本發(fā)明涉及管材領(lǐng)域，尤其涉及一種天然纖維復(fù)合管材，可應(yīng)用于建筑、機(jī)械以及日常用品中的受力桿件。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)鋼鐵材料的需求急劇增加，我國(guó)的鋼產(chǎn)量也逐年增加，但隨之而來的是冶煉鋼鐵所造成的能源消耗和高污染排放，破壞生態(tài)環(huán)境，造成霧霾、水資源污染、土壤污染等嚴(yán)重的環(huán)境污染。加工管材是鋼鐵產(chǎn)品的主要用途之一，圓管、方鋼等管材大量應(yīng)用于建筑、機(jī)械、工業(yè)產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。

但是，鋼管材以及其它金屬管材在加工過程中存在著資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，亟需一種可替代鋼管材和其它金屬管材的、性能穩(wěn)定、性價(jià)比更高且環(huán)保的新型管材。

竹材、木材屬于天然纖維材料，其纖維方向的強(qiáng)度較高，適合作為承受拉伸、壓縮以及彎曲載荷的軸向受力桿件，能夠充分發(fā)揮竹材、木材的材料特性，同時(shí)也能解決金屬管材生產(chǎn)時(shí)帶來的環(huán)境污染和高能耗問題。但是竹木材料有其性能缺陷，纖維方向的力學(xué)性能強(qiáng)，而垂直纖維方向的性能較差，且受溫度、濕度影響較大，因此，在受力較大時(shí)，以及外界環(huán)境劇烈變化時(shí)，竹木材料有可能產(chǎn)生開裂、性能差等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種天然纖維復(fù)合管材及其生產(chǎn)方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種天然纖維復(fù)合管材，所述管材包括一層外層結(jié)構(gòu)和至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)，所述外層結(jié)構(gòu)的材料是竹材和/或木材；所述至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)的材料是增強(qiáng)纖維材料，所述增強(qiáng)纖維材料的厚度占所述管材厚度的比例為5%~25%。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供一種天然纖維復(fù)合管材的加工方法，包括：

步驟一：制作所述天然纖維復(fù)合管材的至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)，所述至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)的厚度占所述管材厚度的比例為5%~25%，所述至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)方向交錯(cuò)的增強(qiáng)纖維材料，所述步驟一具體包括：

（1）提供與所述天然纖維復(fù)合管材的內(nèi)部空間尺寸一致的金屬芯軸；

（2）在所述金屬芯軸表面涂脫模劑或者裹隔離膜；

（3）以乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂為基體，采用纏繞工藝將5%~25%厚度比例的所述增強(qiáng)纖維材料纏繞在所述金屬芯軸表面，以形成所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)，纏繞時(shí)的所述增強(qiáng)纖維材料之間的交錯(cuò)角度不小于15°；

（4）將所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)加熱固化，然后將所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)外表面打磨光滑；

步驟二：加工帶有凹槽的竹條和/或木條，具體包括：

（1）將竹材和/或木材進(jìn)行干燥處理，以樹脂為基體將所述竹材和/或木材壓制成板材，并切成長(zhǎng)條形的竹條和/或木條；

（2）在所述竹條和/或木條上銑出凹槽，所述凹槽的直徑尺寸比所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)的外部直徑尺寸大1~4mm；

（3）在所述竹條和/或木條的所述凹槽上涂乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂并加熱固化；

或者

將竹材和/或木材進(jìn)行干燥處理，以樹脂為基體將所述竹材和/或木材直接壓制成帶凹槽的竹條或木條；

步驟三：將所述竹條和/或木條與所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)粘接，具體包括：

（1）在所述竹條和/或木條的所述凹槽以及所述凹槽兩側(cè)的平面上涂結(jié)構(gòu)膠；

（2）將兩個(gè)或多個(gè)所述竹條和/或木條的凹槽扣住所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)，并加熱固化；

步驟四：加工竹條和/或木條的外表面、脫模，具體包括：

（1）加工外層竹材和/或木材的表面，使其外表面成為圓形、方形、橢圓形或多邊形的天然纖維復(fù)合管材的外表面；

（2）在天然纖維復(fù)合管材的外表面涂乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂并加熱固化；

（3）除去所述金屬芯軸。

本發(fā)明的天然纖維復(fù)合管材可替代金屬管材，既滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠、重量輕的要求，又減少了環(huán)境污染和能源消耗，同時(shí)外觀給人以自然愉悅的觀感享受。

附圖說明

通過下文中的參照附圖所進(jìn)行的描述部分，能夠更好的理解所有上述特征，所述附圖為：

圖1是本發(fā)明中天然纖維復(fù)合管材剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是天然纖維復(fù)合管材的加工方法步驟一中相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖2a是剖面圖，圖2b是側(cè)視圖；

圖3是天然纖維復(fù)合管材的加工方法步驟二中相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是天然纖維復(fù)合管材的加工方法步驟三中相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是天然纖維復(fù)合管材的加工完成后各種截面形狀的示例圖；

圖6是本發(fā)明天然纖維復(fù)合管材的加工方法的基本流程圖；

圖7是本發(fā)明內(nèi)層結(jié)構(gòu)厚度與管件能夠承受彎矩的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖（若干附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元素）和實(shí)施例，對(duì)本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本申請(qǐng)，但不用來限制本申請(qǐng)的范圍。

金屬管材的用途主要分為兩類，一類是承受拉伸、壓縮和彎曲的軸向受力桿件，一類是作為輸送液體、氣體的壓力管道，本發(fā)明所提供的天然纖維復(fù)合管材主要用于替代第一類用于軸向受力的金屬管材，主要受力方向?yàn)檠毓懿牡拈L(zhǎng)度方向。

為了設(shè)計(jì)一種強(qiáng)度高、綠色環(huán)保且性能穩(wěn)定的管材，發(fā)明人通過一系列的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，發(fā)明了一種天然纖維復(fù)合管材，該管材包括內(nèi)層結(jié)構(gòu)和外層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，鋼材密度7850kg/m3，強(qiáng)度約為520Mpa，而竹材密度1150kg/m3，纖維方向強(qiáng)度173Mpa，鋼材比強(qiáng)度0.07，竹材的比強(qiáng)度0.15，可以看出竹材沿纖維方向上的比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼材，即相同重量的竹材可以承受更大的載荷。因此，本發(fā)明中天然纖維復(fù)合管材的外層結(jié)構(gòu)由竹材和/或木材構(gòu)成。

同時(shí)，該天然纖維復(fù)合管材的內(nèi)層結(jié)構(gòu)使用一定厚度比例的非天然材料，例如增強(qiáng)纖維材料，來改善竹木管材的性能，既保證最大程度的使用天然纖維，又保證管材的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。此外，管材表面使用防水、防腐的樹脂涂層，保護(hù)竹木材料不受外界環(huán)境的影響。最終，使天然纖維復(fù)合管材成為一種在某些領(lǐng)域能夠替代金屬材料并且大量應(yīng)用的管材。

天然纖維復(fù)合管材外層結(jié)構(gòu)所使用的竹材和/或木材以及內(nèi)層結(jié)構(gòu)的例如增強(qiáng)纖維等材料均為各向異性材料，即沿材料纖維方向的力學(xué)性能高，而其它方向的力學(xué)性能低。因此，為了充分利用各種材料的性能，將外層結(jié)構(gòu)的竹材和/或木材的纖維方向設(shè)計(jì)成與管材的長(zhǎng)度方向一致，使管材能夠承受軸向拉伸、壓縮載荷和彎曲載荷，而內(nèi)層結(jié)構(gòu)的例如增強(qiáng)纖維等材料繞管材交錯(cuò)纏繞，交錯(cuò)角度不小于15°，使管材能夠承受扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，彌補(bǔ)管材環(huán)向強(qiáng)度的不足，同時(shí)也對(duì)外層結(jié)構(gòu)起到支撐的作用，防止管材變形，避免竹材和/或木材發(fā)生開裂。

彎曲載荷是管材受力形式最常見的一類載荷，在這類載荷中，管材的上下表面分別承受拉伸、壓縮載荷，但在實(shí)際的彎曲測(cè)試中，如果內(nèi)層結(jié)構(gòu)中沒有起到支撐作用的復(fù)合材料時(shí)，外層結(jié)構(gòu)的竹材和\或木材在沒有達(dá)到其自身的強(qiáng)度極限時(shí)，就發(fā)生破壞，顯然竹材和\或木材纖維間連接強(qiáng)度不足而導(dǎo)致了管材失穩(wěn)，提前發(fā)生破壞。圖7為通過實(shí)驗(yàn)得到的內(nèi)層結(jié)構(gòu)厚度與管件能夠承受彎矩的關(guān)系圖。經(jīng)過測(cè)試，0.6m長(zhǎng)，直徑40mm，壁厚4mm的竹管材僅能承受300kg的彎曲載荷，遠(yuǎn)沒有達(dá)到竹材本身的強(qiáng)度極限。而經(jīng)過大量的試驗(yàn)后，將壁厚4mm管材中0.2-1mm厚的竹材替換為起支撐作用的增強(qiáng)纖維等復(fù)合材料時(shí)，管材的破壞載荷達(dá)到了400~420kg，性能提高30~40%，此時(shí)，竹材的破壞強(qiáng)度與其自身的性能匹配。但隨著竹材體積含量的減少，管材能夠承受的彎曲載荷也逐漸降低，當(dāng)竹材體積含量低于75%時(shí)，管材的力學(xué)性能迅速降低。因此，在天然纖維復(fù)合管材的設(shè)計(jì)中，竹材和/或木材的體積占天然纖維復(fù)合管材體積的比例應(yīng)為75%~95%，而內(nèi)層支撐作用的增強(qiáng)纖維等復(fù)合材料體積占天然纖維復(fù)合管材體積的比例為5%~25。如此比例關(guān)系的設(shè)計(jì)方法，最大限度的發(fā)揮了各種材料的性能，使二者融為一體，同時(shí)這種比例關(guān)系也可以作為其它規(guī)格管材的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，本發(fā)明使用竹材、木材為主要材料，復(fù)合材料為輔助材料，以加工天然纖維復(fù)合管材為主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，并且使天然纖維復(fù)合管材擁有與金屬管材相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，卻能使成本、重量、制造能耗更低，同時(shí)擁有熱傳導(dǎo)率低、色澤美觀等人們?cè)谌粘Ｉ钪兴埠玫膬?yōu)點(diǎn)。本發(fā)明中的天然纖維復(fù)合管材可替代金屬管材，既滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠、重量輕的要求，又減少環(huán)境污染和能源消耗，同時(shí)外觀給人以自然愉悅的觀感享受。

圖1是本發(fā)明中天然纖維復(fù)合管材的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該天然纖維復(fù)合管材包括一層外層結(jié)構(gòu)3和至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)1。其中，該外層結(jié)構(gòu)3為竹材和/或木材，至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)1的材料是例如增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料，該增強(qiáng)纖維材料可包括玻璃纖維、碳化硅纖維、玄武巖纖維、碳纖維和芳綸纖維中的一種或多種。增強(qiáng)纖維力學(xué)性能高且成型方便，并可根據(jù)天然纖維復(fù)合管材使用環(huán)境、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度上的不同，將幾種增強(qiáng)纖維混合使用，以便達(dá)到性能和成本上的優(yōu)化。如圖1所示，該外層結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)C型竹管材和/或木管材，這兩個(gè)C型竹管材和/或木管材之間通過結(jié)構(gòu)膠2進(jìn)行粘合，結(jié)構(gòu)膠2的厚度設(shè)計(jì)為不大于0.5mm。同時(shí)，該外層結(jié)構(gòu)3與該至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)1之間也通過結(jié)構(gòu)膠2進(jìn)行粘合，結(jié)構(gòu)膠2的厚度設(shè)計(jì)為0.5~2mm。

外層結(jié)構(gòu)3中的竹材和/或木材屬于天然纖維材料，受環(huán)境影響較大，尤其是含水率的影響最大。經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，使竹材和/或木材的含水率不大于12%，并保持與外界隔離，避免管材中的水分與外界交換，才能保持最佳的力學(xué)性能。因此，竹材和/或木材的內(nèi)外表面均需防水處理，本發(fā)明中天然纖維復(fù)合管材使用環(huán)氧樹脂或乙烯基樹脂作為保護(hù)層可以達(dá)到防水的目的，而聚酯樹脂的防水效果較差，一般不作為防水材料。天然纖維復(fù)合管材的外表面涂有環(huán)氧樹脂或乙烯基樹脂，所述至少一層內(nèi)層結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料以環(huán)氧樹脂或乙烯基樹脂作為基體，達(dá)到竹材和/或木材與外界完全隔離的目的。下面，結(jié)合圖2-6來說明本發(fā)明中天然纖維復(fù)合管材的加工方法，其中圖6示出了該加工方法的基本步驟流程圖，圖2-5分別示出了各步驟過程中天然纖維復(fù)合管材的整體或部件結(jié)構(gòu)形態(tài)。

如圖6所示，該方法包括如下步驟：

步驟110：制作所述天然纖維復(fù)合管材的內(nèi)層結(jié)構(gòu)。所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)的材料是例如增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。步驟110可具體包括：

S111：提供與天然纖維復(fù)合管材的內(nèi)部空間尺寸一致的金屬芯軸；

S112：在所述金屬芯軸表面涂脫模劑或者裹隔離膜；

S113：以乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂為基體，如圖2a所示，采用纏繞工藝將所述增強(qiáng)纖維1纏繞在所述金屬芯軸4表面以形成內(nèi)層結(jié)構(gòu)，如圖2b所示，纏繞時(shí)的增強(qiáng)纖維1之間的交錯(cuò)角度不小于15°，增強(qiáng)纖維構(gòu)成的內(nèi)層結(jié)構(gòu)的厚度占天然纖維復(fù)合管材厚度比例的5%~25%；

S114：將所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)加熱固化，然后將所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)外表面打磨光滑。

步驟120：加工帶有凹槽的竹條和/或木條。步驟120具體可包括：

S121：將竹材和/或木材進(jìn)行干燥處理，以樹脂為基體將所述竹材和/或木材壓制成板材，并切成長(zhǎng)條形的竹條和/或木條；

S122：如圖3所示，在所述竹條和/或木條上銑出凹槽，該凹槽近似為C型。該凹槽的直徑尺寸比該內(nèi)層結(jié)構(gòu)的外部直徑尺寸大1~4mm；

S123：在所述竹條和/或木條的所述凹槽上涂乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂并加熱固化；

或者

S121’：將竹材和/或木材進(jìn)行干燥處理，以樹脂為基體將所述竹材和/或木材直接壓制成帶凹槽的竹條或木條，該凹槽近似為C型。

步驟130：將所述竹條和/或木條與所述內(nèi)層結(jié)構(gòu)粘接。該步驟130具體可包括：

S131：在所述竹條和/或木條3的所述凹槽以及所述凹槽兩側(cè)的平面上涂結(jié)構(gòu)膠2；

S132：將兩個(gè)所述竹條和/或木條3的凹槽扣住所述內(nèi)層復(fù)合材料管（內(nèi)層結(jié)構(gòu)1），并加熱固化。

步驟140：加工竹條或木條的外表面、脫模。該步驟140具體可包括：

S141：加工外層竹材和/或木材3的表面，使其外表面成為所需的形狀，例如圓形、方形、橢圓形或多邊形等的管材外表面，如圖5所示；

S142：在管材的外表面涂乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂并加熱固化；

S143：除去所述金屬芯軸4，形成本發(fā)明的天然纖維復(fù)合管材。

以上實(shí)施方式僅用于說明本申請(qǐng)，而并非對(duì)本申請(qǐng)的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本申請(qǐng)的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本申請(qǐng)的范疇，本申請(qǐng)的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。