竹材弧形原态重组材料制造技术研究

论文摘要

我国竹材资源丰富,利用具有丰富资源的竹材开发新型竹材弧形原态重组材料及其相关技术,以竹代木,对包括非木质材料在内的生物质材料的可持续发展和利用具有十分重要的意义。本文为国家“十一五”科技支撑计划重大项目“以竹代木高效利用关键技术装备研究与开发”(2006BAD11A16)课题资助。开展创新性研究,将毛竹通过加工(含切段、破竹、去青去黄等)成符合要求的弧型竹片,前期处理、干燥、指接、涂胶、组坯、热压(含平压、侧压)、刨光等工序,开发竹材弧形原态重组材,并研发了机械破竹机、高频热压机(含平压与侧压)等专用设备。本文对竹材原态弧形重组材料及其相关技术设备进行研究,得出以下结论:(1)根据竹材弧形原态重组材料的数学模型进行力学分析,相对于曲率半径趋于∞的矩形竹单元而言,具有较小曲率半径的弧形竹材单元强度较高,在承受相同荷载的情况下,相对不易发生变形或断裂。当荷载均匀分布的情况下,弧形竹材单元曲率半径为常量,圆弧形的竹单元相对于非圆弧形(包括矩形竹单元)能够承受较大的荷载。竹材弧形原态重组材料充分合理利用竹材纤维材料的固有特性,使竹竿抗弯、抗压和抗剪能力增强,既保留了竹材原有的物理力学性能,又保证了竹材的高利用率,强度高、规格大、密度分布均匀,保持了竹材的天然纹理结构。(2)在前期制造工艺中,涉及保持竹材原态以及后续成型高频热压,对弧形竹片的干燥尤为重要。在弧形竹片的干燥特性试验中,干燥温度越高,干燥速度越快,在干燥时间相同时,干燥温度高的含水率低,而高温干燥较低温干燥,干缩率大,变形也较大。随着弧形竹片含水率的下降,干缩率提高,半径增大,当含水率降至5%以下时,干缩率与半径趋于稳定。弧形竹片在干燥过程中,除了发生干缩变形外,还会产生皱缩、开裂等缺陷。干燥温度不同,弧形竹片发生缺陷的情况也不同。当干燥温度低于70℃时,干燥效果较好,并未产生明显缺陷,当干燥温度高于70℃时,弧形竹片将产生翘曲现象;当干燥温度大于90℃时,弧形竹片在产生翘曲变形的同时还伴随着皱缩现象;当干燥温度大于100℃时,弧形竹片同时存在翘曲、皱缩和开裂现象。在弧形竹片的不同部位,存在着一定的干缩差异。在弦向,竹青侧干缩率大于竹黄侧干缩率,约为竹黄侧干缩率的2倍;弦向平均干缩率大于径向平均干缩率。就弧形竹片整体而言,长度和竹节对竹片的干缩率、几何尺寸及半径的影响不大,但竹节部位干缩率小于无节部位干缩率。(3)根据实验室试验和工厂中试,以酚醛树脂为胶黏剂生产竹材弧形原态重组材比水溶性异氰酸酯生产竹材弧形原态重组材的性能略低,考虑到生产成本,工业生产中以采用酚醛树脂胶粘剂为宜。酚醛树脂胶粘剂双面涂胶量为250g/m2时,板材的各项性能良好。单位热压力为2.0MPa和3.0MPa时,板材的各项性较好,相差不大。考虑到节约能源、降低成本,单位压力为2.0MPa是理想的单位压力条件。经力学测试,竹材弧形原态重组材的静曲强度及弹性模量基本达到60E优等品结构用单板层积材、C级结构用竹木复合板和B类50型竹胶合板,可作为结构材用于承重场合。(4)在竹材的破除过程中开发设计弹力夹紧式去内节破竹机,在破竹刀盘上安装固定去内节刀盒,破竹刀盘后部内壁固定刀盒,刀盒内装有弹力夹紧式的固定片、弹力动片以及去内节刀。集破竹、去内节于一体,节约成本,简化工艺流程,提高生产效率。(5)在竹材弧形原态重组材料生产技术设备中,高频热压机是尤为重要的设备。高频热压机具有上压、侧压、纵压三维加压功能,具有双工位生产方式,自动进出料功能;压机的控制系统采用三级联网控制结构,设备控制级控制机器,现场控制级完成工艺控制,可选项工厂控制级完成生产经营的协调;高频热压机设计有高频电磁防护功能,将高频加热正极板包在屏蔽罩内,防止电磁波泄露。高频热压机采用三维加压和压力联动可调方式,避免弧形竹片发生翻滚。采用高频介质加热方式加工竹质厚板材(厚度可达60mm),具有效率高、加热快、内外整体加热、绿色环保等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 竹材弧形原态重组材料的定义
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.1.3 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外竹材重组技术研究现状
• 1.2.1 国外竹材重组技术研究现状
• 1.2.2 国内竹材重组技术研究现状
• 1.3 竹材原态重组技术研究现状
• 1.4 国内外竹材重组加工设备研究现状
• 1.4.1 国外竹材重组加工设备研究现状
• 1.4.2 国内竹材重组加工设备研究现状
• 1.5 竹材弧形原态重组技术需要解决的问题
• 1.6 研究目标和主要研究内容
• 1.7 研究技术路线
• 第二章 竹材弧形原态重组材料工艺过程及数学建模分析
• 2.1 前言
• 2.2 破竹工序
• 2.3 铣光工序
• 2.4 铣指榫工序
• 2.5 组坯工序
• 2.6 高频加压工序
• 2.7 抛光工序
• 2.8 弧形原态竹材力学性能数学建模分析
• 2.9 小结
• 第三章 竹材弧形单元干燥工艺研究
• 3.1 前言
• 3.2 试验材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.2.3 试验仪器
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 竹材中水分的运动及干燥机理
• 3.3.2 干燥温度对干燥特性的影响
• 3.3.3 弧形竹片干缩及变形影响因子分析
• 3.3.4 干燥温度、含水率、干缩率对半径的影响
• 3.4 小结
• 第四章 竹材弧形原态重组材料工艺测试及评价
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 试验方法与步骤
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同试验条件对板材物理力学性能的影响
• 4.3.2 胶种及施胶量对板材物理力学性能的影响
• 4.3.3 单位压力对板材物理力学性能的影响
• 4.3.4 板材与相关产品的力学性能比较
• 4.4 优化工艺设计
• 4.5 小结
• 第五章 去内结破竹机的设计
• 5.1 前言
• 5.2 竹材去内节破竹机的设计路径
• 5.2.1 竹材去内节破竹机的总体设计
• 5.2.2 弹力夹紧式去内节破竹机的设计思路
• 5.2.3 旋刀式去内节破竹机的设计思路
• 5.3 去内节破竹机的优化设计
• 5.3.1 两种去内节破竹机的样机性能对比试验结果
• 5.4 弹力夹紧式去内节破竹机工作原理和主要机构的设计
• 5.4.1 工作原理
• 5.4.2 主要机构的设计
• 5.5 小结
• 第六章 竹材弧形原态重组材高频热压机的研究设计
• 6.1 引言
• 6.2 总体设计
• 6.2.1 设备总体要求
• 6.2.2 设备设计原则
• 6.2.3 结构设计
• 6.2.4 参数设计
• 6.2.5 高频发生器
• 6.2.6 热压机的闭合加压速度及调速
• 6.3 控制系统设计
• 6.3.1 设备控制级
• 6.3.2 液压设计
• 6.3.3 现场控制级
• 6.3.4 工厂控制级
• 6.4 防电磁辐射系统的设计
• 6.5 高频热压机的优化设计
• 6.5.1 推挡板的设计
• 6.5.2 耐高温及绝缘层设计
• 6.6 小结
• 第七章 简要经济技术分析
• 7.1 经济效益
• 7.2 社会效益
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 参考文献
• 导师简介
• 在读期间的学术研究
• 致谢