黃藤和單葉省藤的主要物理力學(xué)性質(zhì)1)

王傳貴 徐 鑫 汪佑宏 高龍芽 周 旭 張令峰 武 恒 劉杏娥

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)(國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心)

棕櫚藤(rattan)屬于棕櫚科單子葉藤類植物，是重要的可再生非木材資源［1］。在世界上共有13屬600多種，3.5×107萬hm2以上的天然林中有棕櫚藤的分布，其中亞洲分布有10屬300～400種，僅東南亞區(qū)域分布面積就達(dá)2.92×107hm2。我國分布有3屬:省藤屬(Calamus)、黃藤屬(Daemonorops)和鉤葉藤屬(Plectocomia)，約48種，26變種。目前在廣東、廣西、海南、云南及福建等省也均有人工栽培。

棕櫚藤莖藤條密度中等、輕便堅固、拋光度高、耐久性強(qiáng)，而且美觀素雅，因透氣、柔韌、輕巧、堅固，且為可生物降解的健康環(huán)保材料，是家具和工藝制品的優(yōu)良材料，被廣泛用于制造桌、椅、茶幾、沙發(fā)、床等藤制家具，以及果籃、燈籠等各種藤編小飾品［2－3］。用藤編制的家具以及工藝品質(zhì)感自然、手感清爽、冬暖夏涼、舒適別致、柔韌性好，透氣性強(qiáng)，符合人體功效學(xué)的要求，而且外觀典雅平實、美觀大方、貼近自然，具有很高的觀賞性。自然清新的原色藤家具體現(xiàn)了現(xiàn)代人回歸自然、追求健康的生活理念，素有工藝美術(shù)品之美稱，是傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯商品之一，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值。20世紀(jì)70年代以來，以原藤為主要原料的藤家具工業(yè)和國際貿(mào)易迅速發(fā)展，目前，全球棕櫚藤的年貿(mào)易總額達(dá)70億左右。我國藤制家具每年進(jìn)出口貿(mào)易總額達(dá)2億美元以上，并以每年10%的速度增長，具有很高的商品價值，對于山區(qū)人民的發(fā)展具有重要意義［4］。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用材料黃藤、單葉省藤均為15年生左右，同采伐于廣西省憑祥市英陽林場;采收后去葉鞘、氣干。儀器:DHG－9146A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司);恒溫恒濕箱BINDER:KBF115#04－63203;萬能力學(xué)試驗機(jī)INSTRON5582Q7171。

1.2 方法

1.2.1 抗彎彈性模量及抗彎強(qiáng)度

目前，國內(nèi)外關(guān)于藤材力學(xué)性質(zhì)的研究較少，有限的研究也不具備系統(tǒng)性。因此，在實驗過程中找不到可靠的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行加工和分析，綜合考慮了木、竹、纖維和人造復(fù)合板材的力學(xué)性質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)備實驗，制定抗彎強(qiáng)度試驗方案。參照竹材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780—1995，試材取整藤節(jié)，長160 mm，即D×160 mm(D為藤莖直徑)，采用中央單點加荷，跨距120 mm，以均勻速度加荷，在(60±30)s內(nèi)使試樣破壞，見圖1。所有試材均在溫度為20℃、濕度65%的條件下調(diào)節(jié)含水率至平衡后，再進(jìn)行力學(xué)試驗。

圖1 藤材抗彎性能測試

1.2.2 抗壓彈性模量及抗壓強(qiáng)度

根據(jù)木材順紋的抗壓強(qiáng)度試驗方法(GB 1935—91)的國家標(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗方法(GB/T 3356—1999)的國家標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)計了不同長度的試樣，進(jìn)行縱向壓縮強(qiáng)度的預(yù)備試驗。

根據(jù)實驗方案的摸索及最終的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖的分析可知(見圖2)，長試樣在壓縮實驗時易于失去穩(wěn)定，而且試樣較長時產(chǎn)生的初曲率及材料的缺陷對壓縮試驗結(jié)果影響較大，不滿足要求。根據(jù)實驗的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和抗壓破壞情況，確定測試黃藤和單葉省藤的抗壓強(qiáng)度測試試樣的最佳長度分別為4、5 cm，試件尺寸分別為D×4 cm和D×5 cm，即長度為2～3倍直徑(見圖3)。抗壓試樣從抗彎試樣破壞后的一端截取。

1.2.3 密度及尺寸穩(wěn)定性測試

在抗彎強(qiáng)度測試后的破壞試件上，參照國標(biāo)GB 1933—91《木材密度測定方法》和國標(biāo)GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實驗方法》規(guī)定截取長度為2 cm的樣品作為密度試件，即試件尺寸為D×2 cm(D為藤莖直徑)，經(jīng)過氣干、絕干后分別測定其體積膨脹(收縮)率、吸濕率及吸水率。

圖2 藤材抗壓性能測試

圖3 棕櫚藤材抗彎應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 密度

密度一般包括氣干密度、基本密度、生材密度和絕干密度。一般而言，密度與其力學(xué)強(qiáng)度存在一定正相關(guān)關(guān)系，即密度越大，其對應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度往往也越大。黃藤的氣干密度為0.46 g/cm3，單葉省藤為 0.55 g/cm3;黃藤的絕干密度為 0.43 g/cm3，單葉省藤為 0.52 g/cm3;黃藤基本密度為 0.39 g/cm3，單葉省藤為0.47 g/cm3。單葉省藤的密度明顯大于黃藤(見表1)。由于密度與力學(xué)強(qiáng)度存在一定正相關(guān)關(guān)系，即密度越大，其對應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度往往也越大，可以初步推斷單葉省藤的力學(xué)強(qiáng)度要大于黃藤。

2.2 吸濕吸水及干縮性

2.2.1 吸濕率和吸水率

黃藤的吸濕率為9.23%，在8.83% ～9.98%變化，單葉省藤為9.05%，在8.51% ～10.00%變化;黃藤的吸水率為144.76%，在82.73% ～196.25%變化，單葉省藤的吸水率為117.95%，在70.96% ～233.46%變化?？梢钥闯觯S藤比單葉省藤更易吸收水分，而且其變異性也小于單葉省藤(見表2)。

2.2.2 干縮濕脹性

黃藤的體積干縮率為0.42%，在0.29% ～0.76%變化，單葉省藤為0.48%，在0.36% ～0.80%變化;黃藤的吸濕體積膨脹率為3.78%，在0.62% ～6.27%變化，單葉省藤為4.37%，在1.66% ～8.98%變化;黃藤的吸水體積膨脹率為10.48%，在3.19% ～ 26.01% 變化，單葉省藤為13.15% ，在5.93% ～40.00%變化。可以看出黃藤的尺寸穩(wěn)定性要優(yōu)于單葉省藤，但兩者的變異性都很大(見表3)。

表1 2種藤材的密度

表2 2種藤材的吸濕率和吸水率

表3 2種藤材的干縮濕脹性

2.3 主要力學(xué)性質(zhì)

黃藤的抗彎彈模為1 525.46 MPa，單葉省藤為1 375.32 MPa;黃藤的抗彎強(qiáng)度為57.62 MPa，單葉省藤為67.88 MPa;黃藤的抗壓彈模為1 198.49 MPa，單葉省藤為1 597.18 MPa;黃藤的抗壓強(qiáng)度為23.54 MPa，單葉省藤為31.59 MPa。除抗彎彈性模量外，其他3項指標(biāo)單葉省藤均大于黃藤，與密度部分得出結(jié)論相符。另外，單葉省藤各項力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)都要比黃藤大，宏觀上是其直徑變異性的體現(xiàn)，在微觀上則由其纖維比量及形態(tài)的變異性決定(見表4)。

3 結(jié)論

黃藤的氣干密度、絕干密度和基本密度分別為 0.46、0.43、0.39 g/cm3，而單葉省藤的氣干密度、絕干密度和基本密度分別為 0.55、0.52、0.47 g/cm3。單葉省藤的密度明顯大于黃藤。

黃藤的吸濕率、吸水率分別為9.23%、144.76%，單葉省藤吸濕率、吸水率分別為9.05%、117.95%。黃藤比單葉省藤更易吸濕和吸收水分。

黃藤和單葉省藤的體積干縮率分別為0.42%和0.48%;黃藤、單葉省藤的吸濕體積膨脹率分別為3.78%和4.37%，吸水體積膨脹率分別為10.48%和13.15%?？梢钥闯鳇S藤的尺寸穩(wěn)定性要優(yōu)于單葉省藤。

黃藤、單葉省藤的抗彎彈模分別為1 525.46、1 375.32 MPa，抗彎強(qiáng)度分別為57.62、67.88MPa，抗壓彈模分別為1 198.49、1 597.18 MPa，抗壓強(qiáng)度分別為 23.54、31.59 MPa，除抗彎彈性模量外，其他3項指標(biāo)單葉省藤均大于黃藤。

表4 2種藤材的主要力學(xué)性質(zhì)

［1］江澤慧.世界竹藤［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002:566－569.

［2］袁哲，強(qiáng)明禮，杜官本.云南藤家具業(yè)的現(xiàn)狀與前瞻［J］.世界竹藤通訊，2006，4(4):8－11，26.

［3］袁哲.藤家具的研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2006.

［4］蔡則謨，許煌燦，尹光天，等.棕櫚藤利用的研究與進(jìn)展［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2003，16(4):479－487.