竹節(jié)對(duì)竹材動(dòng)態(tài)粘彈性的影響

劉紅征，于紅衛(wèi)，朱 勁

（1. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江 臨安 311300）

竹節(jié)對(duì)竹材動(dòng)態(tài)粘彈性的影響

劉紅征1，于紅衛(wèi)2*，朱 勁2

（1. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江 臨安 311300）

采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）分析同一竹子不同高度處的竹材制成厚度相同的有節(jié)與無(wú)節(jié)的試件，以及同一高度處的竹材制成不同厚度的有節(jié)與無(wú)節(jié)試件，研究其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：①竹材的儲(chǔ)能模量隨溫度的升高而下降，損耗模量在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前，隨溫度的升高而增大，超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，隨溫度的升高而下降，損耗因子的變化趨勢(shì)與損耗模量相同；②處于竹竿上部的竹材的常溫儲(chǔ)能模量要比下部的大，并且損耗峰溫度也要稍高于下部的竹材，竹青含量越高的試件的常溫儲(chǔ)能模量和損耗模量都越高；③含有竹節(jié)的竹材的儲(chǔ)能模量要稍高于不含竹節(jié)的竹材。

竹節(jié)；動(dòng)態(tài)粘彈性；儲(chǔ)能模量；損耗模量

中國(guó)竹林面積居世界第一位，現(xiàn)有純竹林面積520×104hm2，其中毛竹林面積約占 70%，占世界毛竹林面積90%以上。我國(guó)每年可砍伐毛竹約5億根，各類雜竹300余萬(wàn)t，每年的竹材產(chǎn)量相當(dāng)于1 500萬(wàn)m3以上木材[1]。

竹子是一種可再生的天然植物材料，并且其密度低，力學(xué)性能優(yōu)良，強(qiáng)度比一般木材高50% ~ 100%，比強(qiáng)度是杉木的1.5 ~ 2.5倍，是中碳鋼的2 ~ 3倍[2]。但由于竹材具有徑小、壁薄中空、尖削度大，外中內(nèi)層結(jié)構(gòu)成份有差異的特殊結(jié)構(gòu)，以及有著較強(qiáng)的生長(zhǎng)地域性，使得目前對(duì)竹材的研究與利用遠(yuǎn)不如木材。

毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens）雖剛性較大，但都具有粘彈性，在外界連續(xù)寬闊的溫度范圍內(nèi)，竹節(jié)是否對(duì)竹材的動(dòng)態(tài)粘彈性產(chǎn)生影響將對(duì)竹材在風(fēng)電葉片中的利用率產(chǎn)生影響。本研究通過(guò)采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）分析同一竹子的不同高度處的竹材制成厚度相同的有節(jié)（含有竹節(jié)）與無(wú)節(jié)的試件，以及同一高度處的竹材制成不同厚度的有節(jié)與無(wú)節(jié)試件，經(jīng)絕干處理后進(jìn)行研究，以了解其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化規(guī)律，這對(duì)確定風(fēng)電葉片復(fù)合材料毛竹增強(qiáng)相材料的加工和使用條件，提高竹材的利用率，評(píng)價(jià)使用性能具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用毛竹采自浙江省龍游縣，所采伐的均為5年生，長(zhǎng)度約15 m，距端頭1 m處的直徑在10 cm以上的新鮮、無(wú)腐朽與蟲(chóng)蛀的毛竹。此批毛竹的表面較光潔，截面較圓。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA，Q800型，美國(guó)TA儀器公司）、101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱、圓鋸機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件的制備 在距竹子端頭1、2、3 m處取材（所取的竹材均保留竹青部分[3]），鋸制成名義尺寸為36 mm ×12.5 mm×2.5 mm（長(zhǎng)度×寬度×厚度）的動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)試試件，并把2 m處的取材制成不同厚度（1、2，3mm）的試件，用砂紙砂光后，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15780-1995中竹材含水率的測(cè)定方法，將試件放入103±2℃的101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱中，烘至絕干，再把試件放入干燥器中保存，待測(cè)。

1.3.2 測(cè)試方法 本實(shí)驗(yàn)采用跨距為35 mm的雙懸臂梁夾具，多頻應(yīng)變模式，頻率為1、5，10 Hz，恒定應(yīng)變?yōu)?.02%，升溫速度為2℃/min，變溫范圍設(shè)定為35 ~ 220℃。先測(cè)量試件的寬度和厚度，輸入儀器中，再將試件放入動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀的樣品室的夾具中固定，關(guān)閉樣品室，然后將試件的實(shí)際長(zhǎng)度值數(shù)據(jù)輸入儀器中，開(kāi)始試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀的電腦自動(dòng)采集并處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

竹材的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作用下，聚合材料的應(yīng)變或應(yīng)力隨時(shí)間的變化，這是更接近材料實(shí)際使用條件的粘彈性行為[4]。由于在進(jìn)行溫度掃描時(shí)，不同頻率下所得各曲線的變化趨勢(shì)是相同的，因此，在進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，以1Hz頻率下的溫度譜為典型進(jìn)行分析。

2.1 相同厚度不同高度節(jié)子對(duì)儲(chǔ)能模量與損耗模量的影響

模量是材料受力時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，是材料抵抗變形能力的大小，反映材料的剛性。儲(chǔ)能模量，它反映材料形變過(guò)程由于彈性形變而儲(chǔ)存的能量。由圖1可以看出，儲(chǔ)能模量隨著溫度的升高而減小，其原因可能是：溫度在熔點(diǎn)或熱解點(diǎn)以下時(shí)，竹材像其他任何結(jié)固體（尤其是結(jié)晶性固體）一樣，由于溫度升高，纖維素的晶格受熱膨脹，原子勢(shì)能增大，熱分子的振蕩加劇，原子間距離增大，產(chǎn)生熱膨脹，對(duì)變形的抵抗性降低。并且在 175℃后迅速減小，這是因?yàn)槔w維素、半纖維素、木質(zhì)素的軟化，這三大主要成分的迅速降解，化學(xué)鍵的斷裂，纖維素結(jié)晶受到破壞[5]。損耗模量，它反映材料形變過(guò)程以熱損耗的能量。在ISO標(biāo)準(zhǔn)中，將損耗模量峰所對(duì)應(yīng)的溫度定義為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，隨溫度的升高，損耗模量逐漸增大，并在190 ~ 195℃出現(xiàn)損耗峰。這是由于在較低溫度區(qū)域內(nèi)竹材的主要組成成分纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的分子鏈大部分仍處于被凍結(jié)狀態(tài)，較少產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，分子間的摩擦產(chǎn)生的熱量較小，因而，損耗模量也較低。然而，隨著溫度的上升，外界提供給分子運(yùn)動(dòng)的能量，使非結(jié)晶的分子部分鏈段以及一些支鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從熱動(dòng)力學(xué)的角度，發(fā)熱內(nèi)部損耗模量增大。當(dāng)超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，竹材處于流動(dòng)態(tài)，分子鏈間摩擦力減小，因此，損耗的能量也減少。從圖1可知，有節(jié)試件和無(wú)節(jié)試件的儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化趨勢(shì)幾近一致。

由圖1、圖2、圖3可知，不同高度處的竹材的動(dòng)態(tài)粘彈性溫度譜變化一致，但竹材距離端頭越遠(yuǎn)其常溫儲(chǔ)能模量也就越大，這是因?yàn)橹窀蜕喜康木S管束密度較大，導(dǎo)管孔徑較細(xì)，所以密度較大，而竹竿下部的維管束密度較小，導(dǎo)管孔徑較粗，密度較小。毛竹竹竿自其基部至梢部，密度逐步增大，而密度在力學(xué)上也正反映的是剛度。

竹材本身所處竹竿的部位（高度方向上）對(duì)其動(dòng)態(tài)粘彈性的影響較大，而竹節(jié)對(duì)竹材動(dòng)態(tài)粘彈性的影響不太明顯。這是由于竹材的主要組成部分維管束的大小和密度隨竹竿部位、大小和竹種的不同而異。同一竹竿，自基部至梢部，維管束總數(shù)一致，但維管束的橫斷面積隨竿高增大而逐漸縮小，密度逐漸增大。所以高度對(duì)竹材的動(dòng)態(tài)粘彈性的影響較大，而有節(jié)與無(wú)節(jié)竹材取自同一高度，密度相差不大。竹竿上部的剛度高，其松弛過(guò)程的損耗峰溫度高于剛度較低的下部，這與許多高聚物復(fù)合材料的情況是相同的。

損耗因子即損耗角正切，是損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值。由圖1至圖4可知，損耗因子的變化趨勢(shì)與損耗模量相同。在玻璃化轉(zhuǎn)變之前，損耗因子隨溫度的升高而升高，超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），隨溫度的升高而下降。這是因?yàn)楫?dāng)實(shí)際溫度T < Tg時(shí)，形變主要是由鍵長(zhǎng)、鍵角的變化引起，形變速度快，幾乎完全跟得上應(yīng)力的變化，損耗因子??；在Tg附近時(shí)，鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，而體系粘度很大，鏈段運(yùn)動(dòng)很難，內(nèi)摩擦阻力大，形變明顯落后于應(yīng)力的變化，損耗因子大幅度升高；當(dāng)T > Tg時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)較自由、容易，受力時(shí)形變大，內(nèi)摩擦阻力大于玻璃態(tài)，損耗因子小[8]。從圖 4可以看出，有節(jié)和無(wú)節(jié)試件的損耗因子的變化趨勢(shì)幾乎同步，這也進(jìn)一步反映出竹節(jié)對(duì)竹材的動(dòng)態(tài)粘彈性的影響甚微。

2.2 相同高度不同厚度節(jié)子對(duì)儲(chǔ)能模量與損耗模量的影響

由圖5至圖7可知，不同厚度的有節(jié)與無(wú)節(jié)試件的儲(chǔ)能模量與損耗模量的變化趨勢(shì)和前面相同厚度不同高度試件的變化趨勢(shì)相同，并且厚度越小的試件的常溫儲(chǔ)能模量與損耗模量都越大，有節(jié)試件的常溫儲(chǔ)能模量和損耗模量都要比無(wú)節(jié)試件的稍大。厚度為1 mm的試件的常溫儲(chǔ)能模量達(dá)到了60 GPa，損耗模量達(dá)到1 500 Mp，而厚度為3 mm的試件的常溫儲(chǔ)能模量?jī)H為25 GPa，損耗模量?jī)H為600 Mpa。這是因?yàn)樵嚰谌〔臅r(shí)保留了竹青部分，厚度為1 mm的試件幾乎全部是竹青，而隨著試件厚度的增大，竹肉甚至竹黃的含量增加，試件中竹青所占比例逐漸下降。各個(gè)試件的損耗峰在190 ~ 200℃，且隨著試件厚度的增加，損耗峰向低溫方向移動(dòng)。

從圖8可以看出，相同高度不同厚度試件的損耗因子的變化趨勢(shì)與相同厚度不同高度試件的變化趨勢(shì)一致，即在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，損耗因子隨溫度的升高而升高，超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，損耗因子減小。隨著試件厚度的增加，損耗因子稍稍減小，并且損耗因子峰向低溫方向移動(dòng)。有節(jié)試件與無(wú)節(jié)試件的損耗因子的變化幾乎同步，這也正說(shuō)明節(jié)子對(duì)竹材的影響很小。

3 結(jié)論

（1）竹材的儲(chǔ)能模量隨溫度的升高而下降, 這個(gè)規(guī)律不會(huì)受到竹材所處竹子的部位和試件本身厚度的影響；損耗模量在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前，隨溫度的升高而增大，超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，隨溫度的升高而下降；損耗因子的變化趨勢(shì)與損耗模量相同。

（2）處于竹竿上部的竹材的常溫儲(chǔ)能模量要比下部的大，并且損耗峰溫度也要稍高于下部的竹材。竹青含量越高的試件的常溫儲(chǔ)能模量和損耗模量都越高。

（3）含有竹節(jié)的竹材的儲(chǔ)能模量要稍高于不含竹節(jié)的竹材。竹節(jié)對(duì)竹材的動(dòng)態(tài)粘彈性的影響很小，比竹材所處竹竿部位（高度方向上）和竹青在竹材中的含量的影響要小的多。

[1]向仕龍，蔣遠(yuǎn)舟. 非木材植物人造板[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2008.

[2] 程秀才. 竹塑復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理和應(yīng)用展望[J]. 國(guó)際木業(yè)，2001（11）：45－47.

[3] 黃曉東. 用與風(fēng)電葉片的分級(jí)竹層級(jí)材和杉木層級(jí)材的制造與評(píng)價(jià)[D]. 北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2008.

[4] 金日光，華幼卿. 高分子物理 [M]. 北 京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[5] 唐榮強(qiáng). 高溫?zé)崽幚砟静膭?dòng)態(tài)粘彈性研究 [D].臨安：浙江農(nóng)林大學(xué)，2011.

Influence of Bamboo Joint on Dynamic Viscoelasticity of Culm

LIU Hong-zheng1，YU Hong-wei2，ZHU Jing2
（1. Zhejiang Dasso Industrial Group Limited Company, Hangzhou 311251, China; 2. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China）

Experiments were conducted on influence of bamboo joint on dynamic viscoelasticity of specimen from different part of culm using dynamic mechanical analysis. The result demonstrated that bamboo storage modulus decreased with increase of temperature, loss modulus had positive relation with temperature before glass transition, and loss factor had similar change tendency as loss modulus. Storage modulus of specimen at the upper part was larger than that at the lower part at room temperature, and the loss modulus was the same. Storage modulus of speciment with joint was slightly higher than that without joint.

bamboo joint; dynamic viscoelasticity; storage modulus; loss modulus

S781.2

A

1001-3776（2013）03-0020-04

2013-01-23；

2013-04-03

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“高強(qiáng)度竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù)”（2010AA101701）子課題“風(fēng)電槳葉用片狀單元高強(qiáng)度竹層級(jí)材產(chǎn)業(yè)化示范線建設(shè)”（2010AA101701-02）

劉紅征（1973－），男，黑龍江海林人，工程師，從事竹材加工與利用研究；*通訊作者。