竹余料纤维增强复合板力学性能研究

摘要：竹材料具有绿色环保、可再生以及良好的力学性能等优势，广泛应用于造纸、纺织和增强材料等领域。本文针对目前产物不能有效利用竹产物对竹枝、竹叶等竹余料的问题，将竹余料加工成纤维材料，并用于制备竹纤维增强以水泥为无机粘合剂的纤维板材，该板材具有强度高、加工性能好的优势。进一步研究了分析了竹纤维添加量对板材力学性能的影响。本研究对推动竹余料的资源化利用以及发展高强度竹纤维增强无机装饰板具有指导意义。

关键词：竹纤维；纤维板；力学性能；

引言

中国是世界上最主要的产竹国，无论是竹子的种类、种植面积以及竹产品的产量都位列世界前茅[1]。四川因其自然条件优越，竹浆造纸、竹笋加工、竹编制品、竹旅游位居全国前列，是我国竹资源大省之一[2]。竹材加工过程中产生的的竹叶、竹枝等竹余料并没有得到充分利用，造成自然资源严重浪费的同时，也带来了无序处理造成的安全隐患[3]。本文将传统方式难以利用的竹枝、竹叶等竹余料加工为增强纤维材料，与无机粘结剂复合制成建筑装饰板材，具有绿色环保、隔热、防火、轻质和低成本等诸多优点[4]。该项目不仅解决了川竹产业中的竹余料处理的难点问题，有效避免了散乱堆放、无序处理带来的火灾隐患，做到了物尽其用，而且为川竹种植的农户提供了新的经济增长点。除此之外，也为装饰材料的发展注入了新的动力，具有广泛的社会经济效益。

一、实验方法

收集慈竹叶晾干后进行机械粉碎得到竹余料纤维，使用硫铝酸盐水泥为无机粘合剂。合成过程中，首先将水泥和竹余料纤维按照一定的比例进行混合，后加入一定比例的清水，采用搅拌机进行混合。采用亚克力套模模具进行成型，将混合物浇筑在腔内后压板并采用振动器振动以压实并排除气体，形成初始强度后进行脱模，采用多孔亚克力板进行夹持并架空于室温自然干燥1天后，再采用60℃热台加热板材以加速固化过程。测试了板材的体积和质量以计算板材密度，采用折弯机测试了板材的抗折强度，采用LX-D 邵氏硬度计测试了板材的硬度。

一、竹纤维添加量对复合板力学性能的影响

首先研究了水泥纤维质量比对板材抗折强度的影响。实验数据采用二次曲线进行了拟合，结果如图1所示。可以发现随着水泥纤维质量比的增加，抗折强度逐渐增加，在其比值为2-3范围内抗折强度增加较快，随着水泥纤维质量比的增加抗折强度增速逐渐下降。认为水泥在该复合材料中起到连续相的作业，充足的水泥能够保证竹纤维之间的有效连接，从而增加板材整体的强度。

三、纤维板密度对其力学性能的影响

为了研究竹余料纤维板的力学性能及其影响因素。本研究测试了纤维板的抗折强度、硬度以及纤维板的密度。分析了板材密度对其抗折强度和硬度的影响，并进行了关系拟合，结果如图2（a-b）所示。分析发现本研究制备的纤维增强水泥板材料的密度在1.1-1.5g/cm3范围内，其抗折强度在1-6MPa范围内，由图2（a）可以发现其抗折强度随着密度的增加而增加，其相关性基本符合直线关系（y=1.70x-7.39）。由图2（b）可知，板材的硬度范围为50-80HA，且其硬度随着板材密度的增加而增加，其相关性基本符合直线关系（y=5.80x+15.65）。进一步分析了竹余料纤维板的抗折强度和硬度之间的关系，拟合分析如图2（c）所示，可以发现其硬度随着抗折强度的增加而增加，两者基本呈直线关系（y=3.48x+56.87）。

结束语

本文研究了竹余料纤维增强水泥复合板的力学性能，测试了水泥/纤维质量比对板材抗折强度的影响规律，分析了板材密度、抗折强度和硬度的关系。研究认为，随着竹余料纤维的增加，可以显著降低板材的密度，但是同时板材的强度和硬度也被削弱，因此板材的设计应该根据其应用场景，综合考虑应用需求进行板材制备的工艺设计。论文研究工作对大批量制备竹纤维复合板具有指导意义。

参考文献

[1]最新全国竹资源统计数据 [J]. 纸和造纸， 2023， 42（04）： 72.

[2]汤艳， 晋良洁， 张潇月. 四川省竹产业发展困境与突围——以川南、渠江产业集群为对象 [J]. 现代商业， 2022， （25）： 20-2.

[3]童晓滨. 闽北废弃竹叶资源的综合开发与利用 [J]. 武夷学院学报， 2009， 28（05）： 26-32.

[4]吝代代， 江欣雨. 天然竹纤维材料对一般混凝土力学性能的提升作用研究 [J]. 造纸科学与技术， 2024， 43（09）： 86-8+61.

作者简介：赵强（1989·2-），男，汉族，四川巴中，研究生，副教授，研究方向：工业废弃物资源化利用。

基金项目：四川省科技厅重点研发项目，竹余料纤维增强新型轻质装饰板的工艺与设备研究，2022YFN0061。