种丛生竹适宜作为制浆造纸原料。其中,撑篙竹的纤维性能与毛竹相近,粉单竹、青皮竹和吊丝竹的纤维性能更优。

竹缠绕复合压力管的研究与开发

在城镇化建设进程不断加快的背景下，管道需求量逐年增加。目前，我国生产传统管道（如水泥管、钢管、塑料管等）使用的原材料为不可再生资源，且生产加工过程存在高能耗、高污染问题，因此，研究开发具有低碳、环保、节能、资源可再生等优势的竹缠绕复合压力管以逐步取代部分传统压力管道对于城镇化发展具有重要的社会意义。竹缠绕复合压力管是一种以竹材作为增强材料、合成树脂作为黏接剂，采用往复式机械缠绕工艺复合而成的具有较强抗压能力的新型生物质管道。本文从原料、成型工艺、管体结构与功能等方面介绍了竹缠绕复合压力管的制备工艺，列举了竹缠绕复合压力管的主要性能，并讨论了竹缠绕复合压力管与传统压力管道在综合性能方面的异同。近年来竹缠绕复合压力管加工工艺和设备日趋成熟，已建立中试生产线；竹缠绕复合压力管在新疆、浙江、黑龙江进行中试应用，取得了良好效果；竹缠绕复合压力管大规模工业化生产线已在湖北襄阳正式投产。本文还从经济效益、生态效益与社会效益等方面对竹缠绕复合压力管的效益进行分析，并与传统压力管道对比讨论。同时，本文就竹缠绕复合压力管的开发与应用提出了存在的问题，对未来的发展方向提出建议：1）纤维原料的处理技术有待提高，性能优异的胶黏剂有待研制，高效率缠绕工艺、自动化缠绕设备有待研发；2）建议增加性能评估指标，摸索环向层积胶合界面表征技术，完善性能评价体系；3）为保证竹缠绕复合压力管产品质量，促进市场规范化，建议制定相关标准及规范。

竹材不同尺度单元纵向拉伸性能研究进展

竹类植物属于禾本科竹亚科,竿形圆锥状、中空、壁厚、多节、高大。竹材具有优良的力学性能,是集高强度、高韧性、高延展性于一体的生物质复合材料;竹材由纤维、薄壁组织以及输导组织细胞所构成,其中纤维细胞起承载作用,竹材的拉伸强度主要由纤维所提供;薄壁组织细胞起运输和存储养分并传递载荷的作用;输导组织细胞主要起运输养分、水分和无机盐且起到一定的应力支撑作用。研究对竹材宏观、组织、细胞和细胞壁不同尺度纵向拉伸性能研究成果进行了综述,分析了不同尺度力学性质存在特征、差异性,以及对工程应用的意义,为竹材多尺度拉伸力学性能进一步研究提供借鉴。

长竹纤维束定向增强聚丙烯复合材料

目的以我国资源丰富的竹子和聚丙烯(PP)作为原料,研究竹材的预处理和成形工艺对其物理力学性能的影响,扩大竹材的应用领域。方法通过碱液预处理,对竹条进行软化分丝。然后,利用热压技术将所提取的竹子与聚丙烯进行复合,并调节热压工艺,得出最优参数。结果使用质量分数为6%的NaOH,在100℃下预处理2.5 h,通过辊压疏解,制备长竹纤维束(LBF),LBF的抗拉强度为397.2 MPa。经过处理后,LBF/PP复合材料的储能模量达到9.49 GPa,比未处理的LBF/PP复合材料提升了11.5%。确定了最优热压条件:温度为190℃、时间为20 min、压力为6 MPa。随着长竹纤维含量的增加,LBF/PP复合材料的耐水性降低。结论使用长竹纤维束所制备的LBF/PP复合材料具有优异的物理力学性能,有望作为结构材料应用于集装箱、托盘等,在包装应用领域有较好的前景。

基于修正剪滞模型的竹纤维/基体界面应力理论

竹维管束鞘中竹纤维/基体界面力学问题对分析竹维管束在微观尺度下的力学行为起着重要作用。本文针对竹纤维排布方式,并结合竹纤维锥形尖端几何特征,提出了适用于对竹维管束鞘做分析的修正剪滞理论模型,推导出了纤维轴向应力及纤维/基体界面位置处剪应力计算公式,在此基础上讨论了竹纤维长径比和纤维锥形尖端对复合材料内部应力分布的影响。分析发现,竹纤维较大长径比和细长锥形尖端可以实现纤维/基体界面间应力的有效传递。