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热处理对竹基纤维复合材料性能影响的研究

张亚梅  
【摘要】:竹基纤维复合材料是以纤维化竹单板为基本构成单元,按顺纹理方向经热(冷)压胶合而成。在此项技术中,大径级的毛竹和小径级的杂竹都能得到应用,并使得竹材的一次利用率提高到了90%以上。竹基纤维复合材料具有广谱可设计性,既可以用作制造高强度的风电叶片材料、船舶甲板、集装箱底板以及建筑支撑木等工程材料,又可以用作室内装饰装潢材料、高耐候性室外材料等,具有广阔的应用前景。近年来,随着人们对不同色泽竹制品的需求的日益增长,竹材的热处理在我国竹材加工企业已经得到了广泛的应用,并且室内、外用竹基纤维复合材料的需求也与日俱增。开展热处理对竹基纤维复合材料性能影响的研究,对于扩展竹基纤维复合材料的应用领域具有极大的推进作用,对提升我国竹基纤维复合材料行业的整体竞争力、推广室内外用竹基纤维复合材料产品及提高其附加值具有重要意义。 本论文主要以毛竹(Phyllostachys pubescens)、慈竹(Neosinocalamus affinis)、红壳竹(Phyllostachys iridescens)三种竹材为研究对象,以压力蒸汽为介质,采用不同蒸汽压力(0.35MPa、0.40MPa和0.45MPa)和时间(110min、140min和170min)对纤维化竹单板进行热处理后,以浸渍型酚醛树脂为胶黏剂制备竹基纤维复合材料。研究了热处理对纤维化竹单板形态及细胞壁的影响;用化学分析方法和仪器分析方法研究了热处理对纤维化竹单板的化学性能的影响;研究了纤维化竹单板的热处理对竹基纤维复合材料的制备工艺的影响以及对竹基纤维复合材料的物理力学性能的影响。主要研究结论如下: (1)三种竹材的纤维化竹单板经热处理后,单板的形态并未发生显著变化,但是由于高温处理后的竹材,脆性较大,其竹黄面的蜡质层脱落现象比未处理材高,而竹青面的硅质层脱落程度受到的影响不大。薄壁细胞内的淀粉颗粒在未处理之前,非常多而且颗粒很大;经过热处理之后,其细胞壁内部的淀粉颗粒明显减少,而且颗粒变小。通过扫描电镜观察三种竹材的纤维化竹单板经热处理后的细胞壁的变化情况,并未发现细胞壁的明显变化。 (2)三种未处理竹材相比,慈竹的综纤维素和α-纤维素的含量最大,而毛竹和红壳竹的综纤维素和α-纤维素的含量差异不显著。纤维化竹单板经热处理后,毛竹和慈竹的综纤维素和α-纤维素的含量与未处理材相比都显著降低;红壳竹的综纤维素含量相对于未处理材显著下降,而α-纤维素的含量则相对于未处理材有升高的趋势。不同竹种的竹材的结构差异将引起化学成分含量的不同,而热处理对不同竹种的影响也有所不同。 相对于综纤维素和α-纤维素的含量而言,经热处理后三种竹材半纤维素含量的降低幅度最大。半纤维素的含量随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长而逐渐降低。 三种竹材的纤维化竹单板经热处理后,其冷、热水抽提物的含量相对于未处理材都显著升高,慈竹纤维化竹单板经热处理后抽提物的含量升高幅度最大,毛竹次之,红壳竹抽提物的含量升高幅度最小。pH值相对于未处理材显著下降,慈竹下降幅度最大,在热处理条件之间,蒸汽压力和热处理时间对pH值的影响不显著。 热处理后的三种竹材的总缓冲容量相对于未处理材都显著升高。随着热处理时间的延长,毛竹总缓冲容量呈逐渐升高趋势,慈竹总缓冲容量呈逐渐降低趋势,而红壳竹总缓冲容量呈先增后减的趋势;随着蒸汽压力的增大,毛竹和红壳竹的总缓冲容量呈逐渐升高趋势,而慈竹总缓冲容量呈先升高后降低的趋势。 (3)而纤维化竹单板经热处理后,压制板材的过程中,在相同的压力(4.5MPa)条件下,压机的闭合时间显著降低。 通过扫描电镜观察竹基纤维复合材料,可知愈靠近竹青侧,薄壁细胞、导管的压缩程度较小,而愈靠近竹黄侧,薄壁细胞、导管的压缩程度愈大。相对于未处理纤维化竹单板制备的竹基纤维复合材料,热处理后的纤维化竹单板制备的竹基纤维复合材料的压缩程度要更大些。 (4)毛竹、慈竹、红壳竹三种竹材的纤维化竹单板经过热处理后,相对于未处理材其明度都显著降低,红绿轴色度指数a*显著升高,黄蓝轴色度指数b*显著降低。且总色差随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长而逐渐增大。不同竹种间由于化学成分的差异,在同样的热处理条件下,不同竹材的颜色变化程度不同。 (5)纤维化竹单板热处理后,制备的竹基纤维复合材料的颜色显著变深,变为红棕色,总色差随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长而逐渐增大。 未处理的纤维化竹单板制备的竹基纤维复合材料的颜色变化,主要是由竹基纤维复合材料的基体材料—酚醛树脂胶黏剂的颜色引起的。而经热处理的纤维化竹单板制备的竹基纤维复合材料的颜色变化,受酚醛树脂胶黏剂的影响的只有明度,红绿轴色度指数和黄蓝轴色度指数受其影响影响较小。经热压后,竹基纤维复合材料表面的颜色相对于施胶后纤维化竹单板表面的明度显著升高,而红绿轴色度指数和黄蓝轴色度指数相对于施胶后纤维化竹单板的色度指数变化不显著。 (6)热处理后,三种竹材的竹基纤维复合材料的吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率相对于未处理材都显著降低。这与其增强材料-纤维化竹单板在高温处理下半纤维素发生降解有关。 (7)通过分析三种竹材的竹基纤维复合材料的力学性能可知,毛竹、慈竹、红壳竹三种竹材的竹基纤维复合材料的静曲强度,随着纤维化竹单板热处理时间的延长和蒸汽压力的增大而逐渐降低。 毛竹竹基纤维复合材料的弹性模量(MOE)值,热处理前后相比变化不显著。慈竹竹基纤维复合材料的MOE值,在0.40MPa热处理110min~170min时相对于未处理材显著升高;当热处理时间一定时,在0.35MPa~0.45MPa热处理时,MOE值呈现先升高后降低的趋势。红壳竹竹基纤维复合材料的MOE值经热处理后,相对于未处理材显著升高,但在不同的热处理条件之间,MOE变化不显著。 毛竹竹基纤维复合材料的水平剪切强度,随着纤维化竹单板热处理时间的延长和蒸汽压力的增大而逐渐降低。慈竹和红壳竹竹基纤维复合材料的水平剪切强度在热处理后呈现升高的趋势,尤其是红壳竹,其材料的水平剪切强度经热处理后显著升高,只有在0.45MPa热处理后相对于未处理材显著降低。


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