一种三维结构竹材及其变形加工方法与应用

1.本发明属于竹材加工技术领域，尤其涉及一种三维结构竹材及其变形加工方法与应用。


背景技术：

2.竹材具有天然异质结构，径向纤维排列整齐，横截面维管束自内而外由疏至密排列，使得竹材具有较高的力学性能。天然竹材的拉伸强度能够达到200mpa，杨氏模量能够达到20gpa。区别于木材，竹材的维管束及薄壁细胞组织纵向生长，鲜有横向生长的细胞，这给予竹材加工方式更大的挑战。传统“竹材展平”方式必须通过高温高压处理，例如150℃以上及0.5mpa以上，以达到竹材的玻璃化转变温度来软化竹材，这导致了竹材模量的降低，无法满足建筑领域应用的力学性能要求。


技术实现要素：

3.为解决现有加工方式得到的竹材力学性能差的问题，本发明提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法与应用。
4.本发明的技术方案：
5.一种三维结构竹材的变形加工方法，将竹材进行部分脱木素处理得到脱木素竹材，在自然阳光或温度控制下定向蒸发所述脱木素竹材的水分同时对所述脱木素竹材进行预定型，在纤维饱和点临界状态下对已预定型的所述脱木素竹材进行致密化处理，得到三维结构竹材。
6.进一步的，所述脱木素处理是将竹材置于脱木素试剂中，在40～80℃下处理竹材2～48h。
7.进一步的，所述脱木素试剂为过氧甲酸溶液，所述过氧甲酸溶液由100～300重量份的过氧化氢、50～150重量份的甲酸、0～100重量份的水和0～1重量份的硫酸配制而成。
8.部分脱木素处理是为了去除竹子的半纤维素及木质素，为后续加工变形提供了拓展空间，经过部分脱木素处理的竹材用0.5％naoh溶液及水清洗至中性。
9.进一步的，所述自然阳光下定向蒸发为20～50℃自然阳光条件下，将竹材一侧或完全暴露在阳光下进行水分的定向蒸发。
10.进一步的，所述温度控制下定向蒸发为20～500℃加热处理条件下，将竹材一侧或完全暴露在加热温度下进行水分的定向蒸发。
11.进一步的，所述纤维饱和点临界状态是指脱木素竹材的含水率为25～40％的状态。
12.进一步的，所述致密化处理为室温下将已预定型的所述脱木素竹材置于对应形状的模具内，对所述脱木素竹材厚度方向施加1～50mpa的压力，压缩至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为6～8天。模具压缩是使用物理压力将竹材的细胞压缩，获得永久固定的形状。
13.一种本发明提供的三维结构竹材的变形加工方法加工得到的三维结构竹材，所述
三维结构竹材为带有弯曲角度的展平竹材、圆筒形、三角筒形、四方体筒形或多面体筒形。
14.进一步的，所述三维结构竹材的厚度为1～7mm。
15.一种本发明提供的三维结构竹材的变形加工方法加工得到的三维结构竹材在蜂巢轻质墙体或快速装配式住宅中的应用。
16.本发明的有益效果：
17.本发明提供的三维结构竹材的变形加工方法利用化学处理、温度控制水分定向蒸发和机械压缩相结合，获得三维结构竹材，不仅保持了天然的竹材异质结构优势，还显著提升了竹材的各项力学性能，在几何学上具有比圆筒竹材更大的密合度。三维结构竹材与天然竹材相比，拉伸强度提高了352％、杨氏模量提高了139％、弯曲强度提高了116％、弯曲模量提高了264％、抗压强度提高了39％、冲击强度提高了106％。
18.本发明制备的三维结构竹材能够满足建筑领域对竹材的力学性能要求，将其应用到蜂巢轻质墙体或快速装配式住宅中，能够代替部分钢、铁及铝合金，大幅度增加了竹材的附加值。本发明提供的变形加工方法能耗低，所得三维结构竹材具有可降解性，不会污染环境，满足可持续发展的要求。
附图说明
19.图1为实施例1-实施例5所得带有不同弯曲角度的展平三维结构竹材的微观sem图，
20.图中，a为180
°
弯曲角度，b为225
°
弯曲角度，c为270弯曲角度，
21.d为315
°
弯曲角度，e为360
°
弯曲角度；
22.图2为实施例1制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材与天然竹材的抗拉强度对比图，左侧短柱为天然竹材，右侧长柱为三维结构竹材；
23.图3为实施例1制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材与天然竹材的抗弯强度对比图，左侧短柱为天然竹材，右侧长柱为三维结构竹材；
24.图4为实施例1制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材与天然竹材的抗压强度对比图，左侧短柱为天然竹材，右侧长柱为三维结构竹材；
25.图5为实施例1制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材与天然竹材的冲击强度对比图，左侧短柱为天然竹材，右侧长柱为三维结构竹材；
26.图6为实施例1部分脱木素竹材一侧开口的实物照片；
27.图7为实施例1制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材的实物照片；
28.图8为实施例6制备的三角筒形三维结构竹材的实物照片；
29.图9为实施例7制备的四方体筒形三维结构竹材的实物照片；
30.图10为实施例7将四方体筒形预定型竹材固定于四方体筒形模具内的实物照片；
31.图11为实施例6、实施例7制备的三维结构竹材在轻质墙体中的应用示意图。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的
常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
33.实施例1
34.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
35.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
36.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、11.59重量份的水和0.2重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在50℃下反应12小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
37.s2：将s1所得部分脱木素竹材一侧开口，如图6所示，外侧置于温度为40℃的自然阳光下定向蒸发水分8h，同时进行预定型得到展平的竹材；
38.s3：在s2所得展平的竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将已预定型的展平竹材固定于水平模具内，在竹材厚度方向施加10mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定弯曲角度为180
°
的三维结构竹材，如图7所示。
39.实施例2
40.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
41.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
42.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、11.59重量份的水和0.2重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在50℃下反应12小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
43.s2：将s1所得部分脱木素竹材一侧开口，外侧置于温度为40℃的自然阳光下定向蒸发水分10h，得到带有弯曲角度为225
°
的预定型竹材；
44.s3：在s2所得弯曲角度为225
°
的预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将已预定型的竹材固定于带有225
°
弯曲角度的模具内，在竹材厚度方向施加10mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定弯曲角度为225
°
的三维结构竹材。
45.实施例3
46.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
47.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
48.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、11.59重量份的水和0.2重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在50℃下反应12小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
49.s2：将s1所得部分脱木素竹材一侧开口，外侧置于温度为40℃的自然阳光下定向蒸发水分11h，得到带有弯曲角度为270
°
的预定型竹材；
50.s3：在s2所得弯曲角度为270
°
的预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将已预定型的竹材固定于带有270
°
弯曲
角度的模具内，在竹材厚度方向施加15mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定弯曲角度为270
°
的三维结构竹材。
51.实施例4
52.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
53.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
54.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、11.59重量份的水和0.2重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在50℃下反应12小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
55.s2：将s1所得部分脱木素竹材一侧开口，外侧置于温度为40℃的自然阳光下定向蒸发水分12h，得到带有弯曲角度为315
°
的预定型竹材；
56.s3：在s2所得弯曲角度为315
°
的预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将已预定型的竹材固定于带有315
°
弯曲角度的模具内，在竹材厚度方向施加15mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定弯曲角度为315
°
的三维结构竹材。
57.实施例5
58.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
59.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
60.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、11.59重量份的水和0.2重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在50℃下反应12小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
61.s2：将s1所得部分脱木素竹材一侧开口，外侧置于温度为40℃的自然阳光下定向蒸发水分13h，得到带有弯曲角度为360
°
的预定型竹材；
62.s3：在s2所得弯曲角度为360
°
的预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将已预定型的竹材固定于带有360
°
弯曲角度的模具内，在竹材厚度方向施加15mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定弯曲角度为360
°
的三维结构竹材。
63.实施例6
64.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
65.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
66.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、34.3重量份的水和0.5重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在55℃下反应8小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡2h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
67.s2：将s1所得部分脱木素竹材按照三角筒形进行预变形，将三角筒形脱木素竹材的三个侧面依次置于温度为100℃的加热平板下，每侧定向蒸发水分2h，得到三角筒形预定型竹材；
68.s3：在s2所得三角筒形预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为
30％时进行致密化处理，具体为在室温下将三角筒形预定型竹材固定于三角筒形模具内，在竹材厚度方向施加5mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定的三角筒形三维结构竹材，如图8所示。
69.实施例7
70.本实施例提供了一种三维结构竹材及其变形加工方法。
71.本实施例中三维结构竹材的变形加工方法包括如下步骤：
72.s1：取完整毛竹，截断得到长度为5cm的圆筒状竹材，将所得圆筒状竹材置于由100重量份30％过氧化氢、46.08重量份88％甲酸、93.42重量份的水和0.5重量份的99％硫酸配制的过氧甲酸溶液中，在55℃下反应24小时，将完成反应的竹材置于150ml 0.5wt％的naoh溶液中浸泡3h，然后用去离子水冲洗至ph为中性，得到部分脱木素竹材；
73.s2：将s1所得部分脱木素竹材按照四方体筒形进行预变形，将四方体筒形脱木素竹材的四个侧面依次置于温度为100℃的加热平板下，每侧定向蒸发水分1h，得到四方体筒形预定型竹材；
74.s3：在s2所得四方体筒形预定型竹材含水率达到纤维饱和点临界状态，即含水率为30％时进行致密化处理，具体为在室温下将四方体筒形预定型竹材固定于四方体筒形模具内，如图10所示。在竹材厚度方向施加5mpa的压力，对竹材的细胞进行压缩，直至竹材呈水分绝干状态，压缩时间为7天，获得永久固定的四方体筒形三维结构竹材，如图9所示。
75.对比例1
76.本对比例提供了一种常规高温高压制备变形竹材的方法，具体步骤如下：
77.取完整毛竹，用圆锯将竹材沿厚度方向劈成三片弧形竹片，在179.9℃及0.98mpa的高温高压反应罐中使用饱和蒸汽处理12分钟，然后使用压平机将竹片压平得到三片展平的竹材。
78.图1为实施例1-实施例5所得带有不同弯曲角度的展平三维结构竹材的微观sem图，由图1可知，竹子的横向组织被加工成180
°
、225
°
、270
°
、315
°
和360
°
时，均无裂痕产生，且在几何学上具有比圆筒竹材更大的密合度。
79.按照iso stand 22157,2019，及astm d-256测试实施例1、对比例1和天然竹材的抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和冲击强度，结果如表1所示。
80.表1
[0081][0082]
图2-图5为制备的弯曲角度为180
°
的展平三维结构竹材与天然竹材的抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和冲击强度的对比图。通过表1和图2-图5的数据对比可以看出，现有高温高压热处理通过达到竹子玻璃化转变温度来软化竹子，导致竹材的力学性能降低。而本发明提供的三维结构竹材变形变形加工方法不仅保持了天然的竹材异质结构优势，还显著提升了竹材的各项力学性能。
[0083]
本发明制备的三维结构竹材能够满足建筑领域对竹材的力学性能要求，将其应用到蜂巢轻质墙体或快速装配式住宅中，能够代替部分钢、铁及铝合金，大幅度增加了竹材的附加值。本发明提供的变形加工方法能耗低，所得三维结构竹材具有可降解性，不会污染环境，满足可持续发展的要求。

技术特征：
1.一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，将竹材进行部分脱木素处理得到脱木素竹材，在自然阳光或温度控制下定向蒸发所述脱木素竹材的水分同时对所述脱木素竹材进行预定型，在纤维饱和点临界状态下对已预定型的所述脱木素竹材进行致密化处理，得到三维结构竹材。2.根据权利要求1所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述部分脱木素处理是将竹材置于脱木素试剂中，在40～80℃下处理竹材2～48h。3.根据权利要求2所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述脱木素试剂为过氧甲酸溶液，所述过氧甲酸溶液由100～300重量份的过氧化氢、50～150重量份的甲酸、0～100重量份的水和0～1重量份的硫酸配制而成。4.根据权利要求1-3任一所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述自然阳光下定向蒸发为20～50℃自然阳光条件下，将竹材一侧或完全暴露在阳光下进行水分的定向蒸发。5.根据权利要求4所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述温度控制下定向蒸发为20～500℃加热处理条件下，将竹材一侧或完全暴露在加热温度下进行水分的定向蒸发。6.根据权利要求5所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述纤维饱和点临界状态是指脱木素竹材的含水率为25～40％的状态。7.根据权利要求6所述一种三维结构竹材的变形加工方法，其特征在于，所述致密化处理为室温下将已预定型的所述脱木素竹材置于对应形状的模具内，对所述脱木素竹材厚度方向施加1～50mpa的压力，压缩至竹材呈水分绝干状态。8.一种根据权利要求1-7任一所述三维结构竹材的变形加工方法加工得到的三维结构竹材，其特征在于，所述三维结构竹材为带有弯曲角度的展平竹材、圆筒形、三角筒形、四方体筒形或多面体筒形。9.根据权利要求8所述的三维结构竹材，其特征在于，所述三维结构竹材的厚度为1～7mm。10.一种根据权利要求1-7任一所述三维结构竹材的变形加工方法加工得到的三维结构竹材在蜂巢轻质墙体或快速装配式住宅中的应用。

技术总结
本发明涉及一种三维结构竹材及其变形加工方法与应用，属于竹材加工技术领域。为解决现有加工方式得到的竹材力学性能差的问题，本发明提供了一种三维结构竹材变形加工方法，将竹材进行部分脱木素处理得到脱木素竹材，在自然阳光或温度控制下定向蒸发所述脱木素竹材的水分同时对所述脱木素竹材进行预定型，在纤维饱和点临界状态下对已预定型的所述脱木素竹材进行致密化处理，得到三维结构竹材。本发明保持了天然的竹材异质结构优势，显著提升了竹材的各项力学性能，使三维结构竹材能够满足建筑领域对竹材的力学性能要求，将其应用到蜂巢轻质墙体或快速装配式住宅中，能够代替部分钢、铁及铝合金。三维结构竹材具有可降解性，满足可持续发展的要求。足可持续发展的要求。足可持续发展的要求。


技术研发人员：韩广萍 白天 颜婕 陆继倾 姚航 何修文 程万里
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/1