竹節對竹材動態粘彈性的影響

劉紅征，于紅衛，朱 勁

（1. 浙江大莊實業集團有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江農林大學 浙江 臨安 311300）

竹節對竹材動態粘彈性的影響

劉紅征1，于紅衛2*，朱 勁2

（1. 浙江大莊實業集團有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江農林大學 浙江 臨安 311300）

采用動態熱機械分析儀（DMA）分析同一竹子不同高度處的竹材制成厚度相同的有節與無節的試件，以及同一高度處的竹材制成不同厚度的有節與無節試件，研究其動態力學性能變化規律。結果表明：①竹材的儲能模量隨溫度的升高而下降，損耗模量在玻璃化轉變溫度前，隨溫度的升高而增大，超過玻璃化轉變溫度，隨溫度的升高而下降，損耗因子的變化趨勢與損耗模量相同；②處于竹竿上部的竹材的常溫儲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能模量和損耗模量都越高；③含有竹節的竹材的儲能模量要稍高于不含竹節的竹材。

竹節；動態粘彈性；儲能模量；損耗模量

中國竹林面積居世界第一位，現有純竹林面積520×104hm2，其中毛竹林面積約占 70%，占世界毛竹林面積90%以上。我國每年可砍伐毛竹約5億根，各類雜竹300余萬t，每年的竹材產量相當于1 500萬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，力學性能優良，強度比一般木材高50% ~ 100%，比強度是杉木的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，外中內層結構成份有差異的特殊結構，以及有著較強的生長地域性，使得目前對竹材的研究與利用遠不如木材。

毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens）雖剛性較大，但都具有粘彈性，在外界連續寬闊的溫度范圍內，竹節是否對竹材的動態粘彈性產生影響將對竹材在風電葉片中的利用率產生影響。本研究通過采用動態熱機械分析儀（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（含有竹節）與無節的試件，以及同一高度處的竹材制成不同厚度的有節與無節試件，經絕干處理后進行研究，以了解其動態力學性能變化規律，這對確定風電葉片復合材料毛竹增強相材料的加工和使用條件，提高竹材的利用率，評價使用性能具有重要的參考價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗設備

動態熱機械分析儀（DMA，Q800型，美國TA儀器公司）、101-1型電熱鼓風干燥箱、圓鋸機。

1.3 試驗方法

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（長度×寬度×厚度）的動態粘彈性測試試件，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，參照國家標準GB/T15780-1995中竹材含水率的測定方法，將試件放入103±2℃的101-1型電熱鼓風干燥箱中，烘至絕干，再把試件放入干燥器中保存，待測。

1.3.2 測試方法 本實驗采用跨距為35 mm的雙懸臂梁夾具，多頻應變模式，頻率為1、5，10 Hz，恒定應變為0.02%，升溫速度為2℃/min，變溫范圍設定為35 ~ 220℃。先測量試件的寬度和厚度，輸入儀器中，再將試件放入動態熱機械分析儀的樣品室的夾具中固定，關閉樣品室，然后將試件的實際長度值數據輸入儀器中，開始試驗，動態熱機械分析儀的電腦自動采集并處理數據。

2 結果與分析

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

2.1 相同厚度不同高度節子對儲能模量與損耗模量的影響

模量是材料受力時應力與應變的比值，是材料抵抗變形能力的大小，反映材料的剛性。儲能模量，它反映材料形變過程由于彈性形變而儲存的能量。由圖1可以看出，儲能模量隨著溫度的升高而減小，其原因可能是：溫度在熔點或熱解點以下時，竹材像其他任何結固體（尤其是結晶性固體）一樣，由于溫度升高，纖維素的晶格受熱膨脹，原子勢能增大，熱分子的振蕩加劇，原子間距離增大，產生熱膨脹，對變形的抵抗性降低。并且在 175℃后迅速減小，這是因為纖維素、半纖維素、木質素的軟化，這三大主要成分的迅速降解，化學鍵的斷裂，纖維素結晶受到破壞[5]。損耗模量，它反映材料形變過程以熱損耗的能量。在ISO標準中，將損耗模量峰所對應的溫度定義為玻璃化轉變溫度。在玻璃化轉變溫度之前，隨溫度的升高，損耗模量逐漸增大，并在190 ~ 195℃出現損耗峰。這是由于在較低溫度區域內竹材的主要組成成分纖維素、半纖維素以及木質素的分子鏈大部分仍處于被凍結狀態，較少產生運動，分子間的摩擦產生的熱量較小，因而，損耗模量也較低。然而，隨著溫度的上升，外界提供給分子運動的能量，使非結晶的分子部分鏈段以及一些支鏈產生運動，從熱動力學的角度，發熱內部損耗模量增大。當超過玻璃化轉變溫度時，竹材處于流動態，分子鏈間摩擦力減小，因此，損耗的能量也減少。從圖1可知，有節試件和無節試件的儲能模量和損耗模量的變化趨勢幾近一致。

由圖1、圖2、圖3可知，不同高度處的竹材的動態粘彈性溫度譜變化一致，但竹材距離端頭越遠其常溫儲能模量也就越大，這是因為竹竿上部的維管束密度較大，導管孔徑較細，所以密度較大，而竹竿下部的維管束密度較小，導管孔徑較粗，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）對其動態粘彈性的影響較大，而竹節對竹材動態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。所以高度對竹材的動態粘彈性的影響較大，而有節與無節竹材取自同一高度，密度相差不大。竹竿上部的剛度高，其松弛過程的損耗峰溫度高于剛度較低的下部，這與許多高聚物復合材料的情況是相同的。

損耗因子即損耗角正切，是損耗模量與儲能模量的比值。由圖1至圖4可知，損耗因子的變化趨勢與損耗模量相同。在玻璃化轉變之前，損耗因子隨溫度的升高而升高，超過玻璃化轉變溫度（Tg），隨溫度的升高而下降。這是因為當實際溫度T < Tg時，形變主要是由鍵長、鍵角的變化引起，形變速度快，幾乎完全跟得上應力的變化，損耗因子小；在Tg附近時，鏈段開始運動，而體系粘度很大，鏈段運動很難，內摩擦阻力大，形變明顯落后于應力的變化，損耗因子大幅度升高；當T > Tg時，鏈段運動較自由、容易，受力時形變大，內摩擦阻力大于玻璃態，損耗因子小[8]。從圖 4可以看出，有節和無節試件的損耗因子的變化趨勢幾乎同步，這也進一步反映出竹節對竹材的動態粘彈性的影響甚微。

2.2 相同高度不同厚度節子對儲能模量與損耗模量的影響

由圖5至圖7可知，不同厚度的有節與無節試件的儲能模量與損耗模量的變化趨勢和前面相同厚度不同高度試件的變化趨勢相同，并且厚度越小的試件的常溫儲能模量與損耗模量都越大，有節試件的常溫儲能模量和損耗模量都要比無節試件的稍大。厚度為1 mm的試件的常溫儲能模量達到了60 GPa，損耗模量達到1 500 Mp，而厚度為3 mm的試件的常溫儲能模量僅為25 GPa，損耗模量僅為600 Mpa。這是因為試件在取材時保留了竹青部分，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。

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與相同厚度不同高度試件的變化趨勢一致，即在玻璃化轉變溫度之前，損耗因子隨溫度的升高而升高，超過玻璃化轉變溫度，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。有節試件與無節試件的損耗因子的變化幾乎同步，這也正說明節子對竹材的影響很小。

3 結論

（1）竹材的儲能模量隨溫度的升高而下降, 這個規律不會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變溫度前，隨溫度的升高而增大，超過玻璃化轉變溫度，隨溫度的升高而下降；損耗因子的變化趨勢與損耗模量相同。

（2）處于竹竿上部的竹材的常溫儲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能模量和損耗模量都越高。

（3）含有竹節的竹材的儲能模量要稍高于不含竹節的竹材。竹節對竹材的動態粘彈性的影響很小，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，蔣遠舟. 非木材植物人造板[M]. 北京：中國林業出版社，2008.

[2] 程秀才. 竹塑復合材料的增強機理和應用展望[J]. 國際木業，2001（11）：45－47.

[3] 黃曉東. 用與風電葉片的分級竹層級材和杉木層級材的制造與評價[D]. 北京：中國林業科學研究院，2008.

[4] 金日光，華幼卿. 高分子物理 [M]. 北 京：化學工業出版社，2001.

[5] 唐榮強. 高溫熱處理木材動態粘彈性研究 [D].臨安：浙江農林大學，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

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“高強度竹基纖維復合材料制造技術”（2010AA101701）子課題“風電槳葉用片狀單元高強度竹層級材產業化示范線建設”（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。