1 绪论
1.1 研究背景
中国是世界上竹资源最丰富的国家之一。从古至今，中国就享有“竹子王国”的美誉[1-3]。竹子是我国林业资源的重要组成部分，我国竹子种类、竹林面积均占世界三分之一左右，素有“第二森林”之称[4-5]。据统计，我国的竹子种类有 40余属，500 多种[6]，其中人工竹林面积超过 600 万公顷，年均增长超过 13 万公顷[7]。
竹子具有优越的物理性能和可加工性能，竹材的比强度高，抗压缩和抗弯曲性能好，坚固耐用，竹子的生长周期比木材短、成材早、更新快、产量高、再生能力强[8-9]。竹子作为一种绿色环保的天然生物材料，竹子的开发利用与中国天然林禁伐和退耕还林政策相一致，木材供需矛盾日益紧张。每 60 棵竹子相当于 1 立方米木材，中国竹材的年产量约为 15 亿棵，相当于约 2500 万立方米的木材，经营人工竹林代替部分木材，可显著减少木材的砍伐[10-11]。
竹子因其独特生物结构、环保功能和经济价值被视为资源友好型可循环利用的资源库和能源库。其已被广泛应用于建筑，桥梁，汽车和许多领域中[12]，开发利用好速生竹材代替成材时间长的木材，有利于培育竹材新型产业和提高山区农民经济收入，为中国的可持续发展战略和生态文明建设做出贡献。
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1.2 竹材产业及发展现状
在20 世纪 80 年代前，竹材产业一直停留在原始的初级产品的手工制作及其加工上，例如以竹笋的加工、手工竹制品和用大直径的竹子直接作为建筑材料等初级的竹产品的运用上，其中人工成本占据了竹产品价值的绝大部分，且无法实现大规模化的工业生产加工[13]。随着张齐生院士提出“以竹代木”[14]为核心的竹子发展战略，竹子的使用范围在不断拓宽，市场需求也在不断增加，吸引了诸多专家学者对竹子领域的科学研究，让竹子技术开发的不断深化，竹子加工技术不断改进，大大提高了竹子加工利用领域的技术含量，研发出不少具有高附加值的产品，尤其在我国竹林分布密集的地区，不断涌现出技术含量高的竹材加工企业，新竹产品以竹材人造板、竹木复合材料、竹木家具、竹浆纸为代表。竹产业中不断涌现出新产品、技术不断改革创新，推动了竹产业的进一步发展。特别是竹材人造板已迅速成为竹产业发展的领导者，成为竹业的代表产物[15]，竹材人造板是以竹子为原料，经过切割、平整、干燥、粘合、压缩等一系列工艺制成[16]。其具有幅宽大、质地细密、耐压、耐磨等特点。其产量已经高达数百万立方米，占全国地板生产总量的 6%—7%，此外，生产的竹地板中约有三分之一的产品出口到日本、韩国、美国、欧洲等数十个国家和地区，形成广泛影响力[17]。
进入 21 世纪后，中国的新竹产品和技术处于世界领先地位，竹产品加工技术和产业发生了巨大的突破和创新。在竹材加工设备领域，加工的机械化程度和自动化程度得到进一步的提升；在竹材加工技术领域，化学改性技术更加环保；在竹产业发展趋势方面，竹产品逐渐取代了木制产品，推动了竹产业的发展，实现了用成材时间短的竹材代替一些生长周期较长的木材，这有利于天然林禁伐和退耕还林政策的实施。竹产业已成为我国一项重大的新兴的产业，为我国竹林山区经济发展建设和竹材加工技术的提高发挥着重要作用[18]。
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2 竹材的生物特性研究
2.1 竹材的结构与组成
竹材的微观构造与木材差异较大，其独特的微观构造赋予了竹材与木材不同的物理特性和性能。从宏观结构来看，竹秆是竹子的主体结构，也是竹子最有价值的部分。竹子为尖削度较大的中空有节圆壳体，竹间距离与竹种和部位有关，具有较大的差异性，越接近竹根部竹间距离越短。竹秆沿壁厚方向从外向内分别为竹青、竹肉和竹黄。竹青又称竹壁，表面光滑；竹肉是竹青的下一层，是竹材中最厚的一层组织，也是竹材加工利用的主要部分；竹黄是竹材的最内层。竹节为竹子各段之间相连接突出的部位，其有利于使竹子更加结实，不易倒伏和破坏，增加了竹子的力学强度。
从微观结构的角度看，冼杏娟等人[77]发现竹材主要由厚壁细胞、薄壁细胞等组成。竹材中的厚壁细胞主要成分是维管束，维管束散生在薄壁细胞等组织中，沿着竹材壁厚方向呈现出一定的变化规律。维管束组织由许多的韧皮细胞和导管组成，导管为竹材的水分和营养物质输送提高通道，而韧皮细胞即为我们通常所说的竹纤维，每个维管束包含四个竹纤维组（柱），每个竹纤维组（柱）含有数百根单纤维、无数的单纤维以一定的缠绕角结合形成一根竹纤维束，竹材开纤过程实质就是将纤维组（柱）中从基体组织中分离出来得到竹纤维束。
根据竹种和部位不同，竹材横切面的维管束的形态和大小可分为五种类型，其结构如图 2.1。根据竹子品种的差异，维管束的类型和排列的不同，会影响竹纤维提取质量，因此要选择合适的竹材和部位用于竹材开纤，可以在一定程度上提高开纤效率、得纤率和纤维质量。
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2.2 竹材横纹径向抗弯实验
2.2.1 实验材料与试件加工制作
2.2.1.1 实验材料的采伐
选用浙江诸暨地区产的的 1、3、5 年生新鲜毛竹，竹子无病虫害，没有缺陷，生长情况良好。每棵竹子从离地 10cm 开始向上取材。对砍伐后的竹子，从竹根开始每隔 1m 进行截断，直到竹秆末端往下 2m 处，根据竹子茎秆离地的距离分为三个部位，即竹子的竹根部位（1-2 米）、竹中部位（2-4 米）、竹梢部位（4-6 米）。图 2.2 为本实验毛竹采伐现场图。
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3.1 单向纤维增强复合材料结构特征 ................................. 24
3.2 单向纤维增强复合材料破坏和损伤理论 ............................. 24
3.3 竹片翻卷脱层成纤力学分析 ..............25
4 竹片翻卷反拉脱层成纤影响因素实验研究 .................................. 36
4.1 不同碱浓度、翻卷半径对竹片成纤效果的影响 ........................... 37
4.1.1 材料与方法 ................................. 37
4.1.1.1 实验材料 ......................................... 37
4.1.1.2 实验试剂 ............................ 37
5 总结与展望 ...................................... 50
4 竹片翻卷反拉脱层成纤影响因素实验研究
4.1 不同碱浓度、翻卷半径对竹片成纤效果的影响
4.1.1 材料与方法
4.1.1.1 实验材料
选取浙江诸暨产毛竹，立地条件相同，无病虫害，无缺陷，生长情况良好；取1 年生，距离地面约 2m 高度的竹材。
4.1.1.2 实验试剂
氢氧化钠，分析纯，杭州萧山化学试剂厂； 草酸，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。
4.1.1.3 实验仪器与设备
DHG—9140A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；
剖竹机 ZP—2500，安吉前程竹木机械有限公司；
三科 SKI600 变频器，杭州三科变频技术有限公司； 竹片翻卷脱层成纤试验机；
其他实验用具：蒸汽发生器、烧杯、电子天平、砍刀、PH 试纸等。
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5 总结与展望
从单向纤维增强复合材料的损伤破坏理论为切入点，对竹片的翻卷反拉脱层成纤机理进行了分析，将竹材看成由纤维与基体组成的复合材料，通过对竹材施加连续的翻卷弯曲反拉作用，使竹材受到连续的动态破坏和损伤，其产生的应力超出基体的最大承受应力时，基体被破坏，弯曲引起的局部屈曲，会导致竹材的脱层和裂纹损伤加剧，而竹纤维自身的强度远大于基体强度，从而实现竹纤维在竹材外载作用区域与基体分离。
根据竹材层和结构建立层间脱粘破坏应变模型；并运用应变能释放率解析法对竹材中纤维与基体的界面脱粘脱层建立力学模型；根据纤维增强复合材料的破坏机理，建立竹材中基体损伤微观力学模型，分析竹材开纤过程中基体破坏和裂纹生成情况对开纤的影响。根据三种力学模型定性分析竹材开纤的影响规律，为竹材翻卷脱层成纤的软化和开纤工艺制定提供技术指导。本文尚未对模型参数进行数值量化，
也是本文的不足之处。
通过对竹片的翻卷脱层成纤的实验研究，研究了软化条件、翻卷半径、竹种、部位对提取竹纤维效果的影响。实验结果表明提高碱浓度和减小翻卷半径有利于降低竹片中纤维与基体的结合强度，改善竹纤维的物理性能。但碱浓度升到 4%时，碱溶液对竹纤维具有一定的损伤作用，降低竹纤维的力学性能。减小翻卷弯曲半径能提高竹材内裂纹的扩展密度，提高竹纤维与基体的分离，从而提高纤维的分离度、细度和力学性能。竹梢部竹材有利于提取基体杂质较少的纤维，从而提高纤维的物理性能；毛竹材提取的纤维分离度和拉伸强度比慈竹和黄竹好，但慈竹和黄竹的提取的纤维细度和均匀性优于毛竹。
参考文献（略）