CN106393828A - 一种天然纤维复合管材及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种天然纤维复合管材及其加工方法。该天然纤维复合管材包括一层外层结构和至少一层内层结构，所述外层结构的材料是竹材和/或木材；所述至少一层内层结构的材料是增强纤维材料，所述增强纤维材料的厚度占天然纤维复合管材的厚度的比例为5%~25%。本发明的天然纤维复合管材可替代金属管材，既满足结构强度安全可靠、重量轻的要求，又减少了环境污染和能源消耗，同时外观给人以自然愉悦的观感享受。

Description

一种天然纤维复合管材及其加工方法
技术领域
本发明涉及管材领域，尤其涉及一种天然纤维复合管材，可应用于建筑、机械以及日常用品中的受力杆件。
背景技术
随着我国经济的快速发展，各行各业对钢铁材料的需求急剧增加，我国的钢产量也逐年增加，但随之而来的是冶炼钢铁所造成的能源消耗和高污染排放，破坏生态环境，造成雾霾、水资源污染、土壤污染等严重的环境污染。加工管材是钢铁产品的主要用途之一，圆管、方钢等管材大量应用于建筑、机械、工业产品等各个领域。
但是，钢管材以及其它金属管材在加工过程中存在着资源浪费和环境污染，亟需一种可替代钢管材和其它金属管材的、性能稳定、性价比更高且环保的新型管材。
竹材、木材属于天然纤维材料，其纤维方向的强度较高，适合作为承受拉伸、压缩以及弯曲载荷的轴向受力杆件，能够充分发挥竹材、木材的材料特性，同时也能解决金属管材生产时带来的环境污染和高能耗问题。但是竹木材料有其性能缺陷，纤维方向的力学性能强，而垂直纤维方向的性能较差，且受温度、湿度影响较大，因此，在受力较大时，以及外界环境剧烈变化时，竹木材料有可能产生开裂、性能差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然纤维复合管材及其生产方法。
根据本发明的一个方面，提供一种天然纤维复合管材，所述管材包括一层外层结构和至少一层内层结构，所述外层结构的材料是竹材和/或木材；所述至少一层内层结构的材料是增强纤维材料，所述增强纤维材料的厚度占所述管材厚度的比例为5%~25%。
根据本发明的另一个方面，还提供一种天然纤维复合管材的加工方法，包括：
步骤一：制作所述天然纤维复合管材的至少一层内层结构，所述至少一层内层结构的厚度占所述管材厚度的比例为5%~25%，所述至少一层内层结构包括至少两个方向交错的增强纤维材料，所述步骤一具体包括：
（1）提供与所述天然纤维复合管材的内部空间尺寸一致的金属芯轴；
（2）在所述金属芯轴表面涂脱模剂或者裹隔离膜；
（3）以乙烯基树脂或环氧树脂为基体，采用缠绕工艺将5%~25%厚度比例的所述增强纤维材料缠绕在所述金属芯轴表面，以形成所述内层结构，缠绕时的所述增强纤维材料之间的交错角度不小于15°；
（4）将所述内层结构加热固化，然后将所述内层结构外表面打磨光滑；
步骤二：加工带有凹槽的竹条和/或木条，具体包括：
（1）将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材压制成板材，并切成长条形的竹条和/或木条；
（2）在所述竹条和/或木条上铣出凹槽，所述凹槽的直径尺寸比所述内层结构的外部直径尺寸大1~4mm；
（3）在所述竹条和/或木条的所述凹槽上涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
或者
将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材直接压制成带凹槽的竹条或木条；
步骤三：将所述竹条和/或木条与所述内层结构粘接，具体包括：
（1）在所述竹条和/或木条的所述凹槽以及所述凹槽两侧的平面上涂结构胶；
（2）将两个或多个所述竹条和/或木条的凹槽扣住所述内层结构，并加热固化；
步骤四：加工竹条和/或木条的外表面、脱模，具体包括：
（1）加工外层竹材和/或木材的表面，使其外表面成为圆形、方形、椭圆形或多边形的天然纤维复合管材的外表面；
（2）在天然纤维复合管材的外表面涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
（3）除去所述金属芯轴。
本发明的天然纤维复合管材可替代金属管材，既满足结构强度安全可靠、重量轻的要求，又减少了环境污染和能源消耗，同时外观给人以自然愉悦的观感享受。
附图说明
通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好的理解所有上述特征，所述附图为：
图1是本发明中天然纤维复合管材剖面结构示意图；
图2是天然纤维复合管材的加工方法步骤一中相关部件的结构示意图；其中图2a是剖面图，图2b是侧视图；
图3是天然纤维复合管材的加工方法步骤二中相关部件的结构示意图；
图4是天然纤维复合管材的加工方法步骤三中相关部件的结构示意图；
图5是天然纤维复合管材的加工完成后各种截面形状的示例图；
图6是本发明天然纤维复合管材的加工方法的基本流程图；
图7是本发明内层结构厚度与管件能够承受弯矩的关系图。
具体实施方式
下面结合附图（若干附图中相同的标号表示相同的元素）和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
金属管材的用途主要分为两类，一类是承受拉伸、压缩和弯曲的轴向受力杆件，一类是作为输送液体、气体的压力管道，本发明所提供的天然纤维复合管材主要用于替代第一类用于轴向受力的金属管材，主要受力方向为沿管材的长度方向。
为了设计一种强度高、绿色环保且性能稳定的管材，发明人通过一系列的实验和设计，发明了一种天然纤维复合管材，该管材包括内层结构和外层结构。实验数据证明，钢材密度7850kg/m³，强度约为520Mpa，而竹材密度1150kg/m³，纤维方向强度173Mpa，钢材比强度0.07，竹材的比强度0.15，可以看出竹材沿纤维方向上的比强度远高于钢材，即相同重量的竹材可以承受更大的载荷。因此，本发明中天然纤维复合管材的外层结构由竹材和/或木材构成。
同时，该天然纤维复合管材的内层结构使用一定厚度比例的非天然材料，例如增强纤维材料，来改善竹木管材的性能，既保证最大程度的使用天然纤维，又保证管材的力学性能和稳定性。此外，管材表面使用防水、防腐的树脂涂层，保护竹木材料不受外界环境的影响。最终，使天然纤维复合管材成为一种在某些领域能够替代金属材料并且大量应用的管材。
天然纤维复合管材外层结构所使用的竹材和/或木材以及内层结构的例如增强纤维等材料均为各向异性材料，即沿材料纤维方向的力学性能高，而其它方向的力学性能低。因此，为了充分利用各种材料的性能，将外层结构的竹材和/或木材的纤维方向设计成与管材的长度方向一致，使管材能够承受轴向拉伸、压缩载荷和弯曲载荷，而内层结构的例如增强纤维等材料绕管材交错缠绕，交错角度不小于15°，使管材能够承受扭转强度，弥补管材环向强度的不足，同时也对外层结构起到支撑的作用，防止管材变形，避免竹材和/或木材发生开裂。
弯曲载荷是管材受力形式最常见的一类载荷，在这类载荷中，管材的上下表面分别承受拉伸、压缩载荷，但在实际的弯曲测试中，如果内层结构中没有起到支撑作用的复合材料时，外层结构的竹材和\或木材在没有达到其自身的强度极限时，就发生破坏，显然竹材和\或木材纤维间连接强度不足而导致了管材失稳，提前发生破坏。图7为通过实验得到的内层结构厚度与管件能够承受弯矩的关系图。经过测试，0.6m长，直径40mm，壁厚4mm的竹管材仅能承受300kg的弯曲载荷，远没有达到竹材本身的强度极限。而经过大量的试验后，将壁厚4mm管材中0.2-1mm厚的竹材替换为起支撑作用的增强纤维等复合材料时，管材的破坏载荷达到了400~420kg，性能提高30~40%，此时，竹材的破坏强度与其自身的性能匹配。但随着竹材体积含量的减少，管材能够承受的弯曲载荷也逐渐降低，当竹材体积含量低于75%时，管材的力学性能迅速降低。因此，在天然纤维复合管材的设计中，竹材和/或木材的体积占天然纤维复合管材体积的比例应为75%~95%，而内层支撑作用的增强纤维等复合材料体积占天然纤维复合管材体积的比例为5%~25。如此比例关系的设计方法，最大限度的发挥了各种材料的性能，使二者融为一体，同时这种比例关系也可以作为其它规格管材的通用设计标准。
由此可见，本发明使用竹材、木材为主要材料，复合材料为辅助材料，以加工天然纤维复合管材为主要创新点，并且使天然纤维复合管材拥有与金属管材相当的力学性能，却能使成本、重量、制造能耗更低，同时拥有热传导率低、色泽美观等人们在日常生活中所喜好的优点。本发明中的天然纤维复合管材可替代金属管材，既满足了结构强度安全可靠、重量轻的要求，又减少环境污染和能源消耗，同时外观给人以自然愉悦的观感享受。
图1是本发明中天然纤维复合管材的剖面结构示意图。如图1所示，该天然纤维复合管材包括一层外层结构3和至少一层内层结构1。其中，该外层结构3为竹材和/或木材，至少一层内层结构1的材料是例如增强纤维的复合材料，该增强纤维材料可包括玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种。增强纤维力学性能高且成型方便，并可根据天然纤维复合管材使用环境、扭转强度上的不同，将几种增强纤维混合使用，以便达到性能和成本上的优化。如图1所示，该外层结构包括两个C型竹管材和/或木管材，这两个C型竹管材和/或木管材之间通过结构胶2进行粘合，结构胶2的厚度设计为不大于0.5mm。同时，该外层结构3与该至少一层内层结构1之间也通过结构胶2进行粘合，结构胶2的厚度设计为0.5~2mm。
外层结构3中的竹材和/或木材属于天然纤维材料，受环境影响较大，尤其是含水率的影响最大。经过大量的试验证明，使竹材和/或木材的含水率不大于12%，并保持与外界隔离，避免管材中的水分与外界交换，才能保持最佳的力学性能。因此，竹材和/或木材的内外表面均需防水处理，本发明中天然纤维复合管材使用环氧树脂或乙烯基树脂作为保护层可以达到防水的目的，而聚酯树脂的防水效果较差，一般不作为防水材料。天然纤维复合管材的外表面涂有环氧树脂或乙烯基树脂，所述至少一层内层结构中的复合材料以环氧树脂或乙烯基树脂作为基体，达到竹材和/或木材与外界完全隔离的目的。下面，结合图2-6来说明本发明中天然纤维复合管材的加工方法，其中图6示出了该加工方法的基本步骤流程图，图2-5分别示出了各步骤过程中天然纤维复合管材的整体或部件结构形态。
如图6所示，该方法包括如下步骤：
步骤110：制作所述天然纤维复合管材的内层结构。所述内层结构的材料是例如增强纤维的复合材料。步骤110可具体包括：
S111：提供与天然纤维复合管材的内部空间尺寸一致的金属芯轴；
S112：在所述金属芯轴表面涂脱模剂或者裹隔离膜；
S113：以乙烯基树脂或环氧树脂为基体，如图2a所示，采用缠绕工艺将所述增强纤维1缠绕在所述金属芯轴4表面以形成内层结构，如图2b所示，缠绕时的增强纤维1之间的交错角度不小于15°，增强纤维构成的内层结构的厚度占天然纤维复合管材厚度比例的5%~25%；
S114：将所述内层结构加热固化，然后将所述内层结构外表面打磨光滑。
步骤120：加工带有凹槽的竹条和/或木条。步骤120具体可包括：
S121：将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材压制成板材，并切成长条形的竹条和/或木条；
S122：如图3所示，在所述竹条和/或木条上铣出凹槽，该凹槽近似为C型。该凹槽的直径尺寸比该内层结构的外部直径尺寸大1~4mm；
S123：在所述竹条和/或木条的所述凹槽上涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
或者
S121’：将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材直接压制成带凹槽的竹条或木条，该凹槽近似为C型。
步骤130：将所述竹条和/或木条与所述内层结构粘接。该步骤130具体可包括：
S131：在所述竹条和/或木条3的所述凹槽以及所述凹槽两侧的平面上涂结构胶2；
S132：将两个所述竹条和/或木条3的凹槽扣住所述内层复合材料管（内层结构1），并加热固化。
步骤140：加工竹条或木条的外表面、脱模。该步骤140具体可包括：
S141：加工外层竹材和/或木材3的表面，使其外表面成为所需的形状，例如圆形、方形、椭圆形或多边形等的管材外表面，如图5所示；
S142：在管材的外表面涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
S143：除去所述金属芯轴4，形成本发明的天然纤维复合管材。
以上实施方式仅用于说明本申请，而并非对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本申请的范畴，本申请的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种天然纤维复合管材，所述管材包括一层外层结构和至少一层内层结构，其特征在于，
所述外层结构的材料是竹材和/或木材；所述至少一层内层结构的材料是增强纤维材料，所述增强纤维材料的厚度占所述管材厚度的比例为5%~25%。
2.如权利要求1所述的天然纤维复合管材，其特征在于，所述竹材和/或木材的纤维方向与所述管材的长度方向一致。
3.如权利要求1所述的天然纤维复合管材，其特征在于，所述至少一层内层结构包含至少两个方向交错的增强纤维材料。
4.如权利要求1所述的天然纤维复合管材，其特征在于，所述增强纤维材料包括以下材料中的一种或多种：玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、碳纤维和芳纶纤维。
5.如权利要求3所述的天然纤维复合管材，其特征在于，不同方向的所述增强纤维材料之间的交错角度不小于15°。
6.如权利要求1所述的天然纤维复合管材，其特征在于，所述外层结构包括两个或多个C型竹管材和/或木管材，所述两个或多个C型竹管材和/或木管材之间通过结构胶进行粘合；所述外层结构与所述至少一层内层结构之间通过结构胶进行粘合。
7.如权利要求6所述的天然纤维复合管材，其特征在于，所述外层结构与所述至少一层内层结构之间的结构胶的厚度为0.5~2mm，两个或多个C型竹管材和/或木管材之间的结构胶的厚度不大于0.5mm。
8.如权利要求1所述的天然纤维复合管材，其特征在于，
所述管材的表面以及端面涂有环氧树脂或乙烯基树脂作为防水、防腐保护层。
9.一种天然纤维复合管材的加工方法，其特征在于，包括：
步骤一：制作所述天然纤维复合管材的至少一层内层结构，所述至少一层内层结构的厚度占所述管材厚度的比例为5%~25%，所述至少一层内层结构包括至少两个方向交错的增强纤维材料，所述步骤一具体包括：
（1）提供与所述天然纤维复合管材的内部空间尺寸一致的金属芯轴；
（2）在所述金属芯轴表面涂脱模剂或者裹隔离膜；
（3）以乙烯基树脂或环氧树脂为基体，采用缠绕工艺将5%~25%厚度比例的所述增强纤维材料缠绕在所述金属芯轴表面，以形成所述内层结构，缠绕时的所述增强纤维材料之间的交错角度不小于15°；
（4）将所述内层结构加热固化，然后将所述内层结构外表面打磨光滑；
步骤二：加工带有凹槽的竹条和/或木条，具体包括：
（1）将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材压制成板材，并切成长条形的竹条和/或木条；
（2）在所述竹条和/或木条上铣出凹槽，所述凹槽的直径尺寸比所述内层结构的外部直径尺寸大1~4mm；
（3）在所述竹条和/或木条的所述凹槽上涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
或者
将竹材和/或木材进行干燥处理，以树脂为基体将所述竹材和/或木材直接压制成带凹槽的竹条或木条；
步骤三：将所述竹条和/或木条与所述内层结构粘接，具体包括：
（1）在所述竹条和/或木条的所述凹槽以及所述凹槽两侧的平面上涂结构胶；
（2）将两个或多个所述竹条和/或木条的凹槽扣住所述内层结构，并加热固化；
步骤四：加工竹条和/或木条的外表面、脱模，具体包括：
（1）加工外层竹材和/或木材的表面，使其外表面成为圆形、方形、椭圆形或多边形的天然纤维复合管材的外表面；
（2）在天然纤维复合管材的外表面涂乙烯基树脂或环氧树脂并加热固化；
（3）除去所述金属芯轴。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述增强纤维材料包括以下材料中的一种或多种：玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、碳纤维和芳纶纤维。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述凹槽呈C型。
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