含水率對竹材開纖影響的研究

劉 月

（浙江農林大學工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

竹材作為一種高強度、高韌性、高穩定性的天然材料現已被大量應用到各個領域。大量研究證明，含水率是竹材力學性能的重要影響因素，不同含水率的竹材，其力學性能差異很大[1]。王漢坤[2]通過研究得到除了順紋抗壓強度隨著含水率的增加呈線性減小，竹材的順紋拉伸、順紋抗剪和彎曲強度均呈減小－(增加)－平穩－減小的變化趨勢。關明杰[3]測定了含水率對不同竹種抗彎彈性模量的影響，結果表明，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，性能不發生太大的變化；含水率高于5%后，毛竹的彎曲強度不受影響。江澤慧等[5]研究發現，年齡較小的竹材的剪切強度受含水率的影響較大。通過這些研究對比發現，含水率是竹材各項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接近麻類植物纖維的天然纖維，具有獨特的抗菌防臭性能、透氣性能，以及優異的力學性能，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械法提取，經軟化、多應力加載、剪切、烘干、除雜等工藝路線制得。軟化參數是竹片能否被機械開纖的前提條件，現已有大量關于軟化工藝參數（軟化濃度、時間、溫度、浴比等）的研究[7]，然而關于改性后竹材含水率對竹原纖維質量有重要影響的研究還未見報道，因此，筆者設計實驗方案，研究分析含水率對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（浙江諸暨地區產）、固體氫氧化鈉、高壓蒸煮鍋、電磁爐、多功能電子溫濕度計、武義銳特工具有限公司J1G-WRT-355 型材切割機、上海精宏DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱、上海卓精BSM系列電子天平。

本實驗按照“毛竹——截斷——去外節——去竹節——剖開”的方法步驟，將竹材制成實驗所需竹片，總計制取實驗竹片試樣50個。新鮮竹片硬度大、模量高，不利于機械開纖。本實驗自制竹片軟化工藝，使得竹片力學參數滿足機械加載開纖要求。通過數次預實驗，最終總結出適用于本實驗的竹片軟化工藝數據：3%的NaOH溶液；壓強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驗后，觀察空白對照組竹片軟化情況，若竹片中部有少量留白，則繼續加熱15min，保溫10min）。

竹片完成軟化后，將其撈出，在室溫下進行晾置，記錄當下環境的溫度以及濕度數據。因竹片晾置時間與竹片含水率符合一定的函數關系，本實驗擬采用晾置時間的梯度分級來表征竹片的不同含水率。實驗設計5組竹片晾置時間梯度分級，分別為0h、12h、24h、36h、48h。當竹片完成規定時間的晾置后，立即對竹片進行稱重并依次記錄下其質量，記為m。如表1所示。

表1 不同晾置時間下竹片試件含水率數據表

在每組不同含水率的竹片中，每組隨機選取3個竹片，將其放入電熱恒溫鼓風干燥箱中進行干燥處理，直至試塊的質量不再變化，記下每組各個竹塊試件的質量，記為m’。本次實驗選取絕對含水率作為實驗分析數據，按下式計算改性竹片絕對含水率：

式中：W——竹片絕對含水率，以百分率計，準確至0.1%；m——不同含水率竹片試樣質量（g）；m’——竹片試樣的絕干質量（g）。

1.2 竹纖維的制備

1）材料：不同含水率竹片。

2）儀器：浙江農林大學姚文斌團隊自制碾壓開纖機。

本實驗采用自制開纖機機械加載開纖法制取竹纖維。將每組剩余的5個不同含水率的竹片依次裹上保鮮膜，再將其喂入開纖機進行竹片開纖。因本實驗的唯一變量為含水率，因此本次實驗碾壓次數統一控制為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

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

2.1 竹纖維得率

為降低竹纖維的含水率對最終纖維質量數據的影響，本實驗對所得的竹纖維統一做烘干處理，并記錄下烘干后竹纖維的絕干質量。按下式計算竹纖維制得率：

制得不同含水率情況下竹片試件的開纖得率數據如表2所示。

表2 不同含水率竹片試件的纖維制得率數據表

由表2可知，當絕對含水率低于43%時，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；當含水率高于43%時，纖維得率與含水率基本呈正相關。

2.2 纖維細度的測量

目前常用的纖維細度測試方法有兩種：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破壞纖維，后者更精確，經研究對比認為，這兩種算法的結果相差不大[9]。故本次實驗采用纖維寬度法來測量竹纖維細度。

將完成干燥處理的纖維在室溫環境下放置一段時間，待干纖維與環境達到干濕平衡后，從每組纖維中隨機選取50根纖維作為細度實驗測量試樣。將竹纖維試樣用雙面刀片切去3mm～5mm長的纖維片段，放在滴有粘性介質的載玻片上，然后蓋上蓋玻片。采用NOVEL光學顯微鏡直徑分析儀在放大倍數為1 000倍條件下對竹纖維細度進行測量，測量結果如圖2所示。

從纖維細度頻率分布圖來看，竹纖維直徑基本在200μm～350μm區間內。尤其經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，也從側面反映其變異系數最小。

2.3 力學性能的測量

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

用YG028PC電子多功能強力機測試天然毛竹纖維的拉伸性能。參考標準ASTM D3822-07《Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》及相關文獻，分別對每根纖維進行單纖維強度測試[10]。將機器設置成夾持距為20mm，室溫環境為25±2℃，濕度為55±5%，拉伸速度為5mm/min，預加張力為5cN。已測定該批竹原纖維試樣纖維密度為145dtex，輸入系統中，實驗次數每組設置為30次，完成以上設置后即可開始進行拉伸實驗。各組纖維通過電子多功能強力機的測量后，測量結果如表3所示。

表3 不同含水率竹片所制纖維力學性能數據表

3 實驗數據分析

由圖2可知，不同含水率竹片所得纖維細度基本在200μm～350μm區間，無明顯線性關系。因此，本文只對含水率與纖維得率、斷裂強力、斷裂伸長率以及彈性模量進行回歸分析。用MATLAB軟件通過對原始數據繪圖得到含水率—纖維得率關系、含水率—斷裂強力關系、含水率—斷裂伸長率關系及含水率—彈性模量關系分別如圖3所示。

圖3 數據分析

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80%時，纖維得率基本保持不變。當竹片含水率比較高時，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）當含水率低于85%時，纖維斷裂強力與含水率呈正相關；當含水率高于85%時，纖維斷裂強力與含水率呈負相關。含水率越高，竹片的強度越低，則在竹片拉伸過程中纖維將會承受更多的載荷，到了一定的階段，纖維將在加載過程中到達強化階段。因此，其斷裂強力越來越大，而當含水率過大時，因基體過軟而導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，其斷裂強力也隨之降低。

3）在含水率為61%～115%的范圍內，纖維的斷裂伸長率與含水率大體呈負相關。隨著含水率的提高，竹片的強度、硬度降低，則導致作用在纖維上的力越來越大，從而纖維經歷了比例、強化、頸縮三個變形階段，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，所得纖維的強度在升高，纖維的斷裂伸長率卻一直減小，從而導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，但粗細均勻度較差，而得率相對較低的由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，可以適當降低改性竹片的含水率再進行開纖，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一步提高。

4 結論

改性后竹材的絕對含水率對竹片開纖及制得竹纖維的性能有較大影響，結論如下：1）纖維得率隨含水率的降低而降低，并在含水率到達43%時無法進行開纖；2）含水率為74%的竹片制得的纖維細度最為均勻；3）含水率為85%的竹片制得的纖維斷裂強力最大；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，在實際的竹纖維制備工藝中，當竹片完成軟化后，可將竹片在室溫環境下（溫度25±3℃，濕度55±5%）放置24h，待竹片絕對含水率到達74%再進行開纖，以獲得粗細較為均勻、力學性能較好且得率較好的纖維。