竹材纏繞復(fù)合材料推廣應(yīng)用中的耐久性問題

摘 要：竹材纏繞是一種應(yīng)用加工技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的竹材平面層熱壓技術(shù)，也有助于拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，是高分子材料的抗老化、抗生物變質(zhì)和老化機理等材料的延續(xù)。作為一種生物質(zhì)樹脂雜化材料，其耐久性研究除了木材、聚合物基材（如纖維增強材料）的耐久性評價方法之外，還可以引入耐久性研究方法。基于此，本文主要針對竹材纏繞復(fù)合材料推廣應(yīng)用中的耐久性問題進行分析。

關(guān)鍵詞：竹材纏繞;復(fù)合材料;推廣;應(yīng)用;耐久性

一、竹材纏繞復(fù)合材料概述

竹材纏繞是適合竹子的加工技術(shù)，有利于突破以往的竹平面層壓技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。與木材相比，竹子的最大特點是高抗拉強度（人工林木的2倍）、良好的韌性、薄而中空的竹壁、橫向結(jié)締組織少、非常薄的竹條、容易分解。這些竹單元材料是伸縮性、柔軟性、彎曲延性良好、卷曲加工優(yōu)良的單位材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)二維平坦的竹制品的制造，還能夠?qū)⒅裰破窋U大為立體的特殊形狀，促進竹產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、變形升級，使大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的實現(xiàn)變得更加容易。

近年來，用竹材纏繞、編織、曲面層壓等制作的特殊竹制品陸續(xù)登場。其中，竹卷復(fù)合壓力管具有代表性。從歷史角度來看，我國處于城市化和新農(nóng)村建設(shè)階段，對水保護、油田、農(nóng)田灌溉、建設(shè)管道有著巨大的需求，而水泥管道、鋼管、玻璃纖維管道、塑料管道等傳統(tǒng)管道使用的原材料都是可再生資源，在處理工程中存在高能耗和高污染的問題。

在中國豐富的竹資源的基礎(chǔ)上，以及在成熟的纖維纏繞加工技術(shù)所觸發(fā)的優(yōu)良縱向拉伸特性和竹的優(yōu)良柔軟性的基礎(chǔ)上，浙江新進省竹基復(fù)合材料技術(shù)有限公司和國際竹與藤中心聯(lián)合開發(fā)出新的生物基復(fù)合纏繞管纏繞復(fù)合壓力管道，以完全打破中國竹資源優(yōu)勢為目標，突破傳統(tǒng)平壓工藝，將部分傳統(tǒng)壓力管道換成輕、高強度、環(huán)保的壓力管道，提高可再生資源的利用效率和經(jīng)濟性，這可以打開減少排放量的新方法。

二、竹材纏繞復(fù)合材料特性及技術(shù)指標

（一）竹材纏繞復(fù)合材料特性

中國是世界上竹資源最豐富的國家，在建筑物和管線等相關(guān)領(lǐng)域使用竹材有著悠久的歷史，在貴州、云南、少數(shù)民族生活密集的其他地區(qū)，竹子的構(gòu)造是主要的建筑形態(tài)，例如，世界著名的錢南省和錢東南省保存著“數(shù)千苗村”。由于現(xiàn)代旅游的發(fā)展和現(xiàn)代建設(shè)技術(shù)的合作，中國式的平屋頂住宅和鑄造鋼筋混凝土梁和板“竹建筑”出現(xiàn)在云南省西雙版納大族自治州。竹材在古代的應(yīng)用，更是一種實踐勘探和體驗的應(yīng)用，但隨著科學(xué)技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，人們采用現(xiàn)代科學(xué)手段來驗證竹材在建筑相關(guān)領(lǐng)域的適用性。

同時，竹子還具有短生產(chǎn)周期（3～5年）、高碳隔離效率、平易近人等資源優(yōu)勢和環(huán)境優(yōu)勢。 竹林結(jié)構(gòu)的使用和通過竹管運輸國內(nèi)和生產(chǎn)水在中國南部是非常普遍的，其中大多數(shù)使用壽命和耐久性都很長，但缺乏科學(xué)理論數(shù)據(jù)，不用說相關(guān)標準的支持，不同項目的設(shè)計師和技術(shù)人員都害怕使用竹材。

（二）竹材纏繞復(fù)合材料技術(shù)指標

竹卷復(fù)合壓力管是用竹帶和浸漬了竹束纖維的熱硬化性樹脂粘接劑制作，根據(jù)卷繞成形技術(shù)，具有核心模具和死亡特定的軸承壓力的管成形制品的一種。它基本上是竹纖維增強熱固性樹脂復(fù)合材料的一種，因此，竹卷復(fù)合材料的耐久性受到很多因素的影響。

首先，竹子作為竹卷復(fù)合材料的加強階段，是由于干燥收縮和濕潤的長度方向的直徑小，具有大的弦狀變動的各向異性材料。濕性變化、溫度變化、凍融循環(huán)等環(huán)境變化會引起材料的膨脹或收縮，導(dǎo)致內(nèi)部或界面的裂紋擴大，以及長期作用后的材料損傷。同時，竹子也是由對霉菌和霉菌脆弱、復(fù)雜、分布不均勻的各種高分子聚合物構(gòu)成的有機物質(zhì)。 腐爛的霉菌是生物學(xué)代謝的過程。 微生物對糖、脂質(zhì)、含氮有機物等有機物的分解會給竹材的耐久性帶來不良影響，比如，吃昆蟲也會威脅竹材的品質(zhì)。

竹材在生長過程中有內(nèi)外缺陷，其收獲、運輸和貯藏也主要涉及傷痕、變形、裂縫（隨溫度和濕度變化而出現(xiàn)的纖維組織滑動）、光澤、霉菌和腐爛、蛾子（表皮蠕蟲溝深度為≥1cm，大小蠕蟲眼直徑為≥3mm ）及 與竹子建筑材料相比，竹管埋在地下，受到更重、更復(fù)雜耐久性問題的影響。

三、竹材纏繞復(fù)合材料推廣應(yīng)用中的耐久性研究

探索2000年以后有關(guān)竹材纏繞復(fù)合材料推廣應(yīng)用的文獻，其中發(fā)現(xiàn)了主要著眼于玻璃纖維創(chuàng)管的研究，幾乎沒有關(guān)于竹材，特別是竹卷材料的相關(guān)文獻。在諸多學(xué)者在研究新產(chǎn)品時，為了預(yù)測推定材料和產(chǎn)品的壽命，我們希望始終找到在短時間內(nèi)獲得經(jīng)過和故障后的實驗數(shù)據(jù)的加速方法，竹材耐久性的研究主要是竹子抗老化性能和抗生物學(xué)老化性能研究周期長，由于竹子抗老化和自然條件下抗老化的復(fù)雜老化機制，因此研究進展緩慢。近年來，隨著研究的繼續(xù)，隨著更多領(lǐng)域的整合和新技術(shù)的出現(xiàn)，竹老化性能和抗生物學(xué)劣化性能試驗的研究開發(fā)正在進行。

對于竹類熱固性樹脂復(fù)合材料的耐久性而言，抗老化性能的研究主要伴隨著抗老化和防濕熱老化，而抗生物學(xué)降解性能主要研究抗霉菌、防腐和抗白蟻的性能，其中復(fù)合材料的加固單元主要包括熔化的竹束和竹粉，竹粉具有最小的容積，可以用更好的復(fù)合材料樹脂包裹，因此暴露于外部環(huán)境的概率小，但界面區(qū)域比其他兩種材料大，會受到內(nèi)部或界面的龜裂或收縮而引起影響。

有些學(xué)者評價其耐用性，結(jié)果表明密度與竹子的穩(wěn)定性相關(guān)。一旦竹子加速老化后，板子的特性就會大幅度的減少。主要是由于樹木潤滑脂的存在，特別是用酚醛樹脂制備的熱處理重組竹復(fù)合材料耐腐蝕性強。但是，一般來說，這種符合材料在霉菌，特別是曲霉菌和藍色中阻礙能力低，如果溫度和濕度適合，可以在室外用，而重組竹子對霉菌簡單，會導(dǎo)致重組竹子表面顏色的巨大變化，嚴重影響材料的室外應(yīng)用。由于陽光、水分、氧的復(fù)合效果和多種影響，竹類復(fù)合材料的耐久性評價很復(fù)雜，通常情況下紫外線是竹類復(fù)合材料光分解和物質(zhì)性質(zhì)變化的主要原因。

此外，由于木材材料包含能夠容易吸收紫外線的多個氯仿基和芳香族結(jié)構(gòu)，而木質(zhì)素上的二元醇羥基、羧基、芳香族和酚基在紫外線的作用下容易形成自由基，自由基的連續(xù)產(chǎn)生導(dǎo)致木材材料表面上的木質(zhì)素的選擇性光分解，留下難以光分解的纖維素和半纖維素，從而導(dǎo)致材料表面上的纖維素剝離，降低表面涂層的粘合性，并且變得容易剝離。

四、結(jié)語：

像原始的竹子或平坦的推入的竹基的木基的面板那樣，如果復(fù)合材料用于建筑物和管線等相關(guān)領(lǐng)域，耐久性問題不可避免。但目前由于新素材和新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，在研究過程中使用年限是最令人擔(dān)心的課題?？梢哉f，缺乏基本耐久性數(shù)據(jù)是竹結(jié)構(gòu)材料不被廣泛使用的重要原因之一。

因此，竹子作為由具有復(fù)雜且不均勻分布的各種高分子聚合物構(gòu)成的有機物，其耐久性受到多個復(fù)雜因子的影響。一方面，對抗老化、抗生物學(xué)劣化、老化機理進行綜合系統(tǒng)的研究，得到能夠承受試驗、引導(dǎo)工學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)是必要的;另一方面，作為生物量樹脂混合材料，竹繞線材料的耐久性研究不僅從木材耐久性評價方法中吸取教訓(xùn)，還介紹了高分子系材料（纖維強化材料等）的耐久性研究方法。

參考文獻：

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[2]張麗輝， 郭麗萍， 孫偉. 超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進展，存在問題及展望[C]// 中國混凝土與水泥制品協(xié)會纖維混凝土工程材料2012高峰論壇. 2017.

[3]張麗輝， 孫偉， 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京市江寧區(qū)，中國， et al. 超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進展、存在問題及展望[J]. 中國混凝土與水泥制品協(xié)會纖維混凝土工程材料2012高峰論壇， 2018.

作者簡介：

張林（1986.05—），男，漢族，山東省濱州市惠民縣人，碩士研究生學(xué)歷，中級工程師，研究方向：金屬材料/機械。