竹材特征对层积材性能的响应及环境效益影响

我国竹子资源种类、竹林蓄积量和竹材产量均占世界首位。目前，我国有竹林面积约600万hm2 ，占世界竹林总面积的1/3，其中毛竹林面积约为443万hm2，占竹林面积的74%。福建省的竹类资源占有量位居全国各省（自治区、直辖市）第一位，其中毛竹是福建省最主要的经济竹种，对其有效利用具有重要的战略意义。本书以福建产毛竹为原料，研究一种轻质、高强、低碳、多功能的竹基复合材料并探索其胶合强度促进机制以及产品制造过程中的环境效应，以期为各种新型竹制品的开发利用、促进“以竹代木”、节约森林资源和促进“百姓富、生态美”的“新福建”建设提供理论和实践依据。本书主要介绍如下内容。
（1）为探究毛竹生长规律，指导对其高效科学利用，以去竹青、竹黄后的弦向毛竹（Phyllostachys edulis）竹条为研究对象，对不同年份（0.5年、1年、3年、5年、7年、9年生），不同高度（离地1m、2m、3m、4m、5m）的竹材力学性能、表面接触角、化学成分测试分析表明：离地高度对竹材力学强度和化学组分的影响较小，而年份对二者具有显著性影响。竹节的存在会降低竹材力学性能，研究发现这是因为竹节部位由于维管束纤维呈现弯曲形态且箨环和竹隔的细胞组织穿插在纵向纤维中，使其维管束长度变短，从而强度下降。就同一高度的同一根竹材来讲，竹肉部位的接触角大于竹青肉和竹黄肉；不同高度、不同年份竹材的接触角呈不规则变化，其中5年生毛竹的竹肉、竹青肉和竹黄肉的差异性相对较小，材性相对更稳定。研究表明，当采用毛竹作为复合材料用基材时，其在3～5年竹龄，离地高3m条件下取样具有较好的理化性能优势。
（2）为改善毛竹的尺寸稳定性和力学性能，分别采用冻融循环和高温热处理法对5年生、离地高3m弦向毛竹条进行预处理。以表面接触角、吸水性、吸湿膨胀率为指标，经响应面分析法得到冻融循环预处理的优化工艺和高温预处理优化工艺。相比冻融循环预处理，尽管高温预处理后竹材的润湿性下降，但其尺寸稳定性和制品力学性能（MOR、MOE）明显优于冻融循环预处理。SEM和XRD分析表明，冻融循环预处理破坏了竹材细胞壁结构，其相对结晶度降低了3.53%；高温预处理竹材内部化学成分发生结构重组，产生重结晶现象并析出，细胞腔缩小变形，密度略有增加。
（3）为制备轻质、高强、低碳的竹层积材产品，以经过优化工艺高温预处理后5年生、离地高3m弦向毛竹条为材料，探讨其制造工艺优化方案以及胶合界面促进机制。研究发现，胶合界面形式对竹条层积材的力学性能无显著影响，有无竹节对制品抗弯强度、弹性模量以及抗拉强度有显著影响。试验发现，若相邻竹条竹节间错位3~10mm，可使竹条获得更高的力学性能；采用侧面微孔工艺可以提高竹层积材横纵向强度。
（4）为探究新型竹层积材生产制造过程中的环境效应，进一步优化其生产工艺路线，为其产品销售提高国际话语权，利用GABI6.0 LCA软件、CML2016评价方法，以竹层积材原料运输到成品入库为边界范围，对中试制造1m3该产品的工艺过程环境效应进行了评价。
由于本人水平有限，书中不妥之处，请读者批评指正。

刘学莘

刘学莘，福建农林大学副教授、博士，硕士研究生导师，福建省优秀教师、福建农林大学教学名师，中国林学会木材科学分会委员。近年来，主持及参与国家自然科学基金、国家林业和草原局科技项目等科研项目10余项，累计发表学术论文30余篇，其中被SCI、EI收录10余篇，获得国家级教学成果二等奖、福建省科技进步奖三等奖、梁希科普奖等荣誉。

我国竹材资源丰富，利用好竹类资源对于实现双碳目标和乡村振兴都具有显著价值。本书以我国最多的毛竹为对象，对其结构和物理性能进行分析，力求制备轻质、高强、低碳的竹层积材，改善毛竹的尺寸稳定性和力学性能，使之适应时代需求，为相关领域提供高附加值产品。
本书适宜林业和家具等相关专业技术人员参考。

1绪论1
1.1概述1
1.1.1竹子资源概况1
1.1.2竹子资源分布2
1.1.3竹子资源利用5
1.2国内外相关研究进展及存在问题8
1.2.1竹材材性研究8
1.2.2竹材预处理研究14
1.2.3竹层积材相关研究20
1.2.4基于LCA的环境效应评价研究26
1.3研究内容与方法、创新点、技术路线30
1.3.1研究内容与方法30
1.3.2创新点32
1.3.3技术路线32

2毛竹弦向竹条理化性能分析34
2.1材料和方法34
2.1.1原料及药品、仪器设备34
2.1.2制样35
2.1.3力学性能的测定35
2.1.4化学成分的测定36
2.1.5接触角的测定36
2.1.6组织比量的测定37
2.1.7微观形貌分析37
2.2结果与分析38
2.2.1力学性能分析38
2.2.2破坏形式分析51
2.2.3接触角分析59
2.2.4化学组分分析73
2.2.5微观形貌分析80
2.3本章小结82

3预处理对毛竹弦向竹条性能影响研究84
3.1材料、设备和方法85
3.1.1试验材料85
3.1.2试验设备85
3.1.3冻融循环改性85
3.1.4高温热处理改性89
3.1.5性能测试91
3.2结果与分析93
3.2.1冻融循环改性93
3.2.2高温热处理改性119
3.3本章小结135

4新型竹层积材制备工艺研究137
4.1材料和方法137
4.1.1试验材料137
4.1.2胶合性能的研究方法138
4.1.3加工工艺对材料性能影响的研究方法140
4.2结果与分析144
4.2.1胶合性能研究144
4.2.2弦向竹条微孔预处理工艺研究151
4.2.3竹层积材热压工艺研究156
4.2.4竹层积材组坯工艺研究160
4.3本章小结165

5基于LCA的竹层积材环境效应评价167
5.1环境效应评价工具167
5.2目标与范围168
5.3清单分析168
5.3.1原料准备170
5.3.2预处理171
5.3.3组坯热压172
5.3.4成品定型173
5.4影响分析176
5.4.1环境负荷组成176
5.4.2环境负荷特征化分析177
5.4.3环境负荷归一化分析180
5.5结果解释183
5.5.1对环境负荷的解释183
5.5.2对各工序造成环境负荷的解释184
5.6本章小结185

6结论187

参考文献190