新型纤维化单板高性能木质重组材料制造工艺研究进展

简述了木质重组材料的起源与发展,主要对我国提出的新型纤维化单板高性能木质重组材料制造工艺具体环节的研究进展进行了综述。在原始木材碾压疏解阶段,随着疏解度的提高,木质重组材料的物理力学性能也随之增强。在纤维化单板改性阶段,改性处理提高了木质重组材料的防火、防霉性能,赋予了木质重组材料多功能性。总结了不同树种在浸胶阶段,浸胶方法和浸胶量对木质重组材料力学强度和功能性的差异。分析了组坯阶段的组坯方式和设备对木质重组材料强度及尺寸稳定性的影响。归纳了压制阶段中热压法和冷压热固化法两种压制方式各自的优势与不足。最终围绕木质重组材料的缺陷和现有的木质材料高附加值利用案例,针对提高木质重组材料的强度以及拓宽其应用提出了一些新设想。

密度对桉树纤维化单板重组木性能的影响

为了探索利用桉树纤维化单板制造重组木的可行性,首先将桉树木材旋切成4mm厚的单板,再通过纤维可控分离技术进行疏解,经浸胶干燥后,采用冷压热固化法制备重组木,探讨重组木密度对其耐水性能和力学性能的影响。结果表明:随着密度由0.85g/cm3增加至1.20g/cm3,桉树重组木的耐水性能和力学性能均得到改善,达到或超过桉树实木和桉树单板层积材的性能。

浸胶竹纤维化单板干燥温度对竹基纤维复合材料性能的影响

以慈竹为试材,探讨浸胶竹纤维化单板的干燥温度对竹基纤维复合材料性能的影响。结果表明:随着干燥温度由70℃升至90℃,复合材料的抗弯强度、弯曲模量和垂直加载水平剪切强度呈现先上升、后下降的趋势,平行加载水平剪切强度和耐水性能逐渐下降。综合考虑板材性能和生产效率,建议工业化生产中的干燥温度设为80℃。

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。

新型纤维化单板重组木的主要制备工艺与关键设备

总结传统重组木的产业化发展历程和技术难题,提出先制备单板、再疏解纤维化单板、后重组的技术方案,介绍冷压热固化法和热压法制备新型纤维化单板重组木的主要工艺和关键设备。新型纤维化单板重组木突破了传统重组木采用原木直接碾压疏解制备木束的思路,解决了重组木产业化的技术瓶颈,为其产业化提供了一套可行的技术方案。

疏解纤维化慈竹单板的性能

以疏解3～8次的慈竹纤维化竹单板为材料,对其吸水率、吸胶率和吸附性能进行测试,并形成了纤维化竹单板微创处理后的三维图像。结果表明:纤维化竹单板的吸水率、吸胶率、孔径、孔容和比表面积最高分别可达到87.08%、75.56%、467.298 nm、0.000 172 cm3/g和0.015 1 m2/g,各项性能随着疏解次数的增加而增加;疏解对材料的损伤深度为284μm,裂隙宽度在30～300μm,可达到破坏竹青的目的。

热处理对纤维化竹单板表面性能和微力学性能的影响

以炭化炉处理的毛竹纤维化单板为原料,系统地研究了不同热处理温度对纤维化竹单板的表面性能和微力学性能影响。结果显示,随着热处理温度的升高,纤维化竹单板的质量损失率增加,表面颜色加深,p H值和缓冲容量降低。热处理后纤维化竹单板的半纤维素降解,导致其综纤维素和α-纤维素质量分数分别降低了20.15%、35.94%,冷、热水抽提物和木质素相对质量分数分别增加了20.15%、27.39%和43.56%。傅立叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析结果进一步证明了半纤维素发生降解,多糖质量分数降低,木质素相对质量分数增加。微力学性能测试结果显示,热处理后纤维细胞和薄壁细胞的细胞壁弹性模量变化不显著,薄壁细胞的硬度增加了48.84%,使材料的硬度显著增加。

室外地板用竹基纤维复合材料制备技术

以酚醛树脂为胶黏剂,以毛竹和慈竹为原料,在不去竹青和竹黄的条件下,采用点裂和线裂纤维分离技术,将半圆竹筒疏解形成由竹纤维束交织而成的网状结构纤维化竹单板,经过热处理、浸胶、热压等工序制造本色和炭化色室外地板用竹基纤维复合材料,并与室外地板用重组竹的性能进行对比。结果表明:竹基纤维复合材料性能优于重组竹,慈竹竹基纤维复合材料的性能优于毛竹;热处理对吸水厚度膨胀率、防腐和防霉等性能具有改善作用,对水平剪切强度具有不利影响;采用纤维化单板,改变了传统重组竹的束状元结构,提高了竹材的利用率和生产效率,可促进竹材产业升级尤其是丛生竹的工业化利用。

集装箱底板用竹基纤维复合制造技术

以毛竹和绿竹为原料,酚醛树脂为胶黏剂,采用点裂和线裂纤维分离技术,将半圆竹筒分离形成由竹纤维束组成的网状结构的纤维化单板,经过工艺和结构设计,制造竹基纤维复合集装箱底板,并与传统阿必通、竹木和竹篾全竹集装箱底板的性能进行对比分析。结果表明:在不去竹青和竹黄的条件下,采用合理的结构和工艺制造的竹基纤维复合材料,性能达到或超过GB/T19536-2004《集装箱底板用胶合板》标准规定的各项指标要求,其综合性能超过传统阿必通、竹木和竹篾全竹集装箱底板。采用纤维化单板,可改变传统竹条和竹篾的单元结构,既简化加工过程,提高竹材的利用率和生产效率,竹材一次利用率达到90%以上,竹基纤维复合集装箱底板是一种新型的高效利用的集装箱底板。

室内地板用竹基纤维复合材料的研制与应用

以酚醛树脂为胶黏剂,以毛竹和慈竹为原料,在不去竹青和竹黄的条件下,采用点裂和线裂纤维分离技术,将半圆竹筒疏解形成由竹纤维束交织而成的网状结构纤维化竹单板后,用冷压热固化法制造本色和炭化色竹基纤维复合材料,再加工成地板,并与重组竹进行对比,结果表明:竹基纤维复合材料性能高于重组竹;慈竹竹基纤维复合材料的性能优于毛竹;炭化处理对耐水性和刚度具有改善作用,对胶合强度和静曲强度具有不利影响;用竹基纤维复合制造的室内地板各项理化性能均达到或超过了《重组竹地板》标准规定的性能指标要求。

基于响应面法与NSGA-Ⅱ的重组竹翻转夹爪优化设计

目的 解决纤维竹单板翻面问题,同时保证竹单板的完整性及夹爪的轻量化。方法 设计一款专用翻转机械手,将重组竹翻转夹爪作为研究对象,提出一种基于响应面法与NSGA-Ⅱ相结合的优化设计方法;建立夹爪模型,进行有限元分析并进行优化实验方案的设计,优化中将夹爪质量和最大变形量设定为目标,其许用应力设定为约束,对其进行多目标优化,得到Pareto最优解集。结果 对重组竹翻转夹爪进行优化设计,优化后单个夹爪的质量减少了11.19%,达到了轻量化目的。结论 优化改进后的重组竹翻转夹爪能够在保证其工作可靠的情况下,实现重组竹翻转夹爪的轻量化,同时减小对竹单板造成的破损,为纤维化竹单板集装箱底板包装的规模化发展提供一定基础。

热处理对竹基纤维复合材料性能的影响

毛竹竹材的纤维化单板经高温处理后,热压制备成竹基纤维复合材料(BFC)。分析热处理对纤维化竹单板化学性能的影响及热处理对BFC表面颜色、尺寸稳定性、力学性能的影响。结果表明:纤维化竹单板经热处理后,其综纤维素和α-纤维素的含量相对于未处理材显著降低,其中半纤维素含量降幅最大;热处理后竹材的pH值相对于未处理材显著降低,碱缓冲容量显著增大,而酸缓冲容量降低。由纤维化竹单板经热处理后制备的BFC,表面颜色变深,吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率相对于未处理材显著降低,尺寸稳定性得到改善;材料的静曲强度和水平剪切强度相对于未处理材显著降低,且随着蒸汽压力的增大和热处理时间的增长呈逐渐降低的趋势,而弹性模量变化不显著。

竹基纤维复合材料的染色介质及温度对其性能的影响

以毛竹为原料,在不同染色工艺条件下,研究纤维化竹单板的上染效果以及染色单板制备的竹基纤维复合材料的性能。结果表明:75℃乙醇分散介质染色与90℃水分散介质染色单板的上染色泽,均优于常温水分散介质染色;75℃乙醇染色制备的竹基纤维复合材料的色泽最佳,常温水染色时,制备材料的物理力学性能最优。综合考虑竹基纤维复合材料的表观色泽和性能,推荐使用75℃乙醇溶剂作为介质的染色工艺。

热处理对竹基纤维复合材料性能的影响

为拓展竹基纤维复合材料的应用领域,对慈竹纤维化单板进行热处理,探讨蒸汽压力和热处理时间对竹基纤维复合材料性能的影响。结果表明:经过热处理,竹基纤维复合材料的尺寸稳定性改善;随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长,材料的静曲强度和水平剪切强度显著降低,弹性模量则呈现先增后减的趋势。在保证材料性能的前提下,建议根据产品需求来选择适宜的热处理工艺。

中等密度木材制备高性能重组木的适应性

以中等密度木材刺槐和桉树为原料,利用纤维可控分离技术,将6~7厚单板制备成纤维化木单板,经过浸胶、干燥、热压,制备重组木,探讨中等密度木材制备重组木的工艺特点和产品性能。结果表明,2种木材均适合制备高密度重组木;当密度为1.10 g/cm^3时,2种木材重组木的力学性能是其木材的1.5~2.0倍,MOR、MOE和HSS均高于GB/T 20241-2006《单板层积材》最高指标值要求,且刺槐重组木的力学性能与耐水性能更优。

速生轻质木材制备高性能重组木的适应性研究

以低密度泡桐、杨树和柳树三种速生轻质木材为原料,利用纤维可控分离技术,将6~7 mm厚单板制备成纤维化单板,经过浸胶、干燥、热压制备重组木,探讨三种木材制备重组木的工艺特点和产品性能。结果表明,三种木材均适合用于制备高性能重组木;在重组木与木材密度之比约2.5时,泡桐重组木的吸水厚度膨胀率最低,杨木重组木的抗弯性能最好,柳木重组木的水平剪切强度最高。

重组竹新技术和新产品开发研究进展

本文回顾了我国重组竹技术的发展历程,重点介绍了重组竹的第二代产品——竹基纤维复合材料制造的关键技术,建成了竹基纤维复合材料制造技术平台,成功地开发了风电桨叶用材、园林景观、建筑结构材、包装运输材、室内高端装潢装饰等领域用的多种竹基纤维复合材料,并实现了产业化。该技术不仅使毛竹等大径级竹材的一次利用率达到90%以上,而且使丛生竹、小径级毛竹及其他散生杂竹等未能工业化利用的竹材得到高效利用。