基于响应面法研究梁山慈竹材梯度结构理化性能的相关性

[目的]为了提高竹材的高附加值和利用率,竹材梯度结构理化特性相关性的研究对复合材料结构的优化设计显得尤为重要.[方法]以梁山慈竹为研究对象,从竹黄至竹青逐层制备厚度为1 mm的薄竹篾,通过环境扫描电镜(ESEM)、X-射线衍射(XRD)仪等对其梯度结构的力学性能、化学成分和维管束分布进行表征;利用聚类分析和响应面法对影响薄竹篾力学性能的主要因子进行深入研究.[结果]竹篾取样部位随竹黄至竹青的变过过程中,维管束占比逐渐增加3～4倍,木质素含量增高3.54％,半纤维素含量下降4.39％,纤维素结晶度呈先增后降并趋于稳定的变化规律,灰分介于2.55％～3.53％之间,抽提物含量在10％左右.通过聚类分析发现,梁山慈竹中部1～8层(竹黄至竹青)呈梯度结构,分成四大类:Ⅰ类={1层,2层},Ⅱ类={3层,4层},Ⅲ类={5层,6层,7层},Ⅳ类={8层};拉伸强度逐渐增加,维管束个数与力学强度呈线性递增关系.梁山慈竹力学强度与化学成分和维管束分布存在线性关系,呈梯度分布趋势.[结论]通过响应面分析木质素、结晶度和维管束分布对力学强度的贡献,发现各因素对梁山慈竹抗拉强度的影响顺序为:维管束占比>结晶度值>木质素含量,且模型预测误差值不高于1.78％,为竹基复合材料体系配比和结构设计的优化提供基础理论和科学依据.