竹纏繞復(fù)合材料制品發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張杰, 鄧硯澤

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500

中國竹資源十分豐富，竹種植面積及存儲(chǔ)量均位于世界第一[1]。竹子具有生長周期短、環(huán)境友好、比強(qiáng)度大、韌性好等特性，其比強(qiáng)度為鋼材的3～4倍[2]，是一種物美價(jià)廉的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)資源。與水泥、鋼制品相比，竹材生長周期短、生長過程中可以起到對環(huán)境的固碳作用，加工簡單、能耗小，使用廢棄后可降解，對環(huán)境無污染[3]。竹纏繞復(fù)合材料是一種生物基復(fù)合材料，可充分發(fā)揮竹材拉伸強(qiáng)度高、韌性好的特性。2015年、2016年及2018年兩會(huì)，全國政協(xié)委員和人大代表聯(lián)名建議加快促進(jìn)竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。2016年竹纏繞復(fù)合材料被科技部、環(huán)保部、工信部列入“節(jié)能減排與低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)化推廣清單”。國家林業(yè)和草原局專門成立了“國家林業(yè)局推進(jìn)竹纏繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組”，對竹纏繞產(chǎn)業(yè)加大領(lǐng)導(dǎo)力度，扶持力度。竹纏繞技術(shù)就是將以竹篾、竹束或者竹纖維構(gòu)成的加工單元應(yīng)用連續(xù)的纏繞成型工藝，通過控制纏繞角和纏繞張力將纏繞單元有規(guī)律地纏繞到芯模上，纏繞單元可以是其中的一種或者多種[4]。竹纏繞技術(shù)的誕生，不但符合生態(tài)環(huán)保要求，也可以帶動(dòng)竹產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。近年來國家也出臺(tái)了相關(guān)政策推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，利用竹子軸向拉伸強(qiáng)度高的這一特性，能在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中形成無應(yīng)力缺陷分布，研發(fā)了一大批以竹纏繞復(fù)合材料為代表的科技成果，具有巨大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效應(yīng)和國際影響力[5]。同時(shí)，竹材具有非常良好的加工性能，是我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的最佳材料，竹纏繞技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)支撐。由于竹纏繞復(fù)合材料為新興技術(shù)，相關(guān)研究較少，給竹纏繞制品研發(fā)、推廣及應(yīng)用帶來一定難度。因此，本文梳理了竹纏繞復(fù)合制品研究與應(yīng)用進(jìn)展，并對其發(fā)展方向提出建議。

1 竹材力學(xué)性能及纏繞單元

1.1 竹材力學(xué)性能

竹材是一種優(yōu)良的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，與玻璃纖維和碳纖維相比，其具有低成本、可再生、低能耗、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[6]。國外竹內(nèi)叔雄于1932年首次對竹材進(jìn)行研究[7]。隨后，我國以梁希、余仲奎等對竹材的物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)探究。南京林產(chǎn)工業(yè)學(xué)院竹類研究室通過實(shí)驗(yàn)，得出下竹材、木材、鋼材強(qiáng)度對比結(jié)果表1[8]?？芍?，竹材在抗拉、抗壓強(qiáng)度上均明顯優(yōu)于木材。但是鋼材的抗拉強(qiáng)度是竹材的2.5倍以上，考慮在工程應(yīng)用中的實(shí)際情況，竹材一般是通過纏繞的方式應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，鋼材比重是竹材的5倍，在相同單位重量下，竹材抗拉強(qiáng)度為鋼材的3～4倍。因而，竹材代替鋼材應(yīng)用于實(shí)際工程中是具備可行性的。

表 1 竹材、木材、鋼材強(qiáng)度對比Tab. 1 Strength comparison of bamboo, wood and steel

許多學(xué)者對竹材力學(xué)進(jìn)行測試研究，如郝際平等[9]對毛竹進(jìn)行了抗壓、抗拉、抗彎、抗剪等一系列力學(xué)性能試驗(yàn)，測得4年生毛竹的抗壓彈性模量為12.73 GPa，抗拉彈性模量為12.94 GPa，順紋抗拉彈性模量略大于抗壓彈性模量。馬建新、張淑嫻等通過實(shí)驗(yàn)測得軸向竹纏繞復(fù)合管試件正面向上彎曲強(qiáng)度為 42.80 MPa，背面向上彎曲強(qiáng)度為 41.02 MPa，環(huán)向試件正面向上彎曲強(qiáng)度為13.28 MPa，背面向上彎曲強(qiáng)度為10.38 MPa[10,11]。

1.2 纏繞單元

1.2.1 竹纖維作增強(qiáng)材料

竹纖維是近年來復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。竹子單纖維為2 mm左右[12]，纏繞時(shí)需將多根單纖維粘接成纖維束，形狀類似于亞麻織物。竹纖維較其他植物纖維有纏繞纖維結(jié)合度更高，具有密度低、成本低、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[13]。

1.2.2 竹纖維的制備

竹纖維制備大致分為化學(xué)制取法、生物制取法、物理制取法、聯(lián)合制取法四種[14]。化學(xué)制取法是利用竹纖維和膠質(zhì)在特定情況下不穩(wěn)定的特性，從而完成膠質(zhì)的分離，保留纖維，但此法能耗大、對環(huán)境有污染，且生產(chǎn)纖維不穩(wěn)定[15]。生物制取法是在不影響纖維的前提下添加特定生物酶，將膠質(zhì)去除，此法得出產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低，綠色環(huán)保，但由于竹內(nèi)部有較多抑菌物質(zhì)存在，給酶的選取帶來了較大難度[16]，因此生物脫膠仍需做大量后續(xù)研究。物理制取法是通過機(jī)械設(shè)備直接碾壓竹材得到竹纖維，該方法加工簡單，效率高，但是會(huì)破壞纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故只能應(yīng)用于纖維板材一類的初級產(chǎn)品[17]。聯(lián)合制取法將上述三種方法相結(jié)合，充分利用每種方法的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的幾種制取方法均屬于聯(lián)合制取法。因而，竹材作為一種天然綠色增強(qiáng)材料，現(xiàn)階段可初步應(yīng)用于工程，但如何高效、環(huán)保地制取竹纖維仍有待進(jìn)一步研究。

2 竹纏繞制品制備

2.1 材料

纏繞成型的竹質(zhì)異型材的制造單元與銑削成型材、模壓成型材以及擠出成型材不同[18]。最典型竹纏繞制品為復(fù)合壓力管，它是利用竹篾或者成束的連續(xù)竹纖維作為基材，同時(shí)結(jié)合具有高滲透性的樹脂粘接技術(shù)[19]，樹脂包括酚醛樹脂或聚氨酯膠液[20]，基材在浸有樹脂后即可作為增強(qiáng)層進(jìn)行纏繞，內(nèi)襯層是具有防腐功能或者符合食品安全的樹脂，外保護(hù)層由具有防水、防腐蝕功能的樹脂和防火材料以及防輻射填料制成。

2.2 結(jié)構(gòu)和功能

竹纏繞復(fù)合管沿徑向從內(nèi)層至外層分別為內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及外保護(hù)層。與內(nèi)部介質(zhì)直接接觸的內(nèi)襯層除了可用功能性樹脂組成，還可由竹基材纏繞而成，主要作用是為了固定介質(zhì)，防止介質(zhì)發(fā)生滲流、不穩(wěn)定等情況發(fā)生。增強(qiáng)層由竹基材根據(jù)不同的纏繞張力、角度進(jìn)行連續(xù)纏繞而成，主要是為了承受外壓，且有支撐作用，能保證整個(gè)纏繞制品具有一定的強(qiáng)度，可影響整體纏繞制品的力學(xué)性能。外保護(hù)層主要起防腐蝕作用，特殊情況下也可以添加防火材料，可在表面涂一層油漆，保證纏繞制品具有相應(yīng)的使用壽命。

2.3 成型方法

纖維纏繞技術(shù)是加工竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)品最常用且最重要的生產(chǎn)技術(shù)之一[21]，纏繞制品的制備基本流程如圖1所示，在控制好纏繞張力以及纏繞方式前提下，將浸有一定量的樹脂膠液的竹基材均勻且連續(xù)地纏繞在內(nèi)襯層上，在達(dá)到所需纏繞效果后，停止纏繞機(jī)，隨后固化脫模，芯?？梢匀〕鲆部沙蔀槔p繞制品的組成部分[22]，最后在外表面噴涂防護(hù)層即可形成竹纏繞復(fù)合材料制品。對于形狀較復(fù)雜的竹質(zhì)異型材，可通過纏繞精度更高的數(shù)字型纏繞機(jī)完成，其利用計(jì)算機(jī)和軟件編程進(jìn)行數(shù)字信號(hào)控制的高效纏繞方式，纏繞機(jī)運(yùn)動(dòng)更加精確、速度更快。

圖 1 機(jī)械式纏繞機(jī)Fig. 1 Mechanical winding machine

2.4 相關(guān)規(guī)范

竹纏繞復(fù)合管有高承壓能力，保溫性能好，節(jié)能環(huán)保，性價(jià)比低等優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)階段應(yīng)用效果，可以有效代替不可再生資源在工程中應(yīng)用[23]。竹纏繞復(fù)合管已經(jīng)通過國家化學(xué)建筑材料檢測中心的10000 h長期靜壓實(shí)驗(yàn)，其密度一般為1.15～1.35 g·cm-3，軸向拉伸強(qiáng)度為18～24 MPa，初始環(huán)剛度大于10 000 N·m-2。

竹纏繞復(fù)合管2017年五月被科技部列入國家“十三五”重點(diǎn)戰(zhàn)略專項(xiàng)，同年6月中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布《竹纏繞復(fù)合管道工程技術(shù)規(guī)程》，10月國家林業(yè)局發(fā)布《LY/T2905——2017竹纏繞復(fù)合管》，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也發(fā)布了《竹纏繞復(fù)合管道工程技術(shù)規(guī)范》，《竹纏繞復(fù)合管》國家標(biāo)準(zhǔn)已正式實(shí)施，《竹纏繞管廊》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已正式頒布。2018年9月，習(xí)近平主席在中非合作論壇上指出，愿意幫助非洲國家開發(fā)竹藤產(chǎn)業(yè)。竹纏繞復(fù)合材料制品是由我國科技人員自主創(chuàng)新研發(fā)出的新產(chǎn)品，是全球首個(gè)已產(chǎn)業(yè)化的生物基技術(shù)，該技術(shù)能充分利用我國閑置竹資源，創(chuàng)造更高的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值。

3 竹纏繞制品應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 竹纏繞復(fù)合管

自竹纏繞復(fù)合管產(chǎn)品誕生，2009年在杭州成功試用后，其逐步工程實(shí)際中得到應(yīng)用。2013年—2014年，浙江、黑龍江和新疆3個(gè)不同自然條件下開展竹纏繞復(fù)合管工程試驗(yàn)，均表現(xiàn)出良好使用性能。2015年1月在襄陽建立了首個(gè)竹纏繞復(fù)合壓力管生產(chǎn)廠，標(biāo)志著竹纏繞復(fù)合管已正式投入生產(chǎn)。20116年6月，在山東臨沂建設(shè)年產(chǎn)2.5萬噸的竹纏繞復(fù)合管生產(chǎn)基地。2018年9月由中鐵建牽頭的廣西玉林竹纏繞復(fù)合管順利投產(chǎn)。2019年7月，在湖北、山東、內(nèi)蒙古、福建、廣西、四川等地已相繼建成6個(gè)竹纏繞復(fù)合管生產(chǎn)基地，生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院完成的《竹纏繞復(fù)合壓力材料發(fā)展規(guī)劃》中指出計(jì)劃在2023年全國建設(shè)500個(gè)生產(chǎn)基地，年產(chǎn)能達(dá)1 000萬t。

中鐵二十局等單位應(yīng)用的纏繞復(fù)合管指標(biāo)如表2所示。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，竹纏繞復(fù)合管的材料強(qiáng)度與使用性價(jià)比有較大優(yōu)勢，對比相關(guān)材料性能如表3所示?？梢?，竹纏繞復(fù)合管在剛度、強(qiáng)度方面性能優(yōu)異，且綠色環(huán)保，后期維護(hù)費(fèi)用低，是各方面性能優(yōu)異的理想管材。

3.2 竹纏繞復(fù)合管廊

近年來竹纏繞復(fù)合管廊也被相繼研發(fā)成功。相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管廊，竹纏繞復(fù)合管廊具有抗震、抗地表沉降、耐腐蝕、力學(xué)性能好，且綠色環(huán)保等優(yōu)勢。2018年4月24日，世界首個(gè)竹纏繞城市綜合管廊在呼和浩特鋪設(shè)成功，開辟了新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的新渠道。經(jīng)過現(xiàn)場力學(xué)性能比較，C30混凝土管廊的抗壓強(qiáng)度與竹纏繞復(fù)合管廊強(qiáng)度相同，滿足城市管廊技術(shù)規(guī)范[24]。實(shí)驗(yàn)分析表明[25]在地面受載90t、埋地深1m條件下，竹纏繞管廊豎向變形量不到1%，符合標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命可達(dá)100年。如內(nèi)徑2800mm、壁厚103mm的竹纏繞管廊環(huán)剛度為10000N/m2，覆土高度為4.5m時(shí)的管壁最大環(huán)向彎曲應(yīng)力為7.88MPa，最大豎向變形為2.87%[26]。對比傳統(tǒng)混凝土管廊，竹纏繞管廊的密度約為其1/3，故施工運(yùn)輸過程中更加方便，綜合造價(jià)成本低，僅為傳統(tǒng)管廊的60%～70%，保溫性能優(yōu)異，使用壽命長，自然條件下使用56年仍保有74%強(qiáng)度，及良好承壓以及抗沉降能力[27]。

表 2 竹纏繞復(fù)合管主要性能指標(biāo)[23]Tab. 2 Main performance index of bamboo winding composite pipes

表 3 復(fù)合管與其他同口徑管道性能對比[2]Tab. 3 Performance comparison between composite pipe and other pipes with the same diameter

3.3 其他竹纏繞產(chǎn)品

根據(jù)竹纏繞符合材料的良好力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、可再生等優(yōu)勢，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋水泥等制品，在其他領(lǐng)域如高鐵車廂、建筑房屋、容器等均有十分廣闊的應(yīng)用前景。竹纏繞復(fù)合車廂已成功研制并進(jìn)行測試中，世界上首款利用生物纏繞房屋——竹纏繞房屋樣品在2017年10月建成，該產(chǎn)品避免了土地污染，建筑噪音等問題，還具有極強(qiáng)的抗風(fēng)，抗震性能。

4 存在問題及發(fā)展趨勢

竹纏繞制品是綠色環(huán)保的高性能新材料產(chǎn)品，對改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，替代不可再生資源等具有重要意義，具有廣闊應(yīng)用前景。但是竹纏繞復(fù)合制品在生產(chǎn)制造、性能評估、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指定等方面還需深入研究。

（1）竹材料為生物材料，容易被各種微生物降解，易受腐蟲霉變侵害，僅僅只是在內(nèi)襯層和外保護(hù)層添加防腐材料不能完全阻止竹材料其本身發(fā)生腐蝕，對其耐久性提出挑戰(zhàn)。

（2）竹材料為易燃品，關(guān)于竹材料防火相關(guān)研究較少，竹纏繞制品在考慮防腐的同時(shí)也應(yīng)注重提高其耐火性能，通過阻燃處理，減少不必要的損失和事故的發(fā)生。

（3）部分產(chǎn)品雖已投產(chǎn)，但關(guān)于竹纏繞產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，缺乏一定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，應(yīng)著重針對實(shí)際工況，對竹纏繞制品使用性能進(jìn)行有效分析。

（4）重點(diǎn)推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制定，注重理論成果向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化，推進(jìn)竹纏繞制品在現(xiàn)代工程中大力推廣應(yīng)用。