不同竹材機(jī)械開纖條件及其纖維特性分析

張金燁，姚文斌，張 蔚，俞偉鵬，祁獻(xiàn)超，徐海宇

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300； 2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，浙江 紹興 311800)

竹材一般用于造紙制漿、竹板材或竹編工藝品等領(lǐng)域，其附加值低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展正受到挑戰(zhàn)。近年來，竹原纖維作為一種性能優(yōu)異的植物纖維,在室內(nèi)家居、汽車內(nèi)飾等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，其附加值高，工業(yè)應(yīng)用前景廣闊，為竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了可能[1]。竹原纖維物理形態(tài)和性質(zhì)與其應(yīng)用范圍密切相關(guān)，在生產(chǎn)的過程中應(yīng)做好對(duì)不同竹材種間材性的關(guān)注,并加強(qiáng)對(duì)其的研究和探索，解決竹材加工利用中不同竹種存在差異、機(jī)械開纖時(shí)竹纖維難提取等問題。

竹材種屬可分為叢生竹、散生竹和混生竹3類，叢生竹面積最大，散生竹第二。叢生型竹主要有慈竹(Neosinocalamusaffinis)、硬頭黃(Bambusarigida)、麻竹(Dendrocalamuslatiflorus)、撐篙竹(B.pervariabilis)等。散生型竹主要有剛竹(Phyllostachyssulphurea)、水竹(Ph.heteroclada)、毛竹(Ph.edulis)等?；焐椭裼锌嘀?Pleioblastusamarus)、箬竹(Indocalamustessellatus)等[2]；不同竹種纖維形態(tài)存在差異，叢生型竹有著最大的維管束長(zhǎng)度、寬度和長(zhǎng)寬比,散生竹最小,混生竹居中[3]；不同竹種纖維組織比量存在差異纖維組織比量越高其纖維得率越高[4-7]；不同竹材含水率存在差異，含水率會(huì)改變竹材的機(jī)械強(qiáng)度從而影響竹材制品的質(zhì)量[8]；現(xiàn)階段毛竹由于其竹類資源的巨大優(yōu)勢(shì)成為了學(xué)者與工業(yè)加工的研究熱點(diǎn)，但其它種屬的竹材研究開發(fā)的廣度、深度得不到拓展。不同竹材機(jī)械分離效果的研究較少，竹材特性對(duì)制備纖維的質(zhì)量未見報(bào)道。

研究根據(jù)現(xiàn)有的軟化工藝，采用堿液煮沸軟化法，討論了竹材種類、初始含水率、軟化方法對(duì)各竹材機(jī)械開纖條件、纖維特性的影響。采用堿液煮沸設(shè)備對(duì)竹材進(jìn)行軟化試驗(yàn)，使用機(jī)械碾壓開纖機(jī)對(duì)竹材進(jìn)行機(jī)械開纖試驗(yàn)，通過記錄增重率、得纖率以及纖維特性和物理形態(tài)來評(píng)價(jià)開纖的效果。研究了不同竹材、不同條件對(duì)機(jī)械開纖效果的影響，為實(shí)現(xiàn)各類竹材的高效利用、各類竹材纖維找到最合理的應(yīng)用領(lǐng)域提供技術(shù)支撐和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該實(shí)驗(yàn)所選用的竹材均來自四川宜賓，竹齡是2 a，其中有硬頭黃、毛竹、慈竹、苦竹等材料。不同竹種高度、胸徑存在不同，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確，取各竹種長(zhǎng)勢(shì)良好無病害的竹中部位一段為試驗(yàn)用材。將不同種類的竹材切筒、開片后，根據(jù)容器和試驗(yàn)要求剖成竹片。試驗(yàn)所用竹片的尺寸均為：1 500 mm×20 mm×10 mm (長(zhǎng)×寬×高)。

軟化試劑：氫氧化鈉(NaOH)，化學(xué)分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

竹材剖片機(jī):浙江農(nóng)林大學(xué)課題組自制；鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A，上海溪乾儀器設(shè)備有限公司；蒸煮軟化設(shè)備：DZFZ-3-0.4,東陽市佳先機(jī)械制造有限公司；電子天平：BSM-2200，上海卓精電子科技有限公司；機(jī)械碾壓開纖機(jī)：浙江農(nóng)林大學(xué)課題組自制；纖維細(xì)度儀：YG002，溫州百恩儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1堿液煮沸軟化 將竹筒用竹材剖片機(jī)制成竹片，再放入蒸煮軟化設(shè)備中進(jìn)行軟化試驗(yàn)，軟化試劑濃度為5%，蒸煮溫度為200℃。試驗(yàn)時(shí)保證溶液沒過竹片，防止竹材漂浮對(duì)軟化效果產(chǎn)生影響。軟化時(shí)間為6 h時(shí)，取出竹片分別測(cè)量其質(zhì)量，測(cè)量時(shí)將竹片從蒸煮軟化設(shè)備中取出，瀝干表面上的溶液后稱量其質(zhì)量并記錄。

1.3.2增重率測(cè)定 對(duì)于竹材軟化溶液的滲透效果，選用質(zhì)量增重率來評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下：

式中：W1為增重率；m0為堿液煮沸軟化試驗(yàn)前的竹片質(zhì)量；m1為滲透試驗(yàn)后的竹片質(zhì)量。

1.3.3纖維得率測(cè)定 對(duì)于各竹材開纖性能效果，選用纖維得率來評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下：

式中：W2為纖維得率；m2為烘干后竹纖維的絕干質(zhì)量，m3為堿液煮沸軟化試驗(yàn)前的竹片的絕干質(zhì)量。

1.3.4纖維長(zhǎng)度測(cè)定 竹纖維的長(zhǎng)度指的是竹纖維的縱向尺寸，使用手排長(zhǎng)度測(cè)試方法將彎曲狀纖維捋直后繪制在坐標(biāo)軸上，測(cè)量其長(zhǎng)度值，每根纖維測(cè)量3次取其平均值。

1.3.5纖維細(xì)度測(cè)定 纖維的細(xì)度指的是纖維直徑或截面面積的大小，采用纖維寬度法測(cè)量竹纖維細(xì)度。

1.3.6纖維力學(xué)性能測(cè)定 竹纖維拉伸性能測(cè)試參考竹原纖維斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法(DB51/T2149.4-2016)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸煮軟化處理對(duì)不同竹林纖維開纖效果的影響

將不同竹材的試件尺寸制作為1 500 mm×20 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高)，放入蒸煮軟化設(shè)備，設(shè)施溫度為200 ℃，軟化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，軟化時(shí)間6 h。每種竹材含水率都設(shè)置2個(gè)區(qū)間，分別為新鮮竹材組與干燥竹材組。試驗(yàn)結(jié)束后將試件從蒸煮軟化設(shè)備中取出，瀝干表面上的溶液后稱量其質(zhì)量并記錄。采用機(jī)械碾法進(jìn)行竹纖維的制取，各竹片選取的部位一致，有且只有1個(gè)竹節(jié)。

由表1可知，不同竹材開纖的適宜條件存在不同。叢生竹(硬頭黃、慈竹)在蒸煮軟化處理時(shí)間為6 h時(shí)獲得了較高的增重率和最終含水率，且纖維得率較高。經(jīng)過機(jī)械碾壓開纖后慈竹新鮮試件纖維得率最高，為65.47%，比同樣是叢生竹的硬頭黃提高了22.12%；散生竹(毛竹)增重率和最終含水率較低，新鮮組與較干組在最終含水率上差異最大，新鮮組試件最終含水率比絕干組提高了112.8%，提取的竹纖維最少，較干組纖維得率為34.74%；混生竹(苦竹)增重率和最終含水率在叢生竹與散生竹之間，較干組試件最終含水率大于新鮮組，提高了18%；這是由于各種竹材結(jié)構(gòu)不同，竹種維管束大小、分布結(jié)構(gòu)不盡相同，叢生竹維管束形體大、密度小，散生竹維管束形體小、密度大[9]。維管束中的木質(zhì)部導(dǎo)管是傳輸水分和無機(jī)鹽的重要通道，叢生竹節(jié)間木質(zhì)部導(dǎo)管里沒有侵填體的存在，侵填體會(huì)堵塞導(dǎo)管使其喪失疏導(dǎo)功能[3，10]。叢生竹的組織纖維平均比量比散生竹高，纖維組織比量大的竹材有更高的纖維得率[6-7]。在相同條件下軟化參數(shù)對(duì)叢生竹與混生竹的影響大于散生竹，能獲得較好的軟化效果且纖維得率高。

表1 不同竹材開纖效果表

不同含水率竹材開纖的適宜條件存在不同，新鮮組試件碾壓開纖后纖維得率較高，較干竹材試件(初始含水率低)經(jīng)過蒸煮軟化后纖維得率低于新鮮竹材，其中慈竹組別差異最大為11.54%，含水率對(duì)毛竹的纖維得率影響較小，初始含水率為5%的試件較新鮮組纖維得率降低了12.20%。這是由于含水率是竹材力學(xué)性能的重要影響因素，在含水率絕干到纖維飽和點(diǎn)范圍內(nèi)，物理力學(xué)性能隨著含水率的增大而降低[11]。最終含水率的不同會(huì)導(dǎo)致竹材宏觀力學(xué)性能的變化從而影響其在機(jī)械碾壓開纖機(jī)上的性能，軟化改性后的竹片的含水率越高，竹材力學(xué)性能越差，其基體的結(jié)合力越小，越容易開纖，纖維得率更高。

在生產(chǎn)加工中，叢生竹由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)其增重率較高，在軟化過程中含水率高，達(dá)到機(jī)械制纖所需條件的時(shí)間短。叢生竹纖維組織比量大，機(jī)械開纖得率高。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇較低初始含水率的叢生竹竹材，在節(jié)省工序時(shí)間的同時(shí)獲得較高的纖維得率。

2.3 蒸煮軟化處理對(duì)不同竹材纖維長(zhǎng)度的影響

將蒸煮軟化處理后的竹片從蒸煮軟化設(shè)備中取出，擦去表面的堿液，采用機(jī)械碾壓的方法制取纖維，竹片長(zhǎng)度為60 cm，碾壓過程中竹片橫向產(chǎn)生變形分裂成束。梳理后的纖維需要經(jīng)過進(jìn)一步的清洗和風(fēng)干。不同竹材纖維的長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 竹材纖維長(zhǎng)度對(duì)比表

根據(jù)不同竹材的開纖其長(zhǎng)度分布占比繪制頻率與長(zhǎng)度分布圖與竹材纖維長(zhǎng)度對(duì)比表。如表所示新鮮組硬頭黃的平均纖維最長(zhǎng)為40.57 cm，竹纖維長(zhǎng)度在45～60 cm區(qū)間占比最大；新鮮組里苦竹的纖維平均長(zhǎng)度最短38.95 cm，竹纖維長(zhǎng)度在45～56 cm區(qū)間占比最大；干燥組里毛竹的平均纖維最長(zhǎng)39.05 cm，纖維長(zhǎng)度在35～45 cm區(qū)間占比最大。干燥組里苦竹平均長(zhǎng)度最短為36.38 cm，纖維長(zhǎng)度在35～45 cm區(qū)間占比最大。

由表2可以看出影響不同竹種制備的竹纖維長(zhǎng)度存在差異但變異系數(shù)較小，不同的竹材制取的纖維長(zhǎng)度良好且相對(duì)均勻，能保證一定的長(zhǎng)度。新鮮竹材機(jī)械制取的纖維平均長(zhǎng)度普遍大于干燥組制取的纖維，硬頭黃與苦竹新鮮組與干燥組制取的纖維差距最大，毛竹新鮮組與干燥組制取的纖維差距最小。新鮮的竹材更適合制取長(zhǎng)纖維產(chǎn)品。

由圖1可以看出，蒸煮軟化處理后不同竹材開纖得到的纖維長(zhǎng)度分布接近，各竹材機(jī)械制得的竹纖維長(zhǎng)度從短到長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)，纖維長(zhǎng)度在45～60 cm區(qū)間占比最大，達(dá)到半數(shù)以上。

圖1 新鮮竹材纖維長(zhǎng)度分布Fig.1 Length distribution of fresh bamboo

由圖2可以看出，蒸煮軟化處理后不同的竹材開纖得到的纖維在長(zhǎng)度分布接近，各竹種竹片制得的竹纖維長(zhǎng)度從短到長(zhǎng)呈先遞增后下降趨勢(shì)，纖維長(zhǎng)度在30～45 cm區(qū)間占比最大，相比于新鮮組試樣，干燥組竹材制得的竹纖維在短纖維長(zhǎng)度區(qū)間分布較少，絕大部分纖維長(zhǎng)度在30 cm以上。

圖2 干燥竹材纖維長(zhǎng)度分布Fig.2 Fiber length distribution of dried bamboo

竹種對(duì)纖維長(zhǎng)度影響較小，各竹材機(jī)械提取的纖維長(zhǎng)度分布差異不顯著。初始含水率對(duì)其機(jī)械開纖后的纖維長(zhǎng)度影響顯著，干燥竹材制備的短絨狀纖維少，長(zhǎng)纖維占比高。在竹材加工應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)竹材進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚恚欣谳^長(zhǎng)纖維的制備，拓展其應(yīng)用范圍。

2.4 蒸煮軟化處理對(duì)不同竹材纖維細(xì)度的影響

將機(jī)械碾壓制取的不同竹種纖維試樣分組并標(biāo)記，記錄細(xì)度并取其平均值。

不同竹材制取的竹原纖維細(xì)頻率分布圖如圖，由圖4可以看出新鮮組硬頭黃、毛竹、慈竹纖維細(xì)度主要分布在100～175 μm、200～250 μm、150～225 μm區(qū)間，苦竹在225 μm細(xì)度區(qū)間分布最多。新鮮硬頭黃機(jī)械開纖均勻且細(xì)度小，平均細(xì)度為135.15 μm，纖維的細(xì)化效果最好。毛竹、苦竹纖維的細(xì)化效果差，開纖試驗(yàn)得到的纖維變異系數(shù)大。

圖3 新鮮竹材纖維細(xì)度分布Fig.3 Fineness distribution of fresh bamboo fiber

圖4 干燥竹材纖維細(xì)度分布Fig.4 Fineness distribution of dried bamboo

不同新鮮竹材制取的竹纖維細(xì)度頻率分布如圖4所示。干燥組硬頭黃竹的平均纖維直徑為 137.81 μm，纖維的細(xì)化效果最好。從干燥組纖維細(xì)度頻率分布圖來看，纖維主要分布在100～200 μm區(qū)間，可以看出干燥組竹材種類對(duì)纖維細(xì)度的影響沒有新鮮組大，各竹材制得的纖維較為均勻且細(xì)度區(qū)間接近。

不同竹種機(jī)械開纖后纖維細(xì)度存在差異，細(xì)度在100～300 μm之間均有分布。低初始含水率竹材機(jī)械提取后纖維細(xì)度差異小，制備的纖維細(xì)度均勻。在竹材加工應(yīng)用時(shí)，干燥處理后的竹材，有利于纖維質(zhì)量的控制，不會(huì)存在各竹材纖維良莠不齊的現(xiàn)象。

2.5 不同竹材纖維力學(xué)性能對(duì)比

將細(xì)度測(cè)試后的不同竹種纖維試樣隨機(jī)抽取，放置在電子多功能力學(xué)強(qiáng)力機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，每種竹材各制作30組試件，記錄并取平均值。

各竹材纖維力學(xué)性能由表3所示。由表3可以看出各竹材機(jī)械制取的竹原纖維力學(xué)性能存在顯著差異。硬頭黃與毛竹纖維力學(xué)性能較好，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量均高于其它竹材纖維，其中硬頭黃纖維數(shù)值最大，說明其纖維剛性最強(qiáng)、抵抗彈性變形的能力最強(qiáng)。毛竹纖維斷裂伸長(zhǎng)率最大，說明其纖維抗撕裂的程度最高。

表3 竹材纖維力學(xué)性能對(duì)比表

初始含水率對(duì)竹材蒸煮軟化實(shí)驗(yàn)后機(jī)械提取的纖維力學(xué)性能影響不顯著，纖維力學(xué)性能與竹材的初始含水率不存在對(duì)應(yīng)的規(guī)律。其中慈竹纖維力學(xué)性能受蒸煮軟化前含水率的影響最大，新鮮慈竹軟化處理后制取的纖維拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別較干組提高了86.63 MPa、5.02 GPa。

在竹纖維的加工利用方面，毛竹材竹纖維的力學(xué)性能更為優(yōu)異，其作為增強(qiáng)材在汽車材料、風(fēng)電葉片材料、公路防護(hù)欄材料、船舶材料等領(lǐng)域更為適合。

3 結(jié)論

不同種類竹材蒸煮軟化處理后存在顯著差異，開纖的適宜條件存在不同。在相同條件下軟化參數(shù)對(duì)叢生竹與混生竹的影響大于散生竹，能獲得較好的軟化效果，且纖維得率高；不同初始含水率的同種竹材開纖的適宜條件存在不同，高初始含水率的竹材開纖效果更好，纖維得率更高。

竹材初始含水率對(duì)纖維長(zhǎng)度影響顯著。新鮮組纖維平均長(zhǎng)度排序?yàn)椋河差^黃>慈竹>毛竹>苦竹。硬頭黃的平均纖維最長(zhǎng)為40.57 cm，竹纖維在45～60 cm區(qū)間占比最多；干燥組纖維平均長(zhǎng)度排序?yàn)椋好?慈竹>硬頭黃>苦竹。毛竹的平均纖維最長(zhǎng)為39.05 cm，纖維在35～45 cm區(qū)間占比最多；相比于新鮮組試樣，干燥組竹材制得的竹纖維在短纖維長(zhǎng)度區(qū)間分布少，質(zhì)量更優(yōu)。

不同種類竹材機(jī)械提取后纖維細(xì)度存在差異，新鮮組竹種對(duì)細(xì)度影響更顯著，纖維在0～300 μm區(qū)間均有分布，硬頭黃機(jī)械開纖均勻且細(xì)度小，平均細(xì)度為135.15 μm，纖維的細(xì)化效果最好。毛竹、苦竹纖維的細(xì)化效果差，開纖試驗(yàn)得到的纖維粗細(xì)不一；干燥組各竹材制得的竹原纖維較為均勻且細(xì)度區(qū)間接近，主要分布在100～200 μm區(qū)間。

竹材初始含水率對(duì)機(jī)械制取的纖維力學(xué)性能影響較小，不同竹種間纖維力學(xué)性能存在差異，其中毛竹纖維力學(xué)性能最為優(yōu)異，纖維拉伸強(qiáng)度、拉伸模量高。