[发明专利]一种高性能“竹钢”复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种新型“竹钢”复合材料的制备方法，属于竹人造板与竹质工程材料技术领域。本发明通过1)两步法脱除竹材中的木质素和半纤维素，2)利用冷冻干燥工艺打通竹材内部的孔道结构，3)对所得竹材骨架进行真空浸渍环氧树脂处理，4)进行热压固化以实现竹材的密实化，继而得到了一种具有高纤维含量的“竹钢”复合材料。本发明所提供的“竹钢”材料具有竹材利用率高、力学性能优异、尺寸稳定性高、导热率低等优点，有望应用于节能建筑、桥梁、交通运输及航空航天等领域。

技术领域

本发明属于竹人造板与竹质工程材料技术领域，更具体的说是一种新型高性能“竹钢” 复合材料的制备方法。

背景技术

随着全球气候变暖及环境问题的日益恶化，建设绿色城市、智慧城市的理念不断深入人 心，迫切需要发展绿色环保的新型高性能工程材料。生物质材料具有天然、可再生、可自然 降解、零碳排放等优势，近年来发展基于生物质的高性能结构、功能材料日益受到重视。我 国竹材资源丰富，素有“竹子王国”的美誉，竹林也被称为“第二森林”。相比于木材，竹子具 有成材期短，力学性能好，防霉抑菌等优势。“以竹代木”及“以竹胜木”是我国竹材加工和利 用的主要目标。我国竹材人造板行业已成规模，包括竹地板、竹墙板、竹家具及竹装饰材料 等多种产品已市场化，创造了大量的社会效益和经济效益。

但是天然竹材的力学性能相对较差，难以满足工程领域对高性能结构材料的需要。例如， 天然竹材的强度低于钢材、合金等材料，无法用于大型承重结构。此外，竹材存在易吸水、 干缩湿胀、尺寸稳定性低、耐磨性差及硬度小等一系列缺点，也限制了其在工程领域的应用。 天然竹材可以看作以薄壁细胞为基质、维管束为增强相的复合材料。维管束主要由纳米纤维 素纤丝构成，其强度高达2～3GPa；人工分离竹纤维的强度仍可达1200～1600MPa，和玻璃 纤维媲美。与此同时，由于竹纤维的密度(1.45g/cm³)比传统金属(2.7～8g/cm³)的密度 低很多，其比强度大于高强钢及部分轻质钛合金。目前，各类竹基材料的强度、模量和韧性 等力学性能远低于竹纤维，说明其仍有较大的发展空间。有效发挥竹纤维的力学性能，制备 高性能的竹基复合材料具有广阔的应用前景。

目前制备高性能竹材及竹基复合材料的方法主要包括如下三类。一、首先利用饱和蒸汽 对竹材处理，然后再对竹材压缩密实化处理，以提高竹材强度。该方法得到的密实化竹材防 水性能差，在高湿度环境下其尺寸易回弹，通常需要用油脂或树脂对竹材进行预处理，再热 压以改善竹材的尺寸稳定性。此外，竹材中含有大量力学性能较低的木质素，直接密实化竹 材中的竹纤维含量较低，其综合性能与竹纤维的理论值相比差距巨大。二、首先提取竹纤维， 再与树脂复合制备竹纤维增强复合材料，但是竹纤维提取过程会破坏竹材的天然结构，且存 在制备过程繁琐、能耗高等问题，复合材料也存在纤维体积分数低、力学性能不理想的问题。 三、先将竹材加工成竹束纤维帘，再浸渍树脂制备复合材料，这种方法具有竹材利用率高的 优点，但复合材料中树脂含量较高，且保留了力学性能较弱的木质素，所以复合板材的力学 性能也不够理想。因此，亟需发展新型、高性能竹基材料，拓展竹材在航空航天、交通运输、 桥梁、新型建筑结构材料等领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能“竹钢”材料的制备方法。本发明所提供的“竹钢”材料具 有优异的力学性能、耐水性和尺寸稳定性，大大提高了天然竹材的附加值，有助于拓展其在 工程领域的应用。

本发明所提供的“竹钢”为一种基于竹材的复合材料，具体制备方法如下：

步骤一、竹材选取和预处理：选择外观无霉烂、虫孔、开裂的成熟竹材，加工成3～10mm 厚的竹片。

所述成熟竹材优选毛竹、慈竹、斑竹等品种，也可以是天然木材。

步骤二、竹材的干燥：将步骤一所得竹片置于80～110℃下进行干燥处理，干燥时间为 24～72h。