苧麻莖稈界面力學性能試驗

鄒舒暢， 蘇工兵， 周會勇， 邵運果

(武漢紡織大學機械工程與自動化學院，湖北武漢 430037)

苧麻纖維是一種天然的紡織纖維，大量用于紡織行業。為研究苧麻莖稈分離技術，許多研究者開展了苧麻莖稈拉伸、彎曲、抗沖擊韌性、切割特性等方面的研究，從不同的特性參數表征苧麻莖稈的力學特性，為苧麻莖稈分離設備的研制提供有力的技術支撐。但苧麻莖稈界面相力學行為鮮有開展這方面的試驗，本研究采用靜態和動態外載荷作用方式，研究苧麻莖稈界面相力學行為的變化規律，以期通過試驗參數表征界面相力學行為特性。

目前，對木材、竹材、小麥莖稈、玉米秸稈、苧麻莖稈等植物秸稈的斷裂行為、抗沖擊特性、切割特性、彎曲和扭轉特征等力學性能進行了研究[1-6]。郭穎杰等對不同收獲期玉米秸稈剪切力學性能進行研究，得出隨著玉米收獲期的延遲，秸稈的纖維素和木質素含量增加，對應的剪切力增大[7]。李小城等的試驗結果表明，小麥莖稈在剪切過程中力的大小呈先上升再減小的變化規律，然后上升直至切斷最后卸載的變化過程[8]。蘇工兵等對麻莖稈木質部進行彎折、拉伸、壓縮試驗，獲得了相同部位木質部的抗彎彈性模量明顯高于拉伸彈性模量，最大抗彎強度大于最大抗拉強度，木質部橫向抵抗變形能力強[9]。廖宜濤等對收割期蘆竹底部的莖稈進行順紋拉伸、壓縮、彎曲試驗，獲得試驗條件下順紋拉伸、壓縮、彎曲的應力-應變曲線；結果表明，蘆竹破壞應力參數接近毛竹，遠大于玉米、小麥等莖稈的破壞應力參數，蘆竹的機械化收割不宜采用傳統的切割器[10]。Obataya等采用4點彎曲方法對楠竹進行彎曲試驗，獲得楠竹柔韌性是由外層竹纖維能承受拉應力與內層木質部能允許較大壓縮變形的共同作用[11]。

從生物形態結構分析，苧麻莖稈界面相[12]是由韌皮纖維與木質部之間的細胞形成層構成，細胞形成層的黏結力不僅與外載荷作用方式有關，而且與含水率及生長部位有關。為此，本研究通過對不同含水率下不同部位的苧麻莖稈剝離過程進行靜態拉伸剝離試驗和動態沖擊剝離試驗，分析纖維層與木質層黏結力和剝離沖擊能的分布規律和變化，探究其界面之間的力學性能，為莖稈分離機構參數設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料 苧麻莖稈樣本于2016年6月中旬取自湖北省咸寧市苧麻試驗站試驗田種植的華苧4號頭麻。莖稈通直無病，株高范圍為1.7～1.9 m。由圖1可見，將苧麻按上部(長度區間1.2～1.9 m)、中部(長度區間0.5～1.2 m)、下部(長度區間0～0.5 m)進行劃分。

1.1.2 儀器 采用東莞市海達(國際)儀器有限公司的 HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗機，該機最大行程為 1 000 mm，測試速度30～300 mm/s，配備2個傳感器，其量程分別為2 500、5 000 N；TF-2056B懸臂梁沖擊試驗機，購于東莞市海達(國際)儀器有限公司，沖擊量程分別為11、12 J。

1.1.3 樣品制備 將苧麻莖稈參照GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強度的試驗方法》[13]，按照表1中的規格制備苧麻樣品，其中試樣1是將苧麻莖稈切制成長為(300.0±1.0)mm，包含部分韌皮部和全部木質部，韌皮部皮寬(6.0±0.1)mm的試樣，用于苧麻莖稈徑向拉伸剝離韌性試驗；試樣2、3、4是將苧麻莖稈分別切制成長為(40.0±1.0)mm、(30.0±1.0)mm、(50.0±1.0)mm，包含部分韌皮部和全部木質部，韌皮部皮寬均為(6.0±0.1)mm的試樣，用于苧麻莖稈軸向拉伸剝離韌性試驗及苧麻莖稈軸向沖擊剝離韌性試驗。

表1 試樣制備參數

1.2 試驗方法

1.2.1 苧麻莖稈徑向拉伸剝離試驗 選取上述試樣1進行試驗，苧麻屬于生物質材料，目前還沒有相應的試驗標準，在拉伸剝離試驗中參照和借鑒GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強度的試驗方法》[13]標準進行，試驗機一端夾具夾持試樣麻稈，水平固定，另一端夾持麻皮以1 mm/min的速度對苧麻進行90°徑向拉伸剝離試驗，通過試驗機上的應變片反映出纖維層與木質層徑向剝離時的受力變化趨勢(圖2)。

1.2.2 苧麻莖稈軸向拉伸剝離試驗 選取上述試樣2、3、4進行試驗，試驗機一端夾具夾持麻皮，另一端夾持木質層，以1 mm/min的速度對苧麻麻皮進行軸向拉伸剝離試驗，通過試驗機上的應變片反映纖維層與木質層軸向剝離時的受力變化趨勢(圖3)。

1.2.3 苧麻莖稈軸向沖擊剝離試驗 選取與試驗“1.2.1”節相同的麻稈試樣進行試驗。試驗機夾具夾持麻皮，使麻稈處于水平狀態，擺錘從揚角150°處自由擺線下落，當擺錘沖擊麻稈使麻稈從麻皮中剝離并飛出時，試驗機記錄擺錘的最大揚角，經過標準換算得出沖擊斷裂能量。麻稈為生物質材料，在沖擊載荷試驗中參照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》[14]標準進行，試樣采用無缺口形式(圖4)。

試樣1無缺口沖擊韌度aiU按照公式(1)計算，試樣2與試樣3無缺口沖擊韌度aiU按照公式(2)計算。

(1)

(2)

式中：aiU為無缺口沖擊韌度，J/cm2；Ec為已修正的試樣斷裂吸收能量，J；h為試樣厚度，mm；b為試樣寬度，mm；R為麻稈半徑，mm；r為麻稈內腔半徑，mm。

2 結果與分析

2.1 苧麻莖稈徑向拉伸剝離測試結果與分析

2.1.1 含水率80.93%時試樣徑向拉伸剝離力與不同部位的關系 取苧麻試樣1上部、中部與下部樣本各20個進行試驗，試驗結果見圖5。

從圖5可知，麻稈上部拉伸剝離力在0.653 0～2.866 0 N之間波動，平均值為1.598 3 N，中部拉伸剝離力在 0.961 0～2.800 0 N之間波動，平均值為1.882 9 N，下部拉伸剝離力在0.846 0～2.707 0 N之間波動，平均值為 1.997 7 N。經比較與分析可知，上部平均拉伸剝離力比中部平均拉伸剝離力小0.284 6 N，中部平均拉伸剝離力比下部平均拉伸剝離力小0.114 8 N。試驗結果顯示，在麻皮相同寬度下，下部平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為1.997 7 N。

苧麻莖稈剝離是以莖稈為研究對象，從上述試驗分析可知，苧麻莖稈下端所需的拉伸剝離力最大，且最大拉伸剝離力平均值為1.997 7 N，只有作用力大于莖稈最大剝離力時，才能完成整稈剝離，因此選擇下部為試驗對象進行后續試驗。

2.1.2 試樣1下部在不同含水率時徑向拉伸剝離試驗結果與分析 取苧麻試樣1下部，不同含水率[15]下樣本各20個，試驗結果見圖6。

從圖6可知，含水率為80.93%時，下部拉伸剝離力在 0.846 0～2.707 0 N之間波動，平均值為1.997 7 N；含水率為78.42%時，下部拉伸剝離力在1.303 0～2.870 0 N之間波動，平均值為2.126 9 N；含水率為76.41%時，下部拉伸剝離力在1.398 0～3.270 0 N之間波動，平均值為 2.418 9 N。經比較與分析可知，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力比含水率為78.42%的平均拉伸剝離力小 0.129 2 N，含水率為78.42%的平均拉伸剝離力比含水率為76.41%的平均拉伸剝離力小0.292 0 N。試驗結果表明，隨著含水率的逐漸下降，莖稈徑向拉伸剝離力逐漸變大。在麻皮相同寬度下，含水率為76.41%的平均拉伸剝離力最高，最大拉伸剝離力平均值為2.418 9 N。

2.2 苧麻莖稈軸向拉伸剝離測試結果與分析

2.2.1 含水率為80.93%的苧麻莖稈軸向拉伸剝離力與不同部位的關系 取苧麻試樣2上部、中部、下部樣本各20個，試驗結果見圖7。

從圖7可知，麻稈上部拉伸剝離力在86.299 0～215.747 0 N 之間波動，平均值為151.023 0 N，中部拉伸剝離力在64.724 0～244.186 0 N之間波動，平均值為 148.377 0 N，下部拉伸剝離力在59.822 0～253.993 0 N之間波動，平均值為124.986 0 N。經比較與分析可知，上部平均拉伸剝離力比中部的平均拉伸剝離力大2.646 0 N，中部平均拉伸剝離力比下部平均拉伸剝離力大23.391 0 N。在麻皮相同寬度下，上部平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為151.023 0 N。

從上述試驗分析可知，苧麻莖稈上部所需的拉伸剝離力最大，只有作用力大于莖稈最大剝離力時，才能完成整稈剝離，因此選擇上部為試驗對象進行后續試驗。

2.2.2 不同含水率時試樣2上部軸向拉伸剝離試驗結果與分析 取苧麻試樣2上部，不同含水率下樣本各20個，試驗結果見圖8。

從圖8可知，含水率為80.93%時，上部拉伸剝離力在86.299 0～215.747 0 N之間波動，平均值為151.023 0 N；含水率為78.42%時，上部拉伸剝離力在87.280 0～225.553 0 N 之間波動，平均值為146.904 0 N；含水率為76.41%時，上部拉伸剝離力在67.666 0～193.191 0 N之間波動，平均值為138.078 0 N。經比較與分析可知，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力比含水率為78.42%的平均拉伸剝離力大4.119 0 N，含水率為78.42%的平均拉伸剝離力比含水率為76.41%的平均拉伸剝離力小8.826 0 N。試驗結果表明，隨著含水率的逐漸下降，莖稈軸向拉伸剝離力逐漸減小。在麻皮相同寬度下，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為151.023 0 N。

2.2.3 苧麻莖稈軸向拉伸剝離力與稈長的關系 取苧麻試樣2、3、4上部，樣本容量各20個，試驗結果見圖9。

從圖9可知，稈長為30 mm時，上部拉伸剝離力在 63.743 0～165.733 0 N之間，平均值為114.101 0 N；稈長為40 mm時，上部拉伸剝離力在86.299 0～215.023 0 N之間波動，平均值為151.023 0 N；稈長為50 mm時，上部拉伸剝離力在106.893 0～280.471 0 N之間波動，平均值為174.363 0 N。經比較與分析可知，稈長為30 mm的平均拉伸剝離力比稈長為40 mm的平均拉伸剝離力小36.922 0 N，稈長為 40 mm 的平均拉伸剝離力比稈長為50 mm的平均拉伸剝離力小23.340 0 N。試驗數據表明，隨著麻稈稈長逐漸變長，麻稈所需拉伸剝離力逐漸變大。

2.3 苧麻莖稈沖擊剝離測試結果與分析

2.3.1 含水率為76.41%的苧麻莖稈軸向沖擊剝離能與苧麻莖稈不同部位的關系 取苧麻試樣2上部、中部與下部樣本各20個，試驗結果見圖10。

從圖10可知，麻稈上部沖擊剝離能在0.316 0～0.372 0 J 之間，平均值為0.342 0 J，中部沖擊剝離能在 0.322 0～0.376 0 J之間，平均值為0.336 9 J，下部沖擊剝離能在0.311 0～0.367 0 J之間，平均值為 0.330 3 J。經比較與分析可知，上部平均沖擊剝離能比中部的平均沖擊剝離能大0.005 1 J，中部平均沖擊剝離能比下部平均沖擊剝離能高0.006 6 J。在麻皮相同寬度下，上部平均沖擊剝離能最高，最大沖擊剝離能平均值為0.342 0 J。

從上述試驗分析可知，苧麻莖稈上部所需的沖擊剝離能最大，只有作用能大于莖稈最大剝離能時，才能完成整稈剝離，因此選擇上部為試驗對象進行后續試驗。

2.3.2 不同含水率時試樣2上部軸向沖擊剝離試驗結果與分析 取苧麻試樣2上部，不同含水率下樣本各20個，試驗結果見圖11。

從圖11可知，含水率為80.93%時，上部拉伸剝離力在0.316 0～0.372 0 J之間，平均值為0.342 0 J；含水率為78.42%時，上部拉伸剝離力在0.319 0～0.363 0 J之間，平均值為0.336 0 J；含水率為76.41%時，上部拉伸剝離力在0.304 0～0.383 0 J之間，平均值為0.333 4 J。經比較與分析可知，含水率為80.93%的平均沖擊剝離能比含水率為78.42%的平均沖擊剝離能高0.006 0 J，含水率為 78.42% 的平均沖擊剝離能比含水率為76.41%的平均沖擊剝離能高0.002 6 J。試驗結果表明，隨著含水率逐漸下降，莖稈軸向拉伸剝離能逐漸減小。在麻皮相同寬度下，含水率為80.93%的平均拉伸剝離能最高，最高沖擊剝離能平均值為0.342 J。

2.3.3 苧麻莖稈徑向沖擊剝離能與稈長的關系 取苧麻試樣2、3、4上部，樣本容量各20個，試驗結果見圖12。

從圖12可知，稈長為30 mm時，上部沖擊剝離能在 0.307 0～0.331 0 J之間，平均值為0.316 6 J；稈長為40 mm時，上部沖擊剝離能在0.316 0～0.372 0 J之間，平均值為0.342 0 J；稈長為50 mm時，上部沖擊剝離能在0.324 0～0.530 0 J之間，平均值為0.354 6 J。經比較與分析可知，稈長為30 mm的平均沖擊剝離能比稈長為 40 mm的平均沖擊剝離能小0.025 4 J，稈長為40 mm的平均沖擊剝離能比稈長為50 mm的平均沖擊剝離能小0.012 6 J。試驗數據表明，隨著麻稈稈長逐漸變長，麻稈所需沖擊剝離能逐漸變大。

3 結論與討論

在徑向拉伸剝離試驗中，相同含水率下不同部位麻稈測試數據表明，麻稈下部所需剝離力最大，最大剝離力平均值為1.997 7 N，中部次之，上部最小。以麻稈下部為基準，分別在不同含水率下進行試驗，數據表明隨著含水率的逐漸下降，剝離力卻逐漸增大。原因是苧麻在生長過程中，由上到下木質化程度越來越高，致使含水量越來越低，隨著含水率逐漸下降，麻稈逐漸干枯，韌皮部與木質部黏連程度越高，加大了徑向拉伸剝離難度。所以徑向拉伸過程中，整稈由上到下剝離力越來越大，同一部位的含水率越低剝離力越大。

在軸向拉伸剝離試驗和軸向沖擊剝離試驗中，相同含水率下對不同部位麻稈測試數據表明，所需拉伸剝離力和沖擊剝離能都為上部最大，其中最大剝離力平均值為0.384 0 N，最大沖擊能平均值為163.957 0 J，中部次之，下部最小。分別在不同含水率下進行試驗，數據表明當含水率逐漸降低時，剝離力與沖擊能也逐漸減小。原因是苧麻在生長過程中由上到下纖維層與木質層的分層情況越來越明顯，上部麻稈生長不成熟可能還只是莖、纖維與木質之間相互交錯或分層模糊，而下層隨著含水率逐漸下降，木質化程度越高，纖維層與木質層的分層情況越來越明顯，纖維層越容易從木質層上剝離下來，由上到下拉伸剝離力和沖擊剝離能都變小。所以軸向拉伸剝離過程和軸向沖擊剝離過程中，麻稈由上到下軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越來越小，同一部位的含水率越低軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越小。

在軸向拉伸剝離試驗和軸向沖擊試驗中，不同長度的麻稈測試數據表明，麻稈越長，麻稈剝離所需的剝離力和剝離能越大，試驗說明機械剝麻過程中，機械折斷工序也至關重要，折麻輥齒間距越小，折斷麻稈越短，后續的剝離過程越容易。但由于受機械結構的限制，折麻輥齒間距過小容易出現卡死現象，所以應選擇合適的輥齒間距。

在徑向拉伸過程中，由上到下剝離力越來越大，含水率越低剝離力越大，該試驗為人工剝麻工序提供了理論依據。試驗表明，為了提高工作效率，人工剝麻時應適時收割，及時剝離。在軸向拉伸剝離過程和軸向沖擊剝離過程中，由上到下軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越來越小，含水率越低軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越小。此2組試驗為機械式剝麻提供了技術參數，以試驗測定的平均最大剝離力和平均最大剝離能為依據，選取合適的動力源功率，實現降低能耗的目的。

綜合試驗結果表明，隨著含水量的逐漸減少，木質化程度越高，纖維與木質部分層越明顯，越容易剝離，所以在機械剝麻過程中，麻稈收割后無須立刻進行剝麻過程，一段時間后剝麻效果更好。但由上述分析可知，麻稈收割后不宜放置時間過長，否則分層好的韌皮部與木質部逐漸干枯黏連在一起，反而加大了剝離難度。通過對苧麻進行拉伸剝離試驗分析，初步測量了麻稈纖維層與木質層的黏結力，其中徑向黏結力平均值為1.826 0 N，軸向黏結力平均值為157.998 0 N，為苧麻莖稈內聚力模型的建立提供了參數依據。

[1]郭維俊，王芬娥，黃高寶，等. 小麥莖稈力學性能與化學組分試驗[J]. 農業機械學報，2009，40(2)：110-114.

[2]晏科滿，鄒舒暢，唐令波，等. 麻莖稈沖擊斷裂韌性試驗與分析[J]. 農業工程學報，2014，30(21)：308-315.

[3]胡柳青，李夕兵，龔聲武. 沖擊載荷作用下裂紋動態響應的數值模擬[J]. 爆炸與沖擊，2006，26(3)：214-211.

[4]呂江南，龍超海，趙 舉，等. 橫向喂入式苧麻剝麻機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(16)：16-21.

[5]蘇工兵，劉儉英，程世俊，等. 苧麻莖稈的力學性能及力學建模方法[J]. 農機化研究，2007(8)：25-27.

[6]劉兆朋，謝方平，吳明亮，等. 苧麻成熟期底部莖稈的機械物理特性參數研究[J]. 湖南農業大學學報(自然科學版)，2011，37(3)：329-332.

[7]郭穎杰，胡曉麗，劉慶福. 不同收獲期玉米秸稈剪切力學性能的研究[J]. 安徽農業科學，2013，41(21)：9133-9135.

[8]李小城，劉梅英，牛智有. 小麥秸稈剪切力學性能的測試[J]. 華中農業大學學報，2012，31(2)：253-257.

[9]蘇工兵，劉儉英，王樹才，等. 苧麻莖稈木質部力學性能試驗[J]. 農業機械學報，2007，38(5)：62-65.

[10]廖宜濤，廖慶喜，田波平，等. 收割期蘆竹底部莖稈機械物理特性參數的試驗研究[J]. 農業工程學報，2007，23(4)：124-129.

[11]Obataya E，Kitin P，Yamauchi H. Bending characteristics of bamboo (Phyllostachyspubescens) with respect to its fiber-foam composite structure[J]. Wood Science and Technology，2007，41(5)：385-400.

[12]邵卓平. 植物材料(木、竹)斷裂力學[M]. 北京：科學出版社，2012.

[13]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 膠粘帶剝離強度的試驗方法：GB/T 2792—2014[S]. 北京：中國質檢出版社，2014.

[14]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 塑料懸臂梁沖擊強度的測定：GB/T 1843—2008[S]. 北京：中國質檢出版社，2008.

[15]國家標準局. 苧麻回潮率、含水率試驗方法：GB/5883—1986[S]. 北京：中國標準出版社，1986.