一種空心竹基纖維復合結構材及其制造方法

專利名稱：一種空心竹基纖維復合結構材及其制造方法
一種空心竹基纖維復合結構材及其制造方法技術領域
本發明屬于人造板行業中的人造板及其制造技術領域，尤其適用于力學性能要求高，規格尺寸大的梁、柱、家具和地板等建筑和工程結構材。
背景技術：
竹基纖維復合材料是將竹材經過疏解形成纖維化竹單板后，經過干燥、浸膠、再干燥、組坯和膠合等工序加工而成的一種新型建筑和工程結構材。這種材料的靜曲強度可以達到350MPa以上，拉伸強度可以達到360MPa以上，壓縮強度可以達到140MPa以上，彈性模量可以達到27GPa[于文吉.我國高性能竹基纖維復合材料的研究進展[J].木材工業，2011,25(1):6-8，29]，具有良好的物理力學性能，將竹基纖維復合材料直接用于制造梁、柱、家具和地板等，往往造成強度過剩，造成浪費；在組成的過程中，這種材料的密度達到1.05 1.30g/cm3,由于材料自重比較大,容易造成使用不方便。
其次，竹基纖維復合材料的生產工藝主要分為兩大類:一類是冷成型、熱固化工藝，簡稱冷壓工藝；二是借鑒人造板傳統熱壓工藝，形成的竹基纖維復合材料熱壓工藝。由于受冷壓機和熱壓機設備的規格尺寸的限制，目前，竹基纖維復合材料的規格尺寸均較小，如冷壓工藝生產的竹基纖維復合材料方料常用的規格尺寸(長X寬X厚)為:193cmX 10.5cmX 15.0cm和200cmX 14.5cmX 15.0cm ;熱壓工藝生產的竹基纖維復合材料常規尺寸(長X寬X厚)為:244011\122011\(1.5-4)011，最大幅面也只能達到500CmX120CmX5Cm(于文吉，我國竹基纖維復合材料產業發展現狀與趨勢分析，木材工業，2012,26(1):11-14)。這樣的規格尺寸難以滿足結構材如梁、柱、大型家具和大規格地板的尺寸要求。
再者，大規格的結構材通常由小規格的材料采用縱向接長，橫向拼寬，和重組復合膠接而成。膠接不良會導致板材性能的下降，膠接常見的缺陷類型包含:脫膠、裂縫、空隙、膠層厚度變異、固化不完全和表面制備缺陷等，其中，脫膠、裂縫和表面制備缺陷是主要的。影響復合材料膠接強度的主要因素有:被連接件的材料種類、被連接件的剛度比和熱膨脹系數等因素的影響，只要有可能盡量使被膠接件的剛度近似相等，熱膨脹系數和吸濕膨脹系數相近(益小蘇，復合材料手冊，化學工業出版社，2009)。
中國專利201010243351.7,201020279829.7,201020279815.5 提供了一種采用小徑木通過指接或斜接制造小徑木 重組結構材及其制造方法，采用這種方法可以將小徑木加工成大規格的重組結構材。但這種工藝在二次膠合時形成的膠層，其膠合性能不穩定，具有一定的變異性，一些板材膠層可能出現開裂、開膠等現象；另一些板材則可能出現膠合強度低、物理力學性能損失大等問題。通過分析，導致上述現象和問題的主要原因是局部膠合不良。
根據先前研究:形成良好的膠接的先決條件是膠黏劑分子和被膠接材(木材)能充分接觸和有效潤濕(顧繼友，膠黏劑與涂料，中國林業出版社，1999)。竹基纖維復合材料是一種由多孔天然材料木材或竹材在較大的壓力(冷壓法成型壓力約為60MPa ;熱壓法成型壓力為4 6MPa)作用下成型的,竹基纖維復合材料的密度一般大于1.0g/cm3,在環境溫度和濕度變化時，會發生順彎、翹彎、翹曲等變形，嚴重時會產生跳絲和開裂等現象(于文吉，我國竹基纖維復合材料產業發展現狀與趨勢分析，木材工業，2012，26 (I):11-14)，即使在加工過程中采用砂光處理，也難以獲得平整的膠合面；其次，在竹基纖維復合材料的制造過程中，為了使膠黏劑分布更加均勻，通常采用浸膠方法，竹束和木束通過浸膠后，其表面均附著了一層膠黏劑，固化后，形成了一層不溶不熔的致密的膠層，表面潤濕性下降；再者，竹基纖維復合材料強度高，硬度大，難以被壓縮，但受到傳統思維的影響，選擇膠接件時，盡量選擇剛度近似相等，熱膨脹和吸濕膨脹相近的材料，通常不會考慮引入除膠黏劑外的第三種材料，因此，粗糙的表面、難以壓縮的膠接面和不良的潤濕性在二次成型過程容易產生脫膠、裂縫、空隙、膠層厚度變異等膠接缺陷，特別是高硬度的竹基纖維復合材料局部膠合不良問題始終未能得到有效地解決。發明內容
本發明的目的在于改進現有的工藝技術中的不足，提供空心竹基纖維復合結構材，使其物理力學性能滿足結構材性能的要求。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
本發明提供一種空心竹基纖維復合結構材，它包兩塊正面板、兩塊側面板、木單板和膠黏劑，其特征是:兩塊正面板和兩塊側面板相互膠合成截面為正方形或長方形的空心方柱，所述的正面板和側面板為竹基纖維復合材料；所述相互膠合兩塊正面板和側面板連接處之間設置一層木單板，所述木單板的厚度為0.1-1.5mm ;竹基纖維復合材料和木單板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑；所述相互膠合兩塊正面板和兩塊側面板的膠接處為90度角或45度角。
所述一種空心竹基纖維復合結構材，其特征是:空心竹基纖維復合結構材的正面板和側面板是由竹基纖維復合材料經過縱向接長而成，縱向接長的接合面設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
所述一種空心竹基纖維復合結構材，還包含有紙板，其特征是:所述縱向接長的竹基纖維復合材料在縱向接長的接合面之間設有一層紙板，竹基纖維復合材料和紙板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
所述空心竹基纖維復合結構材，其特征是:所述接長為指接接長或斜接接長。
本發明提供一種空心竹基纖維復合結構材的制造方法，包含以下工段:(一)原料準備、(二)重組復合、(三)后期處理，其特征是:
(一 )原料準備，包含竹基纖維復合材料準備、木單板準備和膠黏劑調配:
(I)竹基纖維復合材料準備，通過疏解、干燥、浸膠、再干燥、膠合、養護、裁邊、鋸截和砂光工段，將竹材加工成規格竹基纖維復合材料；在浸膠工序所用的膠黏劑為浸潰用酚醛樹脂；
(2)將一定厚度的竹基纖維復合材料切割成4塊相同寬度竹基纖維復合材料板條，每個竹基纖維復合材料的板條兩側斜切成45度角的斜面或90度角的直角面，作為兩塊正面板和兩塊側面板；
(3)木單板準 備，通過旋切、干燥、裁邊工段，將木材加工成厚度為0.1-1.5mm的木單板；木單板準備，通過旋切、干燥、裁邊工段，將木材加工成厚度為0.1-1.5mm的木單板；若膠接處按45度角膠接，將木單板裁切成寬度為步驟(2)中所述的竹基纖維復合材料厚度1.5倍；若膠接處按90度角膠接，將木單板裁切成寬度為步驟(2)中所述的竹基纖維復合材料厚度1.1倍；
(4)膠黏劑調配，將間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑的主劑和固化齊U按照100: (10-20)比例均勻混合；
(二)重組復合
將所述的木單板上下表面涂上間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑，將所述兩塊正面板和兩塊側面板在相互膠合連接處按為45度角或90度角組合，經膠合成截面為正方形或長方形的空心方柱；所述相互膠合兩塊正面板和側面板連接之間設置一層木單板。
(三)后期處理
將所述空心竹基纖維復合結構材板坯，經過裁邊、鋸截、砂光等工段，加工成空心竹基纖維復合結構材。
所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，包含以下縱向接長工段，其特征是:將所述規格竹基纖維復合材料兩端采用機械加工成指接面或斜接面，再在指接面或斜接面涂上調配后的間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑，經過縱向指接或斜接制成縱向接長的竹基纖維復合材料。
所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，其特征是:在所述縱向接長工段中，所述縱向接長的竹基纖維復合材料在縱向接長的接合面之間設有一層紙板，竹基纖維復合材料和紙板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，其特征是:在斜接工序中，斜接部位的厚度和斜面比例為1: 10-1: 20。
所述的空心竹基纖維復合結構材的，其特征是:在指接工序中，齒榫參數:齒長8mm-45mm,齒頂寬 0.5mm-20mm,齒距 3mm-20mm,齒指斜度 1/6-1/9。
本發明提供的空心竹基纖維復合結構材，采用空心方柱結構，大幅度地降低了材料的密度，生產工藝簡單；降低成本；強重比大。
此外，在硬度高、強度和剛度大的竹基纖維復合材料之間設置一層可壓縮、可形變，厚度0.1-1.5mm薄木單板，這種膠接面結構設計，充分利用了木單板良好的潤濕性、滲透性、膠合性以及可壓縮和可形變等特性，利用薄木單板形變特性，可有效地填補了硬度高、強度和剛度大的竹基纖維復合材料之間由于膠合面不平形成的縫隙，從而增加了有效的膠合面；利用薄木單板良好的潤濕性和膠合性，可與竹基纖維復合材料形成良好的膠合面，提高膠合性能；在二次膠合時，利用木單板的滲透性和壓縮性能，在所施加壓力的作用下，使薄木單板壓縮密實，同時，使間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑能夠充分地滲透到薄木單板內，與薄木單板發生膠合反應，從而形成與竹基纖維復合材料性能相近的壓縮木。這種膠接面結構設計，巧妙地利用了竹基纖維復合材料和薄木單板的特性，使膠合后的大規格竹基纖維復合材料膠接層符合膠接件的剛度近似相等，熱膨脹和吸濕膨脹相近的傳統經典膠接面 膠合理論，又解決了竹基纖維復合材料脫膠、裂縫、空隙、膠層厚度變異等膠接缺陷。
本發明提供的空心竹基纖維復合結構材在縱向接長時，在縱向接長的接合面之間設有一層紙板，紙板在膠接處的作用與上述的薄木單板基本相同，這里不再贅述。之所以在縱向接長時，選擇紙板，原因如下:與薄木單板相比，除了良好的潤濕性、滲透性、膠合性以及可壓縮和可形變等特性外，紙板的柔性和可塑性更好。通常指接面和斜接面是異型曲面，紙板可根據指接面和斜接面的形狀進行設計，從而使膠接面更加吻合，能最大限度地減少脫膠、裂縫、空隙、膠層厚度變異等膠接缺陷。
本發明提供的空心竹基纖維復合結構材在縱向接長以及重組復合過程中，采用冷固化膠粘劑即雙組份異氰酸酯膠粘劑或間苯二酚膠粘劑，可以根據目標產品的需要在長度和厚度方向重組復合，滿足結構材大尺寸的規格要求。
本發明提供的空心竹基纖維復合結構材，在竹基纖維復合材料制造過程中，選用浸潰用酚醛樹脂或浸潰用脲醛樹脂，使竹束或木束達到均勻浸膠，從而得到性能穩定的竹基纖維復合材料。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，并非對本發明的限制，凡是依照本發明公開內容所進行的任何本領域的等同替換，均屬于本發明的保護范圍。


圖1竹基纖維復合材料指接面
圖2紙板指接面
圖3竹基纖維復合材料指接接長
圖4指接接長后的竹基纖維復合材料
圖5木單板
圖6膠接處為90度角空心竹基纖維復合結構材板坯
圖7膠接處為90度角空心竹基纖維復合結構材(剖面圖)
圖8膠接處為90度角空心竹基纖維復合結構材
圖9竹基纖維復合材料斜截面
圖10紙板斜截面
圖11竹基纖維復合材料斜接接長
圖12斜接接長后的竹基 纖維復合材料
圖13膠接處為45度角空心竹基纖維復合結構材板坯
圖14膠接處為45度角空心竹基纖維復合結構材(剖面圖)
圖15膠接處為45度角空心竹基纖維復合結構材具體實施方式
實施例1:膠接處為90度角空心竹基纖維復合結構材
本發明典型實施例的空心竹基纖維復合結構材，它包含縱向指接接長的竹基纖維復合材料(I)、紙板(2)、木單板(3)和膠黏劑(圖中未標出)，如圖8所示，兩塊正面板和兩塊側面板相互膠合成截面為正方形空心方柱，正面板(11)和側面板(12)為竹基纖維復合材料；膠合兩塊正面板和側面板連接處之間設置一層木單板(3)，木單板(3)的厚度為1.2mm ;竹基纖維復合材料(I)和木單板(3)之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑；相互膠合兩塊正面板(11)和側面板(12)的膠接處為90度角。
本發明空心竹基纖維復合結構材制造方法典型實施步驟如下:
1，通過疏解、干燥、浸膠、再干燥、膠合、養護、裁邊、鋸截和砂光工段，將竹材加工成(長X寬X厚)為:220CmX20CmX3.0cm的竹基纖維復合材料；在浸膠工序所用的膠黏劑為浸潰用酚醛樹脂，熱壓工序中，采用熱壓法生產竹基纖維復合材料，屬于現有技術；
2，將上述的竹基纖維復合材料通過銑齒機銑成如圖1所示的指接齒，齒長25mm，齒頂寬IOmm,齒距20mm,齒指斜度1/8。
3，按照100: 15比例稱取間苯二酚膠黏劑主劑和固化劑，混合，經攪拌后，形成主劑和固化劑均勻的間苯二酚膠黏劑；
4,將紙板加工成如圖2所示的齒狀結構，齒長25mm,齒頂寬IOmm,齒距20mm,齒指斜度1/8。
5，在指接面涂上所述調配后的間苯二酚膠黏劑，涂膠量為300g/m2，或根據紙板加工前的面積a m2，采用浸膠方式，將紙板指接進入膠黏劑中，浸膠量為(300Xa)g;將涂膠后的竹基纖維復合材料指接板按照圖3所示組坯，將組坯后的板材采用兩端向中間積壓，使指接處緊密結合，指接接長后的板材如圖4所示。
6，通過旋切、干燥、裁邊工段，將木材加工成寬度為33cm，厚度為1.0mm的木單板條，如圖5所示；
7，在木單板涂上調配后的間苯二酚膠黏劑，涂膠量為300g/m2 ；
8，將所述兩塊 正面板和兩塊側面板在相互膠合連接處按為90度角組合，相互膠合兩塊正面板和側面板連接之間設置一層木單板，按圖6所示組坯，經膠合成截面為正方形或長方形空心方柱。
9，將所述空心竹基纖維復合結構材板坯，經過裁邊、鋸截、砂光等工段，加工成空心竹基纖維復合結構材如圖7和圖8所示。
實施例2:膠接處為45度角空心竹基纖維復合結構材
本發明典型實施例的空心竹基纖維復合結構材，它包含縱向斜接接長的竹基纖維復合材料(I)、紙板(2)、木單板(3)和膠黏劑(圖中未標出)，如圖15所示，兩塊正面板和兩塊側面板相互膠合成截面為正方形或長方形空心方柱，正面板(11)和側面板(12)為竹基纖維復合材料；膠合兩塊正面板和側面板連接處之間設置一層木單板(3)，木單板(3)的厚度為1.0mm ;竹基纖維復合材料(I)和木單板(3)之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑為水性高分子異氰酸酯膠黏劑；相互膠合兩塊正面板(11)和側面板(12)的膠接處為45度角。
本發明空心竹基纖維復合結構材制造方法典型實施步驟如下:
1，通過疏解、干燥、浸膠、再干燥、膠合、養護、裁邊、鋸截和砂光工段，將木材加工成(長X寬X厚)為:180CmX140CmX4Cm的竹基纖維復合材料；在浸膠工序所用的膠黏劑為浸潰用酚醛樹脂，在膠合工藝中，采用冷壓法，屬于現有技術；
2，將上述竹基纖維復合材料的兩側斜切成45度角的斜面；
3，將上述竹基纖維復合材料兩端鋸成如圖9所示的斜截面，斜接部位的厚度和斜面長度比例為I: 10;
4，按照100: 18比例稱取水性異氰酸酯膠黏劑的主劑和固化劑，混合攪拌均勻；
5，將紙板通過加工成如圖10所示的斜面結構，斜接部位的厚度和斜面長度比例為 1: 10 ;
6，在斜接面涂上所述調配后的水性異氰酸酯膠黏劑，涂膠量為250g/m2，或根據紙板斜接面的面積am2，采用浸膠方式，將紙板浸入膠黏劑中，浸膠量為(250Xa)g ;將涂膠后的竹基纖維復合材料按照圖11所示組坯，將組坯后的板材采用兩端向中間積壓，使斜接處緊密結合，斜接接長后的板材如圖12所示。
7，通過旋切、干燥、裁邊工段，將木材加工成寬度為6cm，厚度為0.8mm的規格木單板，如圖5所示；
8，在木單板涂上調配后的水性異氰酸酯膠黏劑，涂膠量為250g/m2 ；
9，將所述兩塊正面板和兩塊側面板在相互膠合連接處按為45度角組合，相互膠合兩塊正面板和側面板連接之間設置一層木單板，按13所示組坯，經膠合成截面為正方形或長方形空心方柱；
10，將所述空心竹基纖維復合結構材板坯，經過裁邊、鋸截、砂光等工段，加工成空心竹基纖維復合結 構材如圖14和圖15所示。
權利要求
1.一種空心竹基纖維復合結構材，它包含兩塊正面板、兩塊側面板、木單板和膠黏劑，其特征是:兩塊正面板和兩塊側面板相互膠合成截面為正方形或長方形的空心方柱，所述的正面板和側面板為竹基纖維復合材料；所述相互膠合兩塊正面板和側面板連接處之間設置一層木單板，所述木單板的厚度為0.1-1.5mm ;竹基纖維復合材料和木單板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑；所述相互膠合兩塊正面板和兩塊側面板的膠接處為90度角或45度角。
2.根據權利要求1所述一種空心竹基纖維復合結構材，其特征是:空心竹基纖維復合結構材的正面板和側面板是由竹基纖維復合材料經過縱向接長而成，縱向接長的接合面設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
3.根據權利要求2所述一種空心竹基纖維復合結構材，其特征是:還包含有紙板，所述縱向接長的竹基纖維復合材料在縱向接長的接合面之間設有一層紙板，竹基纖維復合材料和紙板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
4.根據權利要求2所述空心竹基纖維復合結構材，其特征是:所述接長為指接接長或斜接接長。
5.一種空心竹基纖維復合結構材的制造方法，包含以下工段:(一)原料準備、(二)重組復合、(三)后期處理，其特征是: (一)原料準備，包含竹基纖維復合材料準備、木單板準備和膠黏劑調配: (1)竹基纖維復合材料準備，通過疏解、干燥、浸膠、干燥、膠合、養護、裁邊、鋸截和砂光工段，將竹材加工成規格竹基纖維復合材料；在浸膠工序所用的膠黏劑為浸潰用酚醛樹月旨; (2)將一定厚度的竹基纖維復合材料切割成4塊相同寬度竹基纖維復合材料板條，每個竹基纖維復合材料的板條兩側斜切成45度角的斜面或90度角的直角，作為兩塊正面板和兩塊側面板； (3)木單板準備，通過旋切 、干燥、裁邊工段，將木材加工成厚度為0.1-1.5mm的木單板；若膠接處按45度角膠接，將木單板裁切成寬度為步驟(2)中所述的竹基纖維復合材料厚度1.5倍；若膠接處按90度角膠接，將木單板裁切成寬度為步驟(2)中所述的竹基纖維復合材料厚度1.1倍； (4)膠黏劑調配，將間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑的主劑和固化劑按照100: (10-20)比例均勻混合； (二)重組復合 將所述的木單板上下表面涂上間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑，將所述兩塊正面板和兩塊側面板在相互膠合連接處按45度角或90度角組合，經膠合成截面為正方形或長方形的空心方柱；所述相互膠合的兩塊正面板和側面板連接之間設置一層木單板； (三)后期處理 將所述空心竹基纖維復合結構材板坯，經過裁邊、鋸截、砂光等工段，加工成空心竹基纖維復合結構材。
6.根據權利要求5所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，包含縱向接長工段，其特征是:將所述規格竹基纖維復合材料兩端采用機械加工成指接面或斜接面，再在指接面或斜接面涂上調配后的間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑，經過縱向指接或斜接制成縱向接長的竹基纖維復合材料。
7.根據權利要求5所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，其特征是:在所述縱向接長工段中，所述縱向接長的竹基纖維復合材料在縱向接長的接合面之間設有一層紙板，竹基纖維復合材料和紙板之間設有膠黏劑層，所用的膠黏劑是間苯二酚膠黏劑或水性高分子異氰酸酯膠黏劑。
8.根據權利要求5所述空心竹基纖維復合結構材的制造方法，其特征是:在斜接工序中，斜接部位的厚度和斜面比例為1: 10-1: 20。
9.根據權利要求5所述的空心竹基纖維復合結構材，其特征是:在指接工序中，齒榫參數:齒長 8mm-45mm ，齒頂寬 0.5mm-20mm,齒距 3mm-20mm，齒指斜度 1/6-1/9。
全文摘要
本發明涉及一種空心竹基纖維復合結構材，并提供了制造方法，以竹材、膠黏劑和單板為原料，采用纖維分離、一次重組，二次復合、優化膠合界面結構等方法，制造空心竹基纖維復合結構材，本發明解決了竹基纖維復合材料性能過剩和二次復合過程因膠合不良而導致強度衰減等阻礙竹基纖維復合材料用于結構材的技術瓶頸，這種空心竹基纖維復合結構材可以用于制造梁、柱、家具和大尺寸室外地板等。
文檔編號B27D1/10GK103231424SQ20131014602
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者寧其斌, 余養倫, 于文吉 申請人:安徽宏宇竹木制品有限公司