竹材纏繞復合材料推廣應用中的耐久性問題

摘 要：竹材纏繞是一種應用加工技術，突破了傳統的竹材平面層熱壓技術，也有助于拓展其應用領域，是高分子材料的抗老化、抗生物變質和老化機理等材料的延續。作為一種生物質樹脂雜化材料，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合材料推廣應用中的耐久性問題進行分析。

關鍵詞：竹材纏繞;復合材料;推廣;應用;耐久性

一、竹材纏繞復合材料概述

竹材纏繞是適合竹子的加工技術，有利于突破以往的竹平面層壓技術及其應用領域。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、卷曲加工優良的單位材料，不僅能夠實現二維平坦的竹制品的制造，還能夠將竹制品擴大為立體的特殊形狀，促進竹產業的結構調整、變形升級，使大規模工業生產的實現變得更加容易。

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登場。其中，竹卷復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村建設階段，對水保護、油田、農田灌溉、建設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上，以及在成熟的纖維纏繞加工技術所觸發的優良縱向拉伸特性和竹的優良柔軟性的基礎上，浙江新進省竹基復合材料技術有限公司和國際竹與藤中心聯合開發出新的生物基復合纏繞管纏繞復合壓力管道，以完全打破中國竹資源優勢為目標，突破傳統平壓工藝，將部分傳統壓力管道換成輕、高強度、環保的壓力管道，提高可再生資源的利用效率和經濟性，這可以打開減少排放量的新方法。

二、竹材纏繞復合材料特性及技術指標

（一）竹材纏繞復合材料特性

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領域使用竹材有著悠久的歷史，在貴州、云南、少數民族生活密集的其他地區，竹子的構造是主要的建筑形態，例如，世界著名的錢南省和錢東南省保存著“數千苗村”。由于現代旅游的發展和現代建設技術的合作，中國式的平屋頂住宅和鑄造鋼筋混凝土梁和板“竹建筑”出現在云南省西雙版納大族自治州。竹材在古代的應用，更是一種實踐勘探和體驗的應用，但隨著科學技術和相關領域的發展，人們采用現代科學手段來驗證竹材在建筑相關領域的適用性。

同時，竹子還具有短生產周期（3～5年）、高碳隔離效率、平易近人等資源優勢和環境優勢。 竹林結構的使用和通過竹管運輸國內和生產水在中國南部是非常普遍的，其中大多數使用壽命和耐久性都很長，但缺乏科學理論數據，不用說相關標準的支持，不同項目的設計師和技術人員都害怕使用竹材。

（二）竹材纏繞復合材料技術指標

竹卷復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，根據卷繞成形技術，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合材料的一種，因此，竹卷復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、凍融循環等環境變化會引起材料的膨脹或收縮，導致內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、復雜、分布不均勻的各種高分子聚合物構成的有機物質。 腐爛的霉菌是生物學代謝的過程。 微生物對糖、脂質、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。

竹材在生長過程中有內外缺陷，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、更復雜耐久性問題的影響。

三、竹材纏繞復合材料推廣應用中的耐久性研究

探索2000年以后有關竹材纏繞復合材料推廣應用的文獻，其中發現了主要著眼于玻璃纖維創管的研究，幾乎沒有關于竹材，特別是竹卷材料的相關文獻。在諸多學者在研究新產品時，為了預測推定材料和產品的壽命，我們希望始終找到在短時間內獲得經過和故障后的實驗數據的加速方法，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雜老化機制，因此研究進展緩慢。近年來，隨著研究的繼續，隨著更多領域的整合和新技術的出現，竹老化性能和抗生物學劣化性能試驗的研究開發正在進行。

對于竹類熱固性樹脂復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，而抗生物學降解性能主要研究抗霉菌、防腐和抗白蟻的性能，其中復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，可以用更好的復合材料樹脂包裹，因此暴露于外部環境的概率小，但界面區域比其他兩種材料大，會受到內部或界面的龜裂或收縮而引起影響。

有些學者評價其耐用性，結果表明密度與竹子的穩定性相關。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，會導致重組竹子表面顏色的巨大變化，嚴重影響材料的室外應用。由于陽光、水分、氧的復合效果和多種影響，竹類復合材料的耐久性評價很復雜，通常情況下紫外線是竹類復合材料光分解和物質性質變化的主要原因。

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構，而木質素上的二元醇羥基、羧基、芳香族和酚基在紫外線的作用下容易形成自由基，自由基的連續產生導致木材材料表面上的木質素的選擇性光分解，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，如果復合材料用于建筑物和管線等相關領域，耐久性問題不可避免。但目前由于新素材和新產品的設計開發，在研究過程中使用年限是最令人擔心的課題。可以說，缺乏基本耐久性數據是竹結構材料不被廣泛使用的重要原因之一。

因此，竹子作為由具有復雜且不均勻分布的各種高分子聚合物構成的有機物，其耐久性受到多個復雜因子的影響。一方面，對抗老化、抗生物學劣化、老化機理進行綜合系統的研究，得到能夠承受試驗、引導工學結構應用的基本數據是必要的;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，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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[3]張麗輝， 孫偉， 東南大學材料科學與工程學院，南京市江寧區，中國， et al. 超高韌性水泥基復合材料研究進展、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，碩士研究生學歷，中級工程師，研究方向：金屬材料/機械。