劉美玲，高　路

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

物理法對(duì)竹材分離效果的研究

劉美玲1，高路2

(1．山東輕工職業(yè)學(xué)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(duì)經(jīng)簡(jiǎn)單化學(xué)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(duì)竹材分離效果，通過(guò)分析竹材中膠質(zhì)的破壞情況及纖維間的分離情況,測(cè)試竹纖維的勾拉強(qiáng)力和勾拉強(qiáng)力下降率。

竹材；單一作用力；組合作用力；勾拉強(qiáng)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(diǎn)和難點(diǎn)[1-3]。竹材在紡織上的應(yīng)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(tài)和很多優(yōu)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(jiǎn)單、工藝流程短、高效節(jié)能，同時(shí)制取過(guò)程中，不(或少)使用化學(xué)試劑，減少了對(duì)環(huán)境的污染，但目前這種制取方法工藝還不完善，對(duì)機(jī)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(shí)驗(yàn)儀器

1.1原料及預(yù)處理

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

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

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

2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1單一作用力對(duì)竹材分離的影響

2.1.1壓力對(duì)竹材分離的影響

對(duì)預(yù)處理后的竹片施加壓力，然后在單纖維強(qiáng)力儀上測(cè)試其勾拉強(qiáng)力，具體操作見(jiàn)圖1、圖2。施壓過(guò)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(shù)，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(qiáng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

圖1　勾拉過(guò)程

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

圖2　施壓過(guò)程

注：選用3#壓輥材料，施壓四次。

表2　勾拉強(qiáng)力隨受壓次數(shù)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(qiáng)力隨受壓次數(shù)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(shù)時(shí)，表面粗糙的3#軋輥?zhàn)饔眯Ч詈谩?/p>

受壓次數(shù)過(guò)多會(huì)降低加工效率，壓力過(guò)大和受壓次數(shù)過(guò)多都會(huì)對(duì)纖維造成破壞，因此要適當(dāng)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(qiáng)力隨壓力大小的變化情況

2.1.2扭轉(zhuǎn)力對(duì)竹材分離的影響

預(yù)處理后的竹片用夾持器將兩端握持，沿軸向旋轉(zhuǎn)180°，分別扭轉(zhuǎn)5次、10次、20次、30次。扭轉(zhuǎn)后竹材的勾拉強(qiáng)力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　扭轉(zhuǎn)外力對(duì)竹材分離的影響

扭轉(zhuǎn)外力對(duì)竹材的分離較明顯，扭轉(zhuǎn)次數(shù)越多竹片越容易分離，扭轉(zhuǎn)次數(shù)超過(guò)20次后，竹材分離效率下降，且次數(shù)過(guò)多纖維斷裂越明顯。因此扭轉(zhuǎn)次數(shù)選擇20次為宜，扭轉(zhuǎn)20次的平均勾拉強(qiáng)力下降率在40%左右。

2.1.3縱向拉伸力對(duì)竹材分離的影響

將預(yù)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(qiáng)力儀上測(cè)試其不同部位的勾拉強(qiáng)力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　縱向拉伸外力對(duì)竹材分離的影響

通過(guò)對(duì)未受縱向拉伸的竹材與受縱向拉伸外力竹材的勾拉強(qiáng)力值進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，得出拉伸前后竹材的勾拉強(qiáng)力值無(wú)顯著差異，表明縱向拉伸力對(duì)竹片的分離作用無(wú)顯著影響。其主要原因可能是因?yàn)榭v向拉力主要由纖維承擔(dān)，而在纖維與基體的界面上未產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生很小的應(yīng)力，不足以使界面發(fā)生脫粘分離，從而使分離效果不明顯。

2.1.4剪切力對(duì)竹材分離的影響

將預(yù)處理后的竹片沿與纖維軸向呈一定夾角的方向剪成長(zhǎng)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(cè)試其勾拉強(qiáng)力，結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)力(cN)104.8890.69勾拉強(qiáng)力下降率(%)013.5

竹材經(jīng)剪切力作用后，其勾拉強(qiáng)力較原樣有所下降，表明剪切力對(duì)竹材的分離效果有一定的影響；同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)竹材中裂紋的分布很不均勻，有的部位有明顯的裂紋產(chǎn)生，纖維和膠質(zhì)發(fā)生分離，而有的部位無(wú)明顯裂紋產(chǎn)生，其原因主要是應(yīng)力分布的不勻所致。

2.1.5擊打外力對(duì)竹片分離的影響

將預(yù)處理后的竹片施加擊打外力，次數(shù)為20次，測(cè)試未受擊打外力作用與經(jīng)受擊打外力的竹片勾拉強(qiáng)力，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　擊打外力對(duì)竹材分離的影響

竹材的受擊打力越大，擊打次數(shù)越多，竹片越容易開(kāi)裂，經(jīng)20次擊打外力后，竹材的分離效果接近50%，但力過(guò)大會(huì)破壞纖維。竹材經(jīng)擊打外力作用后，各部位不勻性增加，有的部位膠質(zhì)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(chǎn)生少量裂紋。因此要選擇適當(dāng)大小的力以及擊打次數(shù)。

2.1.6超聲波處理

將預(yù)處理后的竹片放入超聲波儀中進(jìn)行處理，工作頻率：25 kHz，處理時(shí)間：60 min，溫度：30～40℃，然后在強(qiáng)力儀上測(cè)試處理前后竹片的勾拉強(qiáng)力，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　超聲波對(duì)竹材分離的影響

由于超聲波的聲波振動(dòng)，使得竹材中纖維之間、纖維與膠質(zhì)之間產(chǎn)生微小裂紋，并且在一定頻率的超聲波振動(dòng)過(guò)程中裂紋逐漸擴(kuò)展，但很難產(chǎn)生宏觀上較大的裂紋。

2.2組合力對(duì)竹材分離效果的影響

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析了單一作用力形式對(duì)竹材分離效果的影響，得出壓力、扭轉(zhuǎn)力和擊打外力對(duì)竹材的分離效果比較明顯，為了強(qiáng)化各作用外力對(duì)竹材的分離效果，選擇這幾種組合外力對(duì)竹材分離效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.2.1壓力與扭轉(zhuǎn)力組合對(duì)竹片分離的影響

預(yù)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(jìn)行扭轉(zhuǎn)(180°，扭轉(zhuǎn)10次)；另一組先扭轉(zhuǎn)后施加壓力，受力條件相同，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　壓力+扭轉(zhuǎn)力組合對(duì)竹材分離的影響

對(duì)于壓力和扭轉(zhuǎn)力的組合，不論是先施壓后扭轉(zhuǎn)還是先扭轉(zhuǎn)后施壓，其作用效果都接近70%。經(jīng)配對(duì)T檢驗(yàn)(T值為-0.157，顯著性概率0.875)，先施壓后扭轉(zhuǎn)與先扭轉(zhuǎn)后施壓兩種作用方式無(wú)顯著差異。壓力和扭轉(zhuǎn)力的組合效果小于兩個(gè)力的單獨(dú)作用效果之和。

2.2.2壓力與擊打力組合對(duì)竹片分離的影響

預(yù)處理后的竹片先經(jīng)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(cè)試擊打部位與未擊打部位的勾拉強(qiáng)力，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9　壓力+擊打組合對(duì)竹材分離的影響

通過(guò)比較未受外力、經(jīng)擊打以及加壓+擊打組合作用后的竹片勾拉強(qiáng)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(qiáng)力下降率達(dá)到80%以上，加壓作用與擊打作用都很好地被發(fā)揮。

2.2.3壓力與超聲波組合對(duì)竹片分離的影響

預(yù)處理后的竹片先經(jīng)碾壓(0.6 MPa，施壓4次，3#軋輥材料)，再經(jīng)超聲波處理(30 min，25 kHz)，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10　壓力+超聲波組合對(duì)竹材分離的影響

竹材經(jīng)初步碾壓后，產(chǎn)生大量裂紋，同時(shí)部分膠質(zhì)發(fā)生破壞并脫落。再經(jīng)超聲波處理時(shí)，超聲波能使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)在原有裂紋的基礎(chǔ)上形成更多的小裂紋，并能更好地與基體內(nèi)部和纖維上的膠質(zhì)發(fā)生作用，將膠質(zhì)去除。經(jīng)過(guò)超聲波和加壓作用，竹片的勾拉強(qiáng)力下降率達(dá)到80%以上，效果非常明顯，且組合作用效果優(yōu)于單一方式作用之和。

3　結(jié)論

3.1單一作用力中施壓對(duì)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(shù)為4次)，然后進(jìn)行超聲波處理(時(shí)間60 min)。

[1]姚文斌，張蔚，倪忠進(jìn)．國(guó)內(nèi)竹原纖維的市場(chǎng)前景及其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用[C]．杭州：2004首屆中國(guó)(杭州)人造纖維產(chǎn)業(yè)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(guó)際竹子研討會(huì)，2007：102．

[3]邢聲遠(yuǎn)．纖維辭典[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

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

[5]韓曉?。徔椨弥窭w維的制取及其結(jié)構(gòu)性能研究[D]．北京：北京服裝學(xué)院，2007.

[6]于麗紅，唐淑娟.特種植物纖維的開(kāi)發(fā)及應(yīng)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