竹缠绕复合管弯曲强度测试

马建新 张淑娴 孙元平 翁 赟

(浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司 杭州 311253)

竹缠绕复合管是以竹材为基材，以热固性树脂为胶黏剂，采用缠绕工艺制作而成的新型生物基复合管。复合管充分发挥竹材轴向拉伸强度高的特点，具有原料可再生、承压能力强、保温性能好、抗震和抗沉降能力强、使用寿命长、节能低碳、质量轻、综合造价低等特点[1-3]。

竹缠绕复合管作为一种新型复合管，制作竹缠绕复合管的竹篾卷有轴向竹篾卷和环向竹篾卷2种规格，在产品设计时需要这2种竹篾卷搭配使用，以满足在各个方向上的强度要求。本文分别测试由轴向竹篾卷和环向竹篾卷制作的竹缠绕复合管弯曲强度，以期为竹缠绕复合管的产品设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 试件

分别用轴向竹篾卷和环向竹篾卷经缠绕工艺制作竹缠绕复合管段，管段直径300 mm、长度300 mm、壁厚10 mm。轴向竹篾卷中竹篾长度方向与管段中心轴线平行，环向竹篾卷中竹篾长度方向与管段中心轴线垂直。

管段制作好后，沿管段轴线方向切割得到试件，试件长250 mm、宽10 mm、厚10 mm。当管外表面朝上测试时记录为正面，当管内表面朝上测试时记录为背面。轴向和环向试件各准备10个。

1.2 测试方法

参考标准GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[4]和GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[5]进行测试。测量试件的宽度和厚度，调节万能力学试验机两支座跨距为200 mm，试件平放在支座上，试件长轴与支承辊垂直，试件中心点在加荷辊下方，在整个试验中以10 mm/min的速度恒速加载，直至试件破坏，记录最大载荷。在每组试件内，一半试件正面向上测试，一半试件背面向上测试。

1.3 弯曲强度计算方法

试件的弯曲强度按公式(1)计算：

(1)

公式(1)中：σL为试件的弯曲强度，单位为MPa；Fmax为试件破坏时最大载荷，单位为N；L为2支座间距离，单位为mm；b为试件宽度，单位为mm；t为试件厚度，单位为mm。

每组试件的弯曲强度取同组内全部试件弯曲强度的算术平均值。

2 结果与讨论

2.1 轴向试件弯曲强度

从表1和表2中可以看出：轴向试件正面向上弯曲强度平均为42.80 MPa，背面向上平均为41.02 MPa；正面向上时弯曲强度略大，较背面向上时大4.34%，其原因主要是由于竹材本身的各向异性所致。

表1 轴向试件正面向上弯曲强度测试结果

表2 轴向试件背面向上弯曲强度测试结果

2.2 环向试件弯曲强度

从表3和表4中可以看出：环向试件正面向上弯曲强度平均为13.28 MPa，背面向上弯曲强度平均为10.38 MPa，正面向上时弯曲强度较大，较背面向上时大27.9%，其原因主要是由于竹材本身的各向异性导致的。

表3 环向试件正面向上弯曲强度测试结果

表4 环向试件背面向上弯曲强度测试结果

2.3 轴向试件与环向试件弯曲强度的差异

测试结果显示，轴向试件的弯曲强度明显大于环向试件，主要原因是轴向试件中竹篾方向平行于试件长度方向，在测试过程中试件断裂处以竹篾断裂为主，而在环向试件中竹篾方向垂直于试件长度方向，在测试过程中试件断裂处以树脂破坏为主。

3 结论

试验结果表明，轴向试件和环向试件的弯曲强度差异较大，轴向试件的弯曲强度更高，在进行产品设计时应根据产品的性能要求，合理搭配2种竹篾卷的比例进行铺层设计，以满足产品的最终性能要求。