[發明專利]一種高性能“竹鋼”復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202011194517.0
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112356196A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 李元慶;王友勇;付紹云;王向前;黃培
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B27K3/02
• 分類號: B27K3/02;B27K3/32;B27K3/16;B27K5/00;B27K5/04;B27K3/08;B27K3/52;B27M1/02
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本發明公開了一種新型“竹鋼”復合材料的制備方法，屬于竹人造板與竹質工程材料技術領域。本發明通過1)兩步法脫除竹材中的木質素和半纖維素，2)利用冷凍干燥工藝打通竹材內部的孔道結構，3)對所得竹材骨架進行真空浸漬環氧樹脂處理，4)進行熱壓固化以實現竹材的密實化，繼而得到了一種具有高纖維含量的“竹鋼”復合材料。本發明所提供的“竹鋼”材料具有竹材利用率高、力學性能優異、尺寸穩定性高、導熱率低等優點，有望應用于節能建筑、橋梁、交通運輸及航空航天等領域。

技術領域

本發明屬于竹人造板與竹質工程材料技術領域，更具體的說是一種新型高性能“竹鋼” 復合材料的制備方法。

背景技術

隨著全球氣候變暖及環境問題的日益惡化，建設綠色城市、智慧城市的理念不斷深入人 心，迫切需要發展綠色環保的新型高性能工程材料。生物質材料具有天然、可再生、可自然 降解、零碳排放等優勢，近年來發展基于生物質的高性能結構、功能材料日益受到重視。我 國竹材資源豐富，素有“竹子王國”的美譽，竹林也被稱為“第二森林”。相比于木材，竹子具 有成材期短，力學性能好，防霉抑菌等優勢。“以竹代木”及“以竹勝木”是我國竹材加工和利 用的主要目標。我國竹材人造板行業已成規模，包括竹地板、竹墻板、竹家具及竹裝飾材料 等多種產品已市場化，創造了大量的社會效益和經濟效益。

但是天然竹材的力學性能相對較差，難以滿足工程領域對高性能結構材料的需要。例如， 天然竹材的強度低于鋼材、合金等材料，無法用于大型承重結構。此外，竹材存在易吸水、 干縮濕脹、尺寸穩定性低、耐磨性差及硬度小等一系列缺點，也限制了其在工程領域的應用。 天然竹材可以看作以薄壁細胞為基質、維管束為增強相的復合材料。維管束主要由納米纖維 素纖絲構成，其強度高達2～3GPa；人工分離竹纖維的強度仍可達1200～1600MPa，和玻璃 纖維媲美。與此同時，由于竹纖維的密度(1.45g/cm³)比傳統金屬(2.7～8g/cm³)的密度 低很多，其比強度大于高強鋼及部分輕質鈦合金。目前，各類竹基材料的強度、模量和韌性 等力學性能遠低于竹纖維，說明其仍有較大的發展空間。有效發揮竹纖維的力學性能，制備 高性能的竹基復合材料具有廣闊的應用前景。

目前制備高性能竹材及竹基復合材料的方法主要包括如下三類。一、首先利用飽和蒸汽 對竹材處理，然后再對竹材壓縮密實化處理，以提高竹材強度。該方法得到的密實化竹材防 水性能差，在高濕度環境下其尺寸易回彈，通常需要用油脂或樹脂對竹材進行預處理，再熱 壓以改善竹材的尺寸穩定性。此外，竹材中含有大量力學性能較低的木質素，直接密實化竹 材中的竹纖維含量較低，其綜合性能與竹纖維的理論值相比差距巨大。二、首先提取竹纖維， 再與樹脂復合制備竹纖維增強復合材料，但是竹纖維提取過程會破壞竹材的天然結構，且存 在制備過程繁瑣、能耗高等問題，復合材料也存在纖維體積分數低、力學性能不理想的問題。 三、先將竹材加工成竹束纖維簾，再浸漬樹脂制備復合材料，這種方法具有竹材利用率高的 優點，但復合材料中樹脂含量較高，且保留了力學性能較弱的木質素，所以復合板材的力學 性能也不夠理想。因此，亟需發展新型、高性能竹基材料，拓展竹材在航空航天、交通運輸、 橋梁、新型建筑結構材料等領域的應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種高性能“竹鋼”材料的制備方法。本發明所提供的“竹鋼”材料具 有優異的力學性能、耐水性和尺寸穩定性，大大提高了天然竹材的附加值，有助于拓展其在 工程領域的應用。

本發明所提供的“竹鋼”為一種基于竹材的復合材料，具體制備方法如下：

步驟一、竹材選取和預處理：選擇外觀無霉爛、蟲孔、開裂的成熟竹材，加工成3～10mm 厚的竹片。

所述成熟竹材優選毛竹、慈竹、斑竹等品種，也可以是天然木材。

步驟二、竹材的干燥：將步驟一所得竹片置于80～110℃下進行干燥處理，干燥時間為 24～72h。