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竹重组材/OSB复合材料工艺研究与性能预测

杨峰  
【摘要】:竹重组材,是将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料,具有原料利用率高、强度高、材质均匀、加工性能好等优点。十年来,我国以毛竹为主要原料的竹重组材产业发展迅猛,产品逐步应用于建筑、工程、结构等高附加值领域。我国杨木等速生木材资源丰富,是制造胶合板、纤维板和刨花板的优等原料,应用十分广泛。本文提出以竹重组材和OSB(定向刨花板)为复合单元制造竹重组材/OSB复合材料的理念,探讨复合材料的设计、工艺、性能和应用,具有良好的发展前景。在毛竹和重组后竹材的基本物理力学性能基础上,比较了两者在微观构造和性能上的差异,研究了毛竹重组材和杨木OSB结构特性和表面性能,基于产业化前景的考虑,从工艺条件和生产成本两方面,分别对热压和冷压生产过程进行分析,研究适合毛竹重组材和杨木OSB材料特性的胶合工艺以及复合形式对复合材性能的影响。在确定竹重组材与OSB复合工艺的基础上,利用经典层合板理论,分别建立了竹木层合板的弹性模量以及静曲强度的预测模型,编制了基于VB的竹木层合板弯曲性能预测程序。采用有限元方法,对竹木层合板弯曲行为进行分析以及厚度优化设计,得出了基于有限元分析的竹木层合材料弯曲性能的预测方法,并用竹重组材/OSB集装箱底板的实例验证。论文的主要研究结论如下: (1)竹材的纤维体积分数Vy沿径向由青向黄侧梯度减小,重组后竹材内部结构发生变化,靠近髓环侧的韧皮纤维变得致密,大部分区域的Vy值在50%上下,但是临近髓环区域的Vy值维持不变。 (2)炭化处理对于算数平均偏差(Ra)、微观不平度十点高度(Rz)及轮廓最大高度(Rmax)这三种指标的影响均不显著。随着砂纸目数的增大,砂光后竹重组材表面越光滑,算数平均偏差(Ra)、微观不平度十点高度(Rz)及轮廓最大高度(Rmax)值越小。刨切后表面(BS-B)与100目砂纸砂光后的粗糙度(BS-100)比较接近。总的来说,竹重组材纵纹粗糙度参数远小于横纹,同种测量条件下,前者值不到后者的一半。目数越小砂纸砂光处理的竹重组材表面水接触角相对越小。 (3)利用PUR胶冷压制备竹重组材/OSB复合材料,较优的工艺参数为时间1.5min/mm;单面涂胶量200g/m2;压力1.2MPa。 (4)对于竹重组材/OSB复合材料,适当增加竹质材料厚度或者纵横组坯,可使复合材整体获得更高的刚度值。铺层方向的变化(纵横组坯),可以改善复合材的尺寸稳定性。对于给定厚度的竹重组材,增加层数并不显著地影响复合材整体的强度值和刚度值。背衬无纺布(纸)可明显降低复合材的尺寸稳定性。 (5)在最终产品性能方面,与竹重组材复合,可显著地提升OSB的抗弯性能。位于表层的竹材很好地避免了应力集中引起的结构破坏,验证了三层夹层结构(强-弱-强)是一种合理的结构组合。有限元模型可以较精确地预测层合板弹性区域内的刚度值,且三维模型比二维模型更为精确;但对于强度预测来说,更精准的预测需要进一步改善模型。 (6)利用Altair Optistruct结构分析和优化工具,优化后的厚度能满足工程应用的安全需要,该优化方法在工程实际中验证是可行的。对于竹重组材/木质定向刨花板/竹重组材三层结构的层合板类人造板而言,采用优化后的铺层结构对比由传统公式计算出的铺层结构,在木质材料不变的情况下,竹材使用量节省三分之一。


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