云南4種棕櫚藤材彎曲性能比較*

曹積微,袁哲,強明禮

(西南林業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，云南　昆明，650224)

?

云南4種棕櫚藤材彎曲性能比較*

曹積微,袁哲,強明禮

(西南林業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，云南昆明，650224)

通過對云南4種棕櫚藤材抗彎、抗壓、抗拉性能變異及密度變異進行測量，評價藤材的彎曲性能。結(jié)果表明，(1)云南省藤和版納省藤材質(zhì)均勻，彎曲性能好，是優(yōu)良的藤制品用材。鉤葉藤和高地鉤葉藤沿徑向密度和各力學(xué)性質(zhì)差異明顯，藤芯脆弱，密度小，但藤皮力學(xué)性能好，加工利用中藤芯不宜單獨使用，藤皮可作為編織材料，彎曲成型過程中宜整藤使用；(2)與木材和竹材比較,4種棕櫚藤材力學(xué)性質(zhì)差異明顯：抗壓強度與抗拉強度較低，抗壓比例極限應(yīng)力與強度的比值較小，破壞變形量大，彈性模量小而抗彎強度大，具有獨特的柔韌性，具有良好的彎曲性能和工藝性能。

棕櫚藤；彎曲性能；抗壓強度；抗拉強度；密度

棕櫚藤屬于棕櫚科(Palmae)藤類植物，是熱帶和亞熱帶森林中的多用途植物資源[1]。其去鞘藤莖集強度、韌性、彈性和易于造型等工藝特性于一身，是家具和工藝品制作的優(yōu)良材料。藤材的彎曲是藤制品加工過程中的主要工藝之一，彎曲性能是評價棕櫚藤材性的重要指標(biāo)，也是決定藤材使用范圍的主要依據(jù)。

棕櫚藤材與木材、竹材相比，其材質(zhì)輕、彈性模量小而抗彎強度大，達(dá)到破壞時變形量大，具有良好的塑形，容易彎曲定型，藤材的這種特性主要是其薄壁細(xì)胞含量高所致[2～3]。藤莖中機械組織分布不均勻，棕櫚藤徑向力學(xué)性質(zhì)差異對藤材分等分類利用及其加工工藝特性都有重要意義。目前，國內(nèi)外對棕櫚藤的研究多為栽培技術(shù)、生物學(xué)特性、解剖特征等，對藤材工藝特性的研究還十分匱乏，尚處于理論研究落后于生產(chǎn)加工的現(xiàn)狀。本文通過對云南4種棕櫚藤材的徑向抗彎、抗拉和抗壓性能差異和密度變異進行探討，以此評價其彎曲性能，為棕櫚藤材的綜合加工利用提供理論基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料

所用云南省藤(Calamusyunnanensis)、版納省藤(C.nambariensisvar.xishuangbannaensis)、高地鉤葉藤(Plectocomiahimalayana)采自云南省西雙版納傣族自治州大勐龍鎮(zhèn)，鉤葉藤(P.kerrana)采自云南省德宏州。藤材均生長正常，無病蟲害(表1)。

1.2方法

國內(nèi)外關(guān)于藤材物理力學(xué)性質(zhì)測試均無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本試驗在木材、竹材和人造板等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外棕櫚藤力學(xué)性能測試方法，利用日本島津AG-I萬能力學(xué)試驗機測試。其中，抗彎強度和抗彎彈性模量測試中，采用中央單點加荷三點彎曲，跨距為120mm，加荷輥和支承輥直徑均為15mm，加載速率為20mm/min，并計算藤材的抗彎彈性模量和抗彎強度。

表1　藤材采集基本情況

試件尺寸為:彎曲性能測試，長160mm×D(直徑)的圓形整藤試樣和長160mm×10mm×5mm的矩形藤片試樣；抗拉強度測試，徑向厚度2mm，弦向?qū)挾?0mm，縱向長160mm，破壞斷面為2mm×3mm，最小斷面長度6mm；抗壓強度測試，30mm×D(直徑)的整藤試樣和矩形截面試樣。矩形藤片試樣、抗拉、抗壓強度測試試樣沿徑向從藤皮向藤芯部位依次取樣，分為藤芯、藤中部及藤皮，樣本數(shù)為30，取平均值做數(shù)據(jù)分析，并依次以向南藤皮(藤皮S)、向南藤中部(中部S)、藤芯部、向北藤中部(中部N)和向北藤皮(藤皮N)取樣，作為徑向抗彎、抗壓、抗拉性能的橫坐標(biāo)制圖。

2　結(jié)果與分析

2.1圓形整藤試樣的彎曲特性

抗彎強度(MOR)和抗彎彈性模量(MOE)是藤材材質(zhì)判定的主要因子，統(tǒng)計出4種藤材圓形整藤試樣抗彎強度和抗彎彈性模量(表2)。

表2　圓形整藤試樣抗彎性能

注：試樣含水率為12%，測定值下方百分比為該測定值的變異系數(shù)。

4種藤材抗彎強度和抗彎彈性模量從大到小依次為云南省藤>版納省藤>高地鉤葉藤>鉤葉藤。在達(dá)到破壞強度時，4種藤材的變形量都很大，與木材、竹材相比，藤材塑性良好，易于彎曲定型[2～4]。

2.2藤材徑向彎曲性能變異

4種藤材徑向彎曲性能變異見圖1。

圖14種藤材徑向彎曲性能變異

Fig.1Bending property variation of 4 rattan species in radial direction

抗彎強度和抗彎彈性模量，云南省藤和版納省藤的藤芯、藤皮差異較?。桓叩劂^葉藤和鉤葉藤的藤芯、藤皮差異十分顯著。彎曲測試中，高地鉤葉藤和鉤葉藤的藤中部、藤芯部試樣在變形量很小的情況下呈現(xiàn)出明顯的脆性材料的斷裂特征。對于諸如高地鉤葉藤和鉤葉藤的藤芯、藤皮差異較大的藤材，藤皮對藤芯的抗彎特性有重要貢獻(xiàn)，這與藤皮內(nèi)在成分尤其是纖維素含量較大等構(gòu)造差異密切相關(guān)[5]。以上結(jié)果表明云南省藤和版納省藤的藤芯和藤皮彎曲性能都較好，而鉤葉藤和高地鉤葉藤的彎曲性能徑向差異大，藤芯十分脆弱。

圖24種藤材抗壓和抗拉性能變異

Fig.2Compressive and extension strength variation of 4 rattan species in radial direction

2.3藤材徑向抗壓和抗拉性能變異

藤材彎曲過程中，呈上凹下凸的變形，上部受到順紋壓力，下部受到順紋拉力，應(yīng)力大小與距中性軸的距離成正比。4種藤材抗壓及抗拉性能見圖2。

4種藤材藤皮部抗壓強度約為20～28MPa，以云南省藤和版納省藤抗壓強度變異最小，其藤中部、芯部與藤皮抗壓強度相當(dāng)；高地鉤葉藤和鉤葉藤徑向抗壓強度變異明顯，藤芯部約為藤皮部抗壓強度的14%～29%。與木材和竹材相比，藤材的抗壓比例極限應(yīng)力與強度的比值較小，破壞變形量大，易于彎曲加工[6]。

藤皮抗拉強度均不同程度地大于該部位的抗壓強度；藤皮抗拉強度大于藤芯。因此，在藤材彎曲過程中，隨著變形量的增大，中性層逐漸向下位移，直到藤材彎曲破壞[7]。4種藤材中，以鉤葉藤藤皮抗拉強度最大，約70～80MPa，高地鉤葉藤次之，約60～70MPa，然后是云南省藤和版納省藤；藤芯則以鉤葉藤和高地鉤葉藤最為脆弱。鉤葉藤的藤芯抗拉強度，僅約為藤皮抗拉強度的8%，高地鉤葉藤則約為14%。

2.4藤材徑向密度變異與彎曲性能的關(guān)系

4種藤材徑向密度(氣干)變化(圖3)表明，藤材的密度及自藤皮至藤芯的密度變化與藤材的加工性和利用范圍有密切關(guān)系。

圖3　4種藤材徑向密度(氣干)變異

總體而言，藤材在靠近藤皮部位密度較大，中心較小，這是由于藤皮部位纖維含量較高，藤芯部位纖維含量較小，高度木質(zhì)化的厚壁纖維可增大藤材比重且近藤皮處細(xì)胞尺寸小、數(shù)量多。4種藤材間的密度分布也有明顯差異：以鉤葉藤藤皮密度最大，云南省藤和版納省藤次之，高地鉤葉藤最?。惶傩緞t以高地鉤葉藤和鉤葉藤密度最??；云南省藤和版納省藤徑向密度變異較小，藤芯部位基本與藤皮部位相當(dāng)，部分版納省藤的藤皮密度小于藤芯密度，這與藤材徑向彎曲性能變異規(guī)律一致；鉤葉藤和高地鉤葉藤徑向密度變異較大，藤芯部位明顯小于藤皮部位，藤皮部位密度很大(鉤葉藤藤皮密度平均為0.51g/cm3，高地鉤葉藤則平均為0.39g/cm3)，藤芯密度很小(鉤葉藤藤芯密度平均為0.15g/cm3，高地鉤葉藤則平均為0.17g/cm3)。

相關(guān)研究[2～3,8]表明，當(dāng)藤芯密度小于0.25g/cm3時，材料比較脆弱。云南省藤和版納省藤質(zhì)地均勻，可以彎曲、剖分編織等，是優(yōu)良的家具用材；鉤葉藤和高地鉤葉藤質(zhì)地均勻程度低，藤皮和藤芯抗拉強度大，可作為編織材料，但藤芯脆弱不宜單獨使用。

4種藤材力學(xué)性質(zhì)與密度回歸關(guān)系(表3)表明，藤材的密度與抗彎強度、抗彎彈性模量、抗彎強度和抗拉強度均為正相關(guān)。

表3　4種藤材力學(xué)性質(zhì)與密度回歸關(guān)系

3　結(jié)論

通過對生長于云南4種棕櫚藤的研究，獲得如下結(jié)論。

(1)云南省藤和版納省藤徑向密度變異小，材質(zhì)均勻，彎曲性能好；鉤葉藤和高地鉤葉藤藤芯脆弱，藤芯密度明顯小于藤皮，藤皮力學(xué)性能好，從材料力學(xué)原理看，其藤芯密度小，性能差，這樣可以相對較好地發(fā)揮藤材本身的彎曲性能，因此，高地鉤葉藤和鉤葉藤的藤芯不宜單獨使用，藤皮可作為編織材料，彎曲成型中宜整藤使用。同時，藤皮和藤中部的南北向之間其力學(xué)性能及密度不存在明顯規(guī)律性和差異。

(2)與木材和竹材彎曲性能相比較，棕櫚藤材的力學(xué)性質(zhì)差異明顯：抗壓強度與抗拉強度較低，抗壓比例極限應(yīng)力與強度的比值較小[7]，破壞變形量大，彈性模量小而抗彎強度大，具有獨特的柔韌性，具有良好的彎曲性能和工藝性能；由于藤材徑向力學(xué)性能有差距，在棕櫚藤材的加工利用中，應(yīng)根據(jù)藤材性質(zhì)的不同進行分類、分等以高效利用。

(3)藤材軟化點低，在藤材的彎曲過程中，對藤材進行適當(dāng)?shù)能浕缘玫礁玫乃苄?，有利于藤材的加工利用過程中的彎曲成型，提高綜合利用效率[9]。

[1]江澤慧,蕭江華,許煌燦.世界竹藤[M].沈陽:沈陽科技出版社,2002：509-612.

[2]吳順昭,王義仲.外國五種藤材的物理性質(zhì)與機械性質(zhì)研究[J].林產(chǎn)工業(yè),1994,13(2):240-250.

[3]吳順昭,王義仲.馬來西亞產(chǎn)商用藤材之物理性質(zhì)與機械性質(zhì)研究[R].臺灣大學(xué)試驗林業(yè)研究報告,1995,9(1):13-31.

[4]吳順昭,王義仲.黃藤材之物理性質(zhì)[J].中華林學(xué)季刊,1991,24(2):99-110.

[5]呂文華,江澤慧,吳玉章.黃藤材的化學(xué)組成特性[J].林業(yè)科學(xué),2009,45(7):96-100.

[6]王玉榮,江澤慧,任海青,等.棕櫚藤工藝學(xué)特性研究及其新進展[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2008,36(5):4-5.

[7]呂文華,劉杏娥.棕櫚藤材的抗彎強度測試方法[J].木材加工機械,2012,23(1):1-5

[8]吳順昭,王義仲.黃藤材之物理性質(zhì)[J].中華林學(xué)季刊,1991,24(2):99-110.

[9]Abasobo W P,Yoshida M,Yama moto H.Thermal softening of rattan canes: influence of hemicellulose-lignin matrix[J].世界竹藤通訊,2003(4):32-36.

Bending Properties of 4 Rattan Canes in Yunnan

CAO Ji-wei,YUAN Zhe,QIANG Ming-li

(Southwest Forestry University，College of Materials Engineering,Yunnan Kunming 650224， P.R.China)

The air-dry density,bending strength,compressive strength and extension strength ofCalamus.yunanensis，C.nambariensisvar.xishuangbannaensis,Plectocomia.himalayanaandP.kerranain Yunnan were studied in this research.The result showed that: (1)C.yunnanensisandC.nambariensishad good performance for utilization with good bending property and non-significant differences in radial horizontal direction (core,middle and cortex parts).There were significant differences ofP.himalayanaandP.kerranain radial horizontal direction,and the core part was weak because of low density,but mechanical properties in cortex part were good.In this sense,the core part should not be utilized separately ,while cortex part can be used for knit and it was better to utilized as a whole during bending processing.(2) Compared with wood and bamboo,the differences of rattan mechanical properties were significant because of lower compressive strength and extension strength,larger damage deformation,lower MOE and larger MOR.

rattan canes;bending property;compressive strength;extension strength;air-dry density

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.024

2015-09-27

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(2012FB167)。

曹積微(1990-)，男，碩士研究生，主要從事棕櫚藤材彎曲工藝及機理研究。E-mail:caojiwei.mail@qq.com

簡介：袁哲(1975-)，女，博士，主要從事家具設(shè)計、家具材料與工藝研究。E-mail:yuan-zhe@sohu.com

S 781

A

1672-8246(2016)03-0132-05