含水率對(duì)竹材開纖影響的研究

劉 月

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

竹材作為一種高強(qiáng)度、高韌性、高穩(wěn)定性的天然材料現(xiàn)已被大量應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。大量研究證明，含水率是竹材力學(xué)性能的重要影響因素，不同含水率的竹材，其力學(xué)性能差異很大[1]。王漢坤[2]通過研究得到除了順紋抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加呈線性減小，竹材的順紋拉伸、順紋抗剪和彎曲強(qiáng)度均呈減小－(增加)－平穩(wěn)－減小的變化趨勢。關(guān)明杰[3]測定了含水率對(duì)不同竹種抗彎彈性模量的影響，結(jié)果表明，隨著含水率的增加，其彎曲模量都下降。Chung等[4]研究了毛竹的抗壓性能和抗彎性能隨含水率的變化含水率在5%以下時(shí)，性能不發(fā)生太大的變化；含水率高于5%后，毛竹的彎曲強(qiáng)度不受影響。江澤慧等[5]研究發(fā)現(xiàn)，年齡較小的竹材的剪切強(qiáng)度受含水率的影響較大。通過這些研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，含水率是竹材各項(xiàng)性能很重要的影響因素之一。

天然竹纖維是由竹子直接加工而制成的一種形態(tài)接近麻類植物纖維的天然纖維，具有獨(dú)特的抗菌防臭性能、透氣性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，其也受到國際市場的廣泛青睞[6]。竹原纖維是由新鮮竹片采用機(jī)械法提取，經(jīng)軟化、多應(yīng)力加載、剪切、烘干、除雜等工藝路線制得。軟化參數(shù)是竹片能否被機(jī)械開纖的前提條件，現(xiàn)已有大量關(guān)于軟化工藝參數(shù)（軟化濃度、時(shí)間、溫度、浴比等）的研究[7]，然而關(guān)于改性后竹材含水率對(duì)竹原纖維質(zhì)量有重要影響的研究還未見報(bào)道，因此，筆者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究分析含水率對(duì)竹片改性開纖效果的影響（下文所述含水率均為改性后竹片的絕對(duì)含水率）。

1 不同含水率竹片及纖維制備

1.1 不同含水率竹片試件的制備

材料與儀器：兩年生毛竹（浙江諸暨地區(qū)產(chǎn)）、固體氫氧化鈉、高壓蒸煮鍋、電磁爐、多功能電子溫濕度計(jì)、武義銳特工具有限公司J1G-WRT-355 型材切割機(jī)、上海精宏DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、上海卓精BSM系列電子天平。

本實(shí)驗(yàn)按照“毛竹——截?cái)唷ネ夤?jié)——去竹節(jié)——剖開”的方法步驟，將竹材制成實(shí)驗(yàn)所需竹片，總計(jì)制取實(shí)驗(yàn)竹片試樣50個(gè)。新鮮竹片硬度大、模量高，不利于機(jī)械開纖。本實(shí)驗(yàn)自制竹片軟化工藝，使得竹片力學(xué)參數(shù)滿足機(jī)械加載開纖要求。通過數(shù)次預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終總結(jié)出適用于本實(shí)驗(yàn)的竹片軟化工藝數(shù)據(jù)：3%的NaOH溶液；壓強(qiáng)50kPa；1:15的浴比；煮1.5h，保溫0.5h，煮1.5h，保溫0.5h（注：完成上文所述蒸煮實(shí)驗(yàn)后，觀察空白對(duì)照組竹片軟化情況，若竹片中部有少量留白，則繼續(xù)加熱15min，保溫10min）。

竹片完成軟化后，將其撈出，在室溫下進(jìn)行晾置，記錄當(dāng)下環(huán)境的溫度以及濕度數(shù)據(jù)。因竹片晾置時(shí)間與竹片含水率符合一定的函數(shù)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)擬采用晾置時(shí)間的梯度分級(jí)來表征竹片的不同含水率。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5組竹片晾置時(shí)間梯度分級(jí)，分別為0h、12h、24h、36h、48h。當(dāng)竹片完成規(guī)定時(shí)間的晾置后，立即對(duì)竹片進(jìn)行稱重并依次記錄下其質(zhì)量，記為m。如表1所示。

表1 不同晾置時(shí)間下竹片試件含水率數(shù)據(jù)表

在每組不同含水率的竹片中，每組隨機(jī)選取3個(gè)竹片，將其放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥處理，直至試塊的質(zhì)量不再變化，記下每組各個(gè)竹塊試件的質(zhì)量，記為m’。本次實(shí)驗(yàn)選取絕對(duì)含水率作為實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算改性竹片絕對(duì)含水率：

式中：W——竹片絕對(duì)含水率，以百分率計(jì)，準(zhǔn)確至0.1%；m——不同含水率竹片試樣質(zhì)量（g）；m’——竹片試樣的絕干質(zhì)量（g）。

1.2 竹纖維的制備

1）材料：不同含水率竹片。

2）儀器：浙江農(nóng)林大學(xué)姚文斌團(tuán)隊(duì)自制碾壓開纖機(jī)。

本實(shí)驗(yàn)采用自制開纖機(jī)機(jī)械加載開纖法制取竹纖維。將每組剩余的5個(gè)不同含水率的竹片依次裹上保鮮膜，再將其喂入開纖機(jī)進(jìn)行竹片開纖。因本實(shí)驗(yàn)的唯一變量為含水率，因此本次實(shí)驗(yàn)?zāi)雺捍螖?shù)統(tǒng)一控制為3次。完成3次開纖后，纖維大致分離開來，將那些小面積粘連，或者較為明顯束纖維狀（細(xì)度較大，無法用纖維投影儀法測量直徑）的組織剔除[8]，從而獲得最終的竹纖維，具體纖維狀況如圖1所示。

圖1 纖維試樣

2 纖維性能測試

儀器與設(shè)備：溫州百恩YG028PC電子多功能強(qiáng)力機(jī)、上海卓精BSM系列電子天平、上海精宏DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、溫州百恩儀器有限公司YG0002型纖維細(xì)度儀、載玻片、蓋玻片。

2.1 竹纖維得率

為降低竹纖維的含水率對(duì)最終纖維質(zhì)量數(shù)據(jù)的影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)所得的竹纖維統(tǒng)一做烘干處理，并記錄下烘干后竹纖維的絕干質(zhì)量。按下式計(jì)算竹纖維制得率：

制得不同含水率情況下竹片試件的開纖得率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同含水率竹片試件的纖維制得率數(shù)據(jù)表

由表2可知，當(dāng)絕對(duì)含水率低于43%時(shí)，竹片無法完成開纖，即竹片完成軟化后晾置48h后已無法開纖；當(dāng)含水率高于43%時(shí)，纖維得率與含水率基本呈正相關(guān)。

2.2 纖維細(xì)度的測量

目前常用的纖維細(xì)度測試方法有兩種：纖維寬度法和纖維切片法。這兩種方法前者簡單方便且不會(huì)破壞纖維，后者更精確，經(jīng)研究對(duì)比認(rèn)為，這兩種算法的結(jié)果相差不大[9]。故本次實(shí)驗(yàn)采用纖維寬度法來測量竹纖維細(xì)度。

將完成干燥處理的纖維在室溫環(huán)境下放置一段時(shí)間，待干纖維與環(huán)境達(dá)到干濕平衡后，從每組纖維中隨機(jī)選取50根纖維作為細(xì)度實(shí)驗(yàn)測量試樣。將竹纖維試樣用雙面刀片切去3mm～5mm長的纖維片段，放在滴有粘性介質(zhì)的載玻片上，然后蓋上蓋玻片。采用NOVEL光學(xué)顯微鏡直徑分析儀在放大倍數(shù)為1 000倍條件下對(duì)竹纖維細(xì)度進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖2所示。

從纖維細(xì)度頻率分布圖來看，竹纖維直徑基本在200μm～350μm區(qū)間內(nèi)。尤其經(jīng)軟化晾置后含水率為74%的竹片，其纖維較大范圍的分布在200μm～300μm之間，也從側(cè)面反映其變異系數(shù)最小。

2.3 力學(xué)性能的測量

將完成干燥處理的纖維在室溫環(huán)境下放置兩天，待干纖維與環(huán)境達(dá)到干濕平衡后，再從每組制得的竹纖維中隨機(jī)選取30根作為本次拉伸實(shí)驗(yàn)的試件。

用YG028PC電子多功能強(qiáng)力機(jī)測試天然毛竹纖維的拉伸性能。參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3822-07《Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》及相關(guān)文獻(xiàn)，分別對(duì)每根纖維進(jìn)行單纖維強(qiáng)度測試[10]。將機(jī)器設(shè)置成夾持距為20mm，室溫環(huán)境為25±2℃，濕度為55±5%，拉伸速度為5mm/min，預(yù)加張力為5cN。已測定該批竹原纖維試樣纖維密度為145dtex，輸入系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)次數(shù)每組設(shè)置為30次，完成以上設(shè)置后即可開始進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。各組纖維通過電子多功能強(qiáng)力機(jī)的測量后，測量結(jié)果如表3所示。

表3 不同含水率竹片所制纖維力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由圖2可知，不同含水率竹片所得纖維細(xì)度基本在200μm～350μm區(qū)間，無明顯線性關(guān)系。因此，本文只對(duì)含水率與纖維得率、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率以及彈性模量進(jìn)行回歸分析。用MATLAB軟件通過對(duì)原始數(shù)據(jù)繪圖得到含水率—纖維得率關(guān)系、含水率—斷裂強(qiáng)力關(guān)系、含水率—斷裂伸長率關(guān)系及含水率—彈性模量關(guān)系分別如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析

1）由（a）可知，軟化竹片的含水率越高，其纖維得率越高，并在含水率到達(dá)80%時(shí)，纖維得率基本保持不變。當(dāng)竹片含水率比較高時(shí)，基體較軟，竹片硬度較小，其更有利于竹材的破壞成纖，從而獲得更高的纖維得率。

2）當(dāng)含水率低于85%時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)力與含水率呈正相關(guān)；當(dāng)含水率高于85%時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)力與含水率呈負(fù)相關(guān)。含水率越高，竹片的強(qiáng)度越低，則在竹片拉伸過程中纖維將會(huì)承受更多的載荷，到了一定的階段，纖維將在加載過程中到達(dá)強(qiáng)化階段。因此，其斷裂強(qiáng)力越來越大，而當(dāng)含水率過大時(shí)，因基體過軟而導(dǎo)致作用在纖維上的力過大，使得纖維開始硬化，從而在加載過程中纖維組織被部分破壞，其斷裂強(qiáng)力也隨之降低。

3）在含水率為61%～115%的范圍內(nèi)，纖維的斷裂伸長率與含水率大體呈負(fù)相關(guān)。隨著含水率的提高，竹片的強(qiáng)度、硬度降低，則導(dǎo)致作用在纖維上的力越來越大，從而纖維經(jīng)歷了比例、強(qiáng)化、頸縮三個(gè)變形階段，其斷裂伸長率因此也越來越低。

4）隨著竹片含水率的上升，竹片在加載過程中總體來說，改性竹片的含水率越高，其所制纖維的彈性模量越大。隨著竹片含水率的升高，所得纖維的強(qiáng)度在升高，纖維的斷裂伸長率卻一直減小，從而導(dǎo)致彈性模量越來越大。

5）含水率為115%的改性竹片其纖維得率最高，但粗細(xì)均勻度較差，而得率相對(duì)較低的由74%含水率的竹片制得的纖維卻最均勻。這說明了改性竹片的含水率并不是越高越好，可以適當(dāng)降低改性竹片的含水率再進(jìn)行開纖，既可以保證一定的得纖率，又可以使得制得竹纖維的性能進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

改性后竹材的絕對(duì)含水率對(duì)竹片開纖及制得竹纖維的性能有較大影響，結(jié)論如下：1）纖維得率隨含水率的降低而降低，并在含水率到達(dá)43%時(shí)無法進(jìn)行開纖；2）含水率為74%的竹片制得的纖維細(xì)度最為均勻；3）含水率為85%的竹片制得的纖維斷裂強(qiáng)力最大；4）纖維的斷裂伸長率隨含水率的降低而升高；5）纖維的彈性模量隨含水率的升高而升高。因此，在實(shí)際的竹纖維制備工藝中，當(dāng)竹片完成軟化后，可將竹片在室溫環(huán)境下（溫度25±3℃，濕度55±5%）放置24h，待竹片絕對(duì)含水率到達(dá)74%再進(jìn)行開纖，以獲得粗細(xì)較為均勻、力學(xué)性能較好且得率較好的纖維。