劉 月

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

竹材作為一種高強(qiáng)度、高韌性、高穩(wěn)定性的天然材料現(xiàn)已被大量應(yīng)用到各個領(lǐng)域。大量研究證明，含水率是竹材力學(xué)性能的重要影響因素，不同含水率的竹材，其力學(xué)性能差異很大[1]。王漢坤[2]通過研究得到除了順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)度均呈減小－(增加)－平穩(wěn)－減小的變化趨勢。關(guān)明杰[3]測定了含水率對不同竹種抗彎彈性模量的影響，結(jié)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(fā)生太大的變化；含水率高于5%后，毛竹的彎曲強(qiáng)度不受影響。江澤慧等[5]研究發(fā)現(xiàn)，年齡較小的竹材的剪切強(qiáng)度受含水率的影響較大。通過這些研究對比發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(yōu)異的力學(xué)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(jī)械法提取，經(jīng)軟化、多應(yīng)力加載、剪切、烘干、除雜等工藝路線制得。軟化參數(shù)是竹片能否被機(jī)械開纖的前提條件，現(xiàn)已有大量關(guān)于軟化工藝參數(shù)（軟化濃度、時間、溫度、浴比等）的研究[7]，然而關(guān)于改性后竹材含水率對竹原纖維質(zhì)量有重要影響的研究還未見報道，因此，筆者設(shè)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(qū)產(chǎn)）、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(jī)、上海精宏DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)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(jié)——去竹節(jié)——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(jī)械開纖。本實驗自制竹片軟化工藝，使得竹片力學(xué)參數(shù)滿足機(jī)械加載開纖要求。通過數(shù)次預(yù)實驗，最終總結(jié)出適用于本實驗的竹片軟化工藝數(shù)據(jù)：3%的NaOH溶液；壓強(qiáng)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(xù)加熱15min，保溫10min）。

竹片完成軟化后，將其撈出，在室溫下進(jìn)行晾置，記錄當(dāng)下環(huán)境的溫度以及濕度數(shù)據(jù)。因竹片晾置時間與竹片含水率符合一定的函數(shù)關(guān)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(shè)計5組竹片晾置時間梯度分級，分別為0h、12h、24h、36h、48h。當(dāng)竹片完成規(guī)定時間的晾置后，立即對竹片進(jìn)行稱重并依次記錄下其質(zhì)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(shù)據(jù)表

在每組不同含水率的竹片中，每組隨機(jī)選取3個竹片，將其放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥處理，直至試塊的質(zhì)量不再變化，記下每組各個竹塊試件的質(zhì)量，記為m’。本次實驗選取絕對含水率作為實驗分析數(shù)據(jù)，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(zhǔn)確至0.1%；m——不同含水率竹片試樣質(zhì)量（g）；m’——竹片試樣的絕干質(zhì)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(nóng)林大學(xué)姚文斌團(tuán)隊自制碾壓開纖機(jī)。

本實驗采用自制開纖機(jī)機(jī)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(jī)進(jìn)行竹片開纖。因本實驗的唯一變量為含水率，因此本次實驗?zāi)雺捍螖?shù)統(tǒng)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(xì)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(shè)備：溫州百恩YG028PC電子多功能強(qiáng)力機(jī)、上海卓精BSM系列電子天平、上海精宏DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、溫州百恩儀器有限公司YG0002型纖維細(xì)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(zhì)量數(shù)據(jù)的影響，本實驗對所得的竹纖維統(tǒng)一做烘干處理，并記錄下烘干后竹纖維的絕干質(zhì)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(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同含水率竹片試件的纖維制得率數(shù)據(jù)表

由表2可知，當(dāng)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(dāng)含水率高于43%時，纖維得率與含水率基本呈正相關(guān)。

2.2 纖維細(xì)度的測量

目前常用的纖維細(xì)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(jīng)研究對比認(rèn)為，這兩種算法的結(jié)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(xì)度。

將完成干燥處理的纖維在室溫環(huán)境下放置一段時間，待干纖維與環(huán)境達(dá)到干濕平衡后，從每組纖維中隨機(jī)選取50根纖維作為細(xì)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(zhì)的載玻片上，然后蓋上蓋玻片。采用NOVEL光學(xué)顯微鏡直徑分析儀在放大倍數(shù)為1 000倍條件下對竹纖維細(xì)度進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖2所示。

從纖維細(xì)度頻率分布圖來看，竹纖維直徑基本在200μm～350μm區(qū)間內(nèi)。尤其經(jīng)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(cè)面反映其變異系數(shù)最小。

2.3 力學(xué)性能的測量

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

用YG028PC電子多功能強(qiáng)力機(jī)測試天然毛竹纖維的拉伸性能。參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3822-07《Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》及相關(guān)文獻(xiàn)，分別對每根纖維進(jìn)行單纖維強(qiáng)度測試[10]。將機(jī)器設(shè)置成夾持距為20mm，室溫環(huán)境為25±2℃，濕度為55±5%，拉伸速度為5mm/min，預(yù)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(tǒng)中，實驗次數(shù)每組設(shè)置為30次，完成以上設(shè)置后即可開始進(jìn)行拉伸實驗。各組纖維通過電子多功能強(qiáng)力機(jī)的測量后，測量結(jié)果如表3所示。

表3 不同含水率竹片所制纖維力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

3 實驗數(shù)據(jù)分析

由圖2可知，不同含水率竹片所得纖維細(xì)度基本在200μm～350μm區(qū)間，無明顯線性關(guān)系。因此，本文只對含水率與纖維得率、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率以及彈性模量進(jìn)行回歸分析。用MATLAB軟件通過對原始數(shù)據(jù)繪圖得到含水率—纖維得率關(guān)系、含水率—斷裂強(qiáng)力關(guān)系、含水率—斷裂伸長率關(guān)系及含水率—彈性模量關(guān)系分別如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)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(dá)80%時，纖維得率基本保持不變。當(dāng)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(dāng)含水率低于85%時，纖維斷裂強(qiáng)力與含水率呈正相關(guān)；當(dāng)含水率高于85%時，纖維斷裂強(qiáng)力與含水率呈負(fù)相關(guān)。含水率越高，竹片的強(qiáng)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(dá)強(qiáng)化階段。因此，其斷裂強(qiáng)力越來越大，而當(dāng)含水率過大時，因基體過軟而導(dǎo)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(qiáng)力也隨之降低。

3）在含水率為61%～115%的范圍內(nèi)，纖維的斷裂伸長率與含水率大體呈負(fù)相關(guān)。隨著含水率的提高，竹片的強(qiáng)度、硬度降低，則導(dǎo)致作用在纖維上的力越來越大，從而纖維經(jīng)歷了比例、強(qiáng)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(qiáng)度在升高，纖維的斷裂伸長率卻一直減小，從而導(dǎo)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(xì)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(dāng)降低改性竹片的含水率再進(jìn)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(jìn)一步提高。

4 結(jié)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(jié)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(dá)43%時無法進(jìn)行開纖；2）含水率為74%的竹片制得的纖維細(xì)度最為均勻；3）含水率為85%的竹片制得的纖維斷裂強(qiáng)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(dāng)竹片完成軟化后，可將竹片在室溫環(huán)境下（溫度25±3℃，濕度55±5%）放置24h，待竹片絕對含水率到達(dá)74%再進(jìn)行開纖，以獲得粗細(xì)較為均勻、力學(xué)性能較好且得率較好的纖維。