物理法對竹材分離效果的研究

劉美玲，高　路

(1．山東輕工職業學院，山東 淄博 255300；2.天津永舵科技有限公司， 天津 300350)

物理法對竹材分離效果的研究

劉美玲1，高路2

(1．山東輕工職業學院，山東 淄博 255300；2.天津永舵科技有限公司， 天津 300350)

為了尋求更好的竹材分離成纖的方法，文章對經簡單化學處理的竹材施加不同形式的外載荷，嘗試各種單一作用力和組合外力的形式對竹材分離效果，通過分析竹材中膠質的破壞情況及纖維間的分離情況,測試竹纖維的勾拉強力和勾拉強力下降率。

竹材；單一作用力；組合作用力；勾拉強力

可紡竹纖維被人們稱作繼棉、麻、絲、毛之后的第五大類天然纖維，是目前研究的熱點和難點[1-3]。竹材在紡織上的應用有兩種形式，一種是竹纖維，另一種是竹漿粘膠纖維[4]。竹纖維較竹漿粘膠纖維，保持了竹子纖維原有形態和很多優良性能，在竹纖維的制取中，物理制取法與其他制取法相比，方法簡單、工藝流程短、高效節能，同時制取過程中，不(或少)使用化學試劑，減少了對環境的污染，但目前這種制取方法工藝還不完善，對機械作用力的方式、加載條件、邊界約束等還不確定。為了找到更好的物理法，本文就各種外力的作用作了研究，尋求出更合適的載荷方式和載荷條件。

1　材料與實驗儀器

1.1原料及預處理

四川慈竹，取次外層作為實驗材料，竹片尺寸長8 cm、寬1 cm、厚0.5 mm，竹片預處理工藝包括堿煮、水洗、酸洗(pH為4，20 min)、二次水洗四個步驟。堿煮條件[5]：NaOH濃度6 g/L、亞硫酸鈉4%、焦磷酸鈉4%、復合助劑8%、堿煮時間90 min、溫度100℃。

1.2實驗儀器

電熱恒溫水浴鍋；氣泵加壓式軋車；單纖維強力儀；超聲波清洗器；便攜式pH計；其他實驗用品：電磁爐、滴管、燒杯、量筒、玻璃棒等。

2　實驗過程

2.1單一作用力對竹材分離的影響

2.1.1壓力對竹材分離的影響

對預處理后的竹片施加壓力，然后在單纖維強力儀上測試其勾拉強力，具體操作見圖1、圖2。施壓過程中，改變壓力大小，分別施加0，0.2，0.4，0.6，0.8 MPa的壓力，施壓2次；改變受壓次數，分別受壓0，2，4，6，8次，壓力選擇0.6 MPa；變換軋輥材料，分別為1#、2#、3#材料，粗糙度依次增大。受壓后勾拉強力測試結果見表1、表2。

圖1　勾拉過程

壓力越大、受壓次數越多，分離效果越明顯，竹片越容易分離。竹片勾拉強力與受壓次數、勾拉強力與壓力大小的關系如圖3、圖4所示。壓力大小及施壓次數增加到一定值，勾拉強力下降明顯減緩。

圖2　施壓過程

注：選用3#壓輥材料，施壓四次。

表2　勾拉強力隨受壓次數增多的變化情況

注：選用3#壓輥材料，壓力大小0.6 MPa。

圖3　勾拉強力隨受壓次數的變化情況

從圖3、圖4中還可看出，在相同壓力和受壓次數時，表面粗糙的3#軋輥作用效果最好。

受壓次數過多會降低加工效率，壓力過大和受壓次數過多都會對纖維造成破壞，因此要適當控制加壓條件，選擇0.6 MPa壓力、受壓4次、3#軋輥材料。

圖4　勾拉強力隨壓力大小的變化情況

2.1.2扭轉力對竹材分離的影響

預處理后的竹片用夾持器將兩端握持，沿軸向旋轉180°，分別扭轉5次、10次、20次、30次。扭轉后竹材的勾拉強力結果見表3。

表3　扭轉外力對竹材分離的影響

扭轉外力對竹材的分離較明顯，扭轉次數越多竹片越容易分離，扭轉次數超過20次后，竹材分離效率下降，且次數過多纖維斷裂越明顯。因此扭轉次數選擇20次為宜，扭轉20次的平均勾拉強力下降率在40%左右。

2.1.3縱向拉伸力對竹材分離的影響

將預處理后的竹材沿纖維縱向垂直放置，上端固定，下端掛一50 g的重物，靜止18 h，然后在單纖維強力儀上測試其不同部位的勾拉強力，結果見表4。

表4　縱向拉伸外力對竹材分離的影響

通過對未受縱向拉伸的竹材與受縱向拉伸外力竹材的勾拉強力值進行配對T檢驗，得出拉伸前后竹材的勾拉強力值無顯著差異，表明縱向拉伸力對竹片的分離作用無顯著影響。其主要原因可能是因為縱向拉力主要由纖維承擔，而在纖維與基體的界面上未產生應力或產生很小的應力，不足以使界面發生脫粘分離，從而使分離效果不明顯。

2.1.4剪切力對竹材分離的影響

將預處理后的竹片沿與纖維軸向呈一定夾角的方向剪成長方形，如圖5所示，用夾具握持兩端，施加0.5 N的拉伸外力，然后測試其勾拉強力，結果見表5。

圖5　剪切試樣

條件未受剪切力作用受剪切力平均勾拉強力(cN)104.8890.69勾拉強力下降率(%)013.5

竹材經剪切力作用后，其勾拉強力較原樣有所下降，表明剪切力對竹材的分離效果有一定的影響；同時實驗過程中發現竹材中裂紋的分布很不均勻，有的部位有明顯的裂紋產生，纖維和膠質發生分離，而有的部位無明顯裂紋產生，其原因主要是應力分布的不勻所致。

2.1.5擊打外力對竹片分離的影響

將預處理后的竹片施加擊打外力，次數為20次，測試未受擊打外力作用與經受擊打外力的竹片勾拉強力，結果見表6。

表6　擊打外力對竹材分離的影響

竹材的受擊打力越大，擊打次數越多，竹片越容易開裂，經20次擊打外力后，竹材的分離效果接近50%，但力過大會破壞纖維。竹材經擊打外力作用后，各部位不勻性增加，有的部位膠質脫落很明顯，有大量纖維暴露，甚至有纖維斷裂，而有的部位僅產生少量裂紋。因此要選擇適當大小的力以及擊打次數。

2.1.6超聲波處理

將預處理后的竹片放入超聲波儀中進行處理，工作頻率：25 kHz，處理時間：60 min，溫度：30～40℃，然后在強力儀上測試處理前后竹片的勾拉強力，結果見表7。

表7　超聲波對竹材分離的影響

由于超聲波的聲波振動，使得竹材中纖維之間、纖維與膠質之間產生微小裂紋，并且在一定頻率的超聲波振動過程中裂紋逐漸擴展，但很難產生宏觀上較大的裂紋。

2.2組合力對竹材分離效果的影響

通過以上實驗分析了單一作用力形式對竹材分離效果的影響，得出壓力、扭轉力和擊打外力對竹材的分離效果比較明顯，為了強化各作用外力對竹材的分離效果，選擇這幾種組合外力對竹材分離效果進行實驗測試。

2.2.1壓力與扭轉力組合對竹片分離的影響

預處理后的竹片一組先施加壓力(0.6 MPa，施壓4次，3#軋輥)后進行扭轉(180°，扭轉10次)；另一組先扭轉后施加壓力，受力條件相同，結果見表8。

表8　壓力+扭轉力組合對竹材分離的影響

對于壓力和扭轉力的組合，不論是先施壓后扭轉還是先扭轉后施壓，其作用效果都接近70%。經配對T檢驗(T值為-0.157，顯著性概率0.875)，先施壓后扭轉與先扭轉后施壓兩種作用方式無顯著差異。壓力和扭轉力的組合效果小于兩個力的單獨作用效果之和。

2.2.2壓力與擊打力組合對竹片分離的影響

預處理后的竹片先經加壓作用(0.6 MPa，施壓4次，3#軋棍)，然后一端握持，另一端擊打(20次)，測試擊打部位與未擊打部位的勾拉強力，結果見表9。

表9　壓力+擊打組合對竹材分離的影響

通過比較未受外力、經擊打以及加壓+擊打組合作用后的竹片勾拉強力的均值可以看出施壓+擊打力組合作用效果很好，其勾拉強力下降率達到80%以上，加壓作用與擊打作用都很好地被發揮。

2.2.3壓力與超聲波組合對竹片分離的影響

預處理后的竹片先經碾壓(0.6 MPa，施壓4次，3#軋輥材料)，再經超聲波處理(30 min，25 kHz)，結果見表10。

表10　壓力+超聲波組合對竹材分離的影響

竹材經初步碾壓后，產生大量裂紋，同時部分膠質發生破壞并脫落。再經超聲波處理時，超聲波能使裂紋進一步擴展，同時在原有裂紋的基礎上形成更多的小裂紋，并能更好地與基體內部和纖維上的膠質發生作用，將膠質去除。經過超聲波和加壓作用，竹片的勾拉強力下降率達到80%以上，效果非常明顯，且組合作用效果優于單一方式作用之和。

3　結論

3.1單一作用力中施壓對竹材的分離效果最好；組合外力加壓和超聲波組合方式既能使竹材得到很好的分離，又能保證纖維不受到破壞，分離效果最佳。

3.2竹材分離的最佳方案：先碾壓(3#壓輥，壓力0.6 MPa，施壓次數為4次)，然后進行超聲波處理(時間60 min)。

[1]姚文斌，張蔚，倪忠進．國內竹原纖維的市場前景及其在紡織領域的應用[C]．杭州：2004首屆中國(杭州)人造纖維產業鏈論壇論文集，2004：109—121．

[2]姚文斌．Study on application technology of natural bamboo fiber[C]．浙江：07國際竹子研討會，2007：102．

[3]邢聲遠．纖維辭典[M]．北京：化學工業出版社，2007．

[4]王越平．竹材應用的新領域—紡織工業[J]．世界竹藤通訊，2005，3(4)：21—26．

[5]韓曉俊．紡織用竹纖維的制取及其結構性能研究[D]．北京：北京服裝學院，2007.

[6]于麗紅，唐淑娟.特種植物纖維的開發及應用[J].山東紡織科技，2005，46(6)：54—56.

Study on Mechanism of Bamboo Fiber Preparation

LiuMeiling1,GaoLu2

(1.Shandong Vocational College of Light Industry,Zibo 255300,China；2.Tianjin Yongtuo Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300350,China)

In order to find the best way to separate the bamboo into fiber,bamboos were simply treated by chemical method,different forms of loads,and various single force and combined force.The damagement of pectin in the bamboo and the separation of fibers were analysed,and the bamboo fibers’pull strength and its reduction rate were tested.

bamboo; single force; combined force; pull strength

2014-12-10

劉美玲(1984—)，女，山東淄博人，講師。

TS102.3+3

A

1009-3028(2015)02-0001-04