CN107433747B - 仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱及其制备方法，通过充分利用速生木材，设计空心结构木圆柱，所述圆柱轻质高强，可替代大径级原木用于古木建筑，可以有效节约大径级原木，对于森林保护具有重大意义；此外在结构上合理布置木质单板层和纤维布层，可提高30‑40％的承载力，以该方法生产的空心圆柱结构合理，性能优越。本发明充分利用种植范围广阔的速生木材资源，单元重组，克服速生木材本身材质和加工上的缺陷，而且通过内置纤维布，使得木质圆柱形成环向预应力，提高承载力；相比天然实木，仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱具有可设计性，可根据实际使用情况进行结构设计。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料制造领域，特别是涉及一种空心木质单板层积材圆柱及其制备方法。
背景技术
在自然界，生物为了生存和适应自然环境，经过反复的优胜劣汰，现存的生物，其结构之巧妙，功能之精湛，往往令人叹为观止。轻质结构与材料就是一个经典案例。现有的许多轻质结构在自然中有其原型，例如：三明治结构的铝箔六边形蜂窝芯，这种结构能够满足力学要求，也能够有效减少结构重量。基于珠母贝特征制备的聚甲基丙烯酸甲酯基复合材料，可有效运用其集成平板滑动机理，提升工程材料的硬度，以及基于木材结构特征的高强度高硬度的生物仿生复合材料结构板等。这些案例说明生物材料具有高度优化的结构和优越的力学性能，比如骨头、植物茎、蜂窝、珠母贝，这些材料已经启发材料科学家和工程师去开发新型高性能材料和结构。
竹纤维壁是空心多层的，由薄厚交替的多层构成，而每层又是由更小的微纤丝所构成，微纤丝按螺旋方式排列，在厚层中的螺旋升角为3-10°(相对子纤维轴而言，接近平行)，而薄层中螺旋升角为30-90°。这对竹子具有高性能非常重要，它展现了强度、刚度和韧性的良好结合。可以模拟竹纤维壁微观结构，建立由厚、薄层组成的仿生双螺旋纤维结构。
单板层积材是一种利用小径级原木，经旋切后将单板多层涂胶、顺纹(也可以加入横纹单板)组坯、胶压而成的高性能新型结构材料，它不但保留了木材许多良好的天然优势,还具有均匀的结构特性，强度变异小，许用应力高，远远超过有节材，接近无节材，尺寸稳定性好，强重比优于钢材，且具有良好的稳定性和抗震减震性。
本发明基于竹纤维壁的微观结构，以木质单板层模拟竹纤维壁的厚层，以纤维布模拟竹纤维壁的薄层，形成仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱。
发明内容
发明目的：本发明基于竹纤维壁结构特征，提出一种仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱，该结构性能优良，可用于木结构建筑等领域。
本发明的另一目的还在于提供上述仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱，包括交错设置的若干层木质单板层和纤维布层，所述木质单板层与纤维布层之间采用环氧树脂粘接。具体地，木质单板层是木质单板采用纵向对接接长形成的圆筒状木质层，并且不同单板层接头有序错开，纤维布层是纤维布沿木质单板层圆筒周向缠绕而形成。
所述仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱组坯时，最内层为木质单板层，再横向缠绕涂胶的纤维布，使之贴合紧密。纤维布可以是玄武岩纤维布、玻璃纤维布、碳纤维布中的任意一种。
上述仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱的制备方法，包括以下步骤：
(1)将速生木材旋切成单板，并干燥至含水率在12％以下；
(2)将木质单板紧边紧密缠绕在一根外敷脱模纸的圆柱形管材外表面，并保持单板纵向和管材轴向平行，得到第一层木质单板层；
(3)将均匀涂布环氧树脂胶粘剂的纤维布横向缠绕在所述第一层木质单板层表面，拉紧，形成第一层纤维布层；
(4)在第一层纤维布层的外表面均匀涂布环氧树脂，并按照步骤(2)的方法将木质单板缠绕在纤维布外面，形成第二层木质单板层；按照步骤(3)的方法在第二层木质单板层外再缠绕横向的纤维布；重复执行以上步骤，形成若干层纵向木质单板层和若干层横向纤维布层相间组合的圆柱结构，并且最外一层为木质单板层；
(5)上述圆柱经过3-5天固化、养生后，将圆柱形管材抽出，形成空心木质单板层积材圆柱。
优选地，所述方法还包括对得到的木质单板进行机械应力分等，即把木质单板依次通过metriguard设备内部，得到该单板的动态弹性模量，然后挑选出符合目标强度要求的木质单板。
优选地，步骤(1)中，将速生木材旋切成单板，是指将速生木材旋切成宽度为700-1500mm，长度为900-1200mm，厚度为2.0-3.0mm的单板。
进一步地，步骤(4)中，各层木质单板层均由多块木质单板纵向对接接长形成，不同单板层接头要有序错开，避免出现接头集中，不同单板层接头距离在150mm以上。
有益效果：本发明技术充分利用速生木材，可以得到以下两个好处：一是设计空心结构木圆柱，轻质高强，可替代大径级原木用于古木建筑，可以有效节约大径级原木，对于森林保护具有重大意义；二是合理布置木材和纤维布，可提高30-40％的承载力，以该方法生产的空心圆柱结构合理，性能优越。本发明充分利用种植范围广阔的速生木材资源，单元重组，克服速生木材本身材质和加工上的缺陷，而且通过内置纤维布，使得木质圆柱形成环向预应力，提高承载力；相比天然实木，仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱具有可设计性，可根据实际使用情况进行结构设计。
附图说明
图1是本发明的仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱示意图；
图2是图1的横截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1和图2，一种仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱，包括交错设置的若干层木质单板层1和单向玄武岩纤维布层2，木质单板层1与单向玄武岩纤维布层2之间采用环氧树脂粘接。具体地，木质单板层1是木质单板采用对接接长形成的圆筒状木质层，并且不同单板层接头有序错开，单向玄武岩纤维布层2是单向玄武岩纤维布沿木质单板层圆筒周向缠绕而形成。纤维布除了玄武岩纤维布之外，也可以是玻璃纤维布或者碳纤维布。
仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱组坯时，最内层为木质单板层，再横向缠绕涂胶的单向玄武岩纤维布，使之贴合紧密。具体层数主要取决于空心圆柱的目标厚度，可以根据使用需要进行调整。
上述仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱的制备方法具体包括以下步骤：
(1)将速生木材旋切成单板，并干燥至含水率在12％以下，优选将含水率控制在8-12％之间。优选地，旋切得到的单板宽度范围为700-1500mm，长度范围为900-1200mm，厚度范围为2.0-3.0mm。
(2)对得到的木质单板进行机械应力分等(Machine Stress Rating，MSR)检测，具体地，将木质单板连续通过metriguard设备内部，设备对单板进行连续无损检测，得出单板的动态弹性模量，然后按测定的动态弹性模量确定木质单板的强度等级，选用符合目标强度要求的木质单板。这样可以把好的材料选出来，提高承载能力，减少变异性。
(3)准备一根钢管，钢管的粗细可以根据目标成品的尺寸来确定，这里用的是直径200mm的钢管。钢管也可以采用任意其他圆柱形管材取代。在钢管外表面贴附一层脱模纸，将木质单板紧边紧密缠绕在钢管外表面，并保持单板纵向和钢管轴向平行，得到第一层木质单板层。为了增加单板层的长度，可以用多张单板端部对齐依次相接。
(4)在玄武岩纤维布一面均匀涂布环氧树脂胶粘剂，然后将玄武岩纤维布涂胶面横向缠绕在第一层木质单板层表面，并拉紧，形成第一层玄武岩纤维布层。
(5)在第一层玄武岩纤维布层的外表面再均匀涂布环氧树脂，然后按照步骤(3)的方法将木质单板缠绕在第一层玄武岩纤维布层的外面，形成第二层木质单板层。同样，按照步骤(4)的方法在第二层木质单板层外再横向缠绕玄武岩纤维布，并在玄武岩纤维布外面涂胶。重复执行以上步骤，形成若干层纵向木质单板层和若干层横向玄武岩纤维布层相间组合的圆柱结构，并且最外一层为木质单板层。在每一层的设置过程中，如果单板绕一圈不够，则再增加相应的部分贴上；如果绕一圈还多余，则裁剪掉多余的部分。并且由于木质单板纵向对接所形成的接头在各层木质单板层之间要有序错开，避免出现接头集中，不同单板层接头之间的距离不小于150mm。
(6)上述圆柱经过3-5天固化、养生后，将钢管抽出，形成空心木质单板层积材圆柱。
Claims (2)
1.一种制备仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将速生木材旋切成单板，并干燥至含水率在12％以下；
(2)将木质单板紧边紧密缠绕在一根外敷脱模纸的圆柱形管材外表面，并保持单板纵向和管材轴向平行，得到第一层木质单板层；
(3)将均匀涂布环氧树脂的纤维布横向缠绕在所述第一层木质单板层表面，拉紧，形成第一层纤维布层；
(4)在第一层纤维布层的外表面均匀涂布环氧树脂，然后按照步骤(2)的方法将木质单板缠绕在第一层纤维布层外面，得到第二层木质单板层，按照步骤(3)的方法在第二层木质单板层外再缠绕横向的纤维布，重复执行以上步骤，形成若干层纵向木质单板层和若干层横向纤维布层相间组合的圆柱结构，并且最外一层为木质单板层；
(5)上述圆柱经过3-5天固化、养生后，将管材抽出，形成空心木质单板层积材圆柱；
所述空心木质单板层积材圆柱包括交错设置的若干层木质单板层和纤维布层，其中最内层为木质单板层，所述木质单板层与纤维布层之间采用环氧树脂粘接，所述木质单板层是木质单板采用纵向对接进行接长形成的圆筒状木质层，所述木质单板宽度范围为700-1500mm，长度范围为900-1200mm，厚度范围为2.0-3.0mm，不同木质单板层的接头有序错开，且不同木质单板层接头之间的距离在150mm以上，所述纤维布层是单向玄武岩纤维布沿所述木质单板层圆筒周向缠绕而形成。
2.根据权利要求1所述的制备仿竹纤维壁结构的空心木质单板层积材圆柱的方法，其特征在于：还包括对得到的木质单板进行机械应力分等，即把木质单板依次通过metriguard设备内部，得到该单板的动态弹性模量，然后挑选出符合目标强度要求的木质单板。
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