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？

更新時(shí)間：2025-02-11 點(diǎn)擊次數(shù)：139

文章基本信息

標(biāo)題：組坯結(jié)構(gòu)對(duì)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(guó)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(bào)》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(zhǎng)快、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。竹束單板層壓板是一種新型工程材料，通過(guò)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)度與連接可靠性。

實(shí)驗(yàn)方法與關(guān)鍵材料

材料與工藝

原料：梁山慈竹（3-5年生）、水溶性酚醛樹(shù)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(jī)(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(cuò)組坯（0°/60°/120°）：纖維方向間隔60°排列。

性能測(cè)試

力學(xué)性能：靜曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、水平剪切強(qiáng)度。
耐水性：63℃浸泡24小時(shí)、28小時(shí)循環(huán)水煮后的吸水膨脹率。
連接性能：模擬螺栓連接測(cè)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(huì)降低強(qiáng)度

順紋組坯（板材A）：靜曲強(qiáng)度 201 MPa，彈性模量 21 GPa，表現(xiàn)最佳。
縱橫組坯（板材B）：靜曲強(qiáng)度下降23%（155 MPa），彈性模量下降25%。
交錯(cuò)組坯（板材C）：靜曲強(qiáng)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(cuò)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(shì)明顯

順紋組坯：螺栓連接易劈裂，破壞強(qiáng)度 120 MPa。
縱橫組坯：破壞強(qiáng)度提升33%（160 MPa），但側(cè)材膠層易破壞。
交錯(cuò)組坯：破壞強(qiáng)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(xiǎn)，提升連接可靠性。

結(jié)論與實(shí)用價(jià)值

力學(xué)與連接的平衡：

若追求高強(qiáng)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(diǎn)），推薦交錯(cuò)組坯。

竹材的環(huán)保優(yōu)勢(shì)：

竹材生長(zhǎng)周期短（3-5年），碳排放量?jī)H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(cuò)組坯用于連接部位，順紋組坯用于梁柱主體。
家具設(shè)計(jì)：縱橫組坯兼顧美觀與強(qiáng)度，適合桌面、柜體。

未來(lái)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(qiáng)度與內(nèi)部連接性。
樹(shù)脂改性：開(kāi)發(fā)耐水性更強(qiáng)的膠黏劑，彌補(bǔ)多向鋪裝的吸水缺陷。
仿生設(shè)計(jì)：借鑒竹材天然纖維排列，設(shè)計(jì)更高效的結(jié)構(gòu)。

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

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