物理法对竹材分离效果的研究

刘美玲，高　路

(1．山东轻工职业学院，山东 淄博 255300；2.天津永舵科技有限公司， 天津 300350)

物理法对竹材分离效果的研究

刘美玲1，高路2

(1．山东轻工职业学院，山东 淄博 255300；2.天津永舵科技有限公司， 天津 300350)

为了寻求更好的竹材分离成纤的方法，文章对经简单化学处理的竹材施加不同形式的外载荷，尝试各种单一作用力和组合外力的形式对竹材分离效果，通过分析竹材中胶质的破坏情况及纤维间的分离情况,测试竹纤维的勾拉强力和勾拉强力下降率。

竹材；单一作用力；组合作用力；勾拉强力

可纺竹纤维被人们称作继棉、麻、丝、毛之后的第五大类天然纤维，是目前研究的热点和难点[1-3]。竹材在纺织上的应用有两种形式，一种是竹纤维，另一种是竹浆粘胶纤维[4]。竹纤维较竹浆粘胶纤维，保持了竹子纤维原有形态和很多优良性能，在竹纤维的制取中，物理制取法与其他制取法相比，方法简单、工艺流程短、高效节能，同时制取过程中，不(或少)使用化学试剂，减少了对环境的污染，但目前这种制取方法工艺还不完善，对机械作用力的方式、加载条件、边界约束等还不确定。为了找到更好的物理法，本文就各种外力的作用作了研究，寻求出更合适的载荷方式和载荷条件。

1　材料与实验仪器

1.1原料及预处理

四川慈竹，取次外层作为实验材料，竹片尺寸长8 cm、宽1 cm、厚0.5 mm，竹片预处理工艺包括碱煮、水洗、酸洗(pH为4，20 min)、二次水洗四个步骤。碱煮条件[5]：NaOH浓度6 g/L、亚硫酸钠4%、焦磷酸钠4%、复合助剂8%、碱煮时间90 min、温度100℃。

1.2实验仪器

电热恒温水浴锅；气泵加压式轧车；单纤维强力仪；超声波清洗器；便携式pH计；其他实验用品：电磁炉、滴管、烧杯、量筒、玻璃棒等。

2　实验过程

2.1单一作用力对竹材分离的影响

2.1.1压力对竹材分离的影响

对预处理后的竹片施加压力，然后在单纤维强力仪上测试其勾拉强力，具体操作见图1、图2。施压过程中，改变压力大小，分别施加0，0.2，0.4，0.6，0.8 MPa的压力，施压2次；改变受压次数，分别受压0，2，4，6，8次，压力选择0.6 MPa；变换轧辊材料，分别为1#、2#、3#材料，粗糙度依次增大。受压后勾拉强力测试结果见表1、表2。

图1　勾拉过程

压力越大、受压次数越多，分离效果越明显，竹片越容易分离。竹片勾拉强力与受压次数、勾拉强力与压力大小的关系如图3、图4所示。压力大小及施压次数增加到一定值，勾拉强力下降明显减缓。

图2　施压过程

注：选用3#压辊材料，施压四次。

表2　勾拉强力随受压次数增多的变化情况

注：选用3#压辊材料，压力大小0.6 MPa。

图3　勾拉强力随受压次数的变化情况

从图3、图4中还可看出，在相同压力和受压次数时，表面粗糙的3#轧辊作用效果最好。

受压次数过多会降低加工效率，压力过大和受压次数过多都会对纤维造成破坏，因此要适当控制加压条件，选择0.6 MPa压力、受压4次、3#轧辊材料。

图4　勾拉强力随压力大小的变化情况

2.1.2扭转力对竹材分离的影响

预处理后的竹片用夹持器将两端握持，沿轴向旋转180°，分别扭转5次、10次、20次、30次。扭转后竹材的勾拉强力结果见表3。

表3　扭转外力对竹材分离的影响

扭转外力对竹材的分离较明显，扭转次数越多竹片越容易分离，扭转次数超过20次后，竹材分离效率下降，且次数过多纤维断裂越明显。因此扭转次数选择20次为宜，扭转20次的平均勾拉强力下降率在40%左右。

2.1.3纵向拉伸力对竹材分离的影响

将预处理后的竹材沿纤维纵向垂直放置，上端固定，下端挂一50 g的重物，静止18 h，然后在单纤维强力仪上测试其不同部位的勾拉强力，结果见表4。

表4　纵向拉伸外力对竹材分离的影响

通过对未受纵向拉伸的竹材与受纵向拉伸外力竹材的勾拉强力值进行配对T检验，得出拉伸前后竹材的勾拉强力值无显著差异，表明纵向拉伸力对竹片的分离作用无显著影响。其主要原因可能是因为纵向拉力主要由纤维承担，而在纤维与基体的界面上未产生应力或产生很小的应力，不足以使界面发生脱粘分离，从而使分离效果不明显。

2.1.4剪切力对竹材分离的影响

将预处理后的竹片沿与纤维轴向呈一定夹角的方向剪成长方形，如图5所示，用夹具握持两端，施加0.5 N的拉伸外力，然后测试其勾拉强力，结果见表5。

图5　剪切试样

条件未受剪切力作用受剪切力平均勾拉强力(cN)104.8890.69勾拉强力下降率(%)013.5

竹材经剪切力作用后，其勾拉强力较原样有所下降，表明剪切力对竹材的分离效果有一定的影响；同时实验过程中发现竹材中裂纹的分布很不均匀，有的部位有明显的裂纹产生，纤维和胶质发生分离，而有的部位无明显裂纹产生，其原因主要是应力分布的不匀所致。

2.1.5击打外力对竹片分离的影响

将预处理后的竹片施加击打外力，次数为20次，测试未受击打外力作用与经受击打外力的竹片勾拉强力，结果见表6。

表6　击打外力对竹材分离的影响

竹材的受击打力越大，击打次数越多，竹片越容易开裂，经20次击打外力后，竹材的分离效果接近50%，但力过大会破坏纤维。竹材经击打外力作用后，各部位不匀性增加，有的部位胶质脱落很明显，有大量纤维暴露，甚至有纤维断裂，而有的部位仅产生少量裂纹。因此要选择适当大小的力以及击打次数。

2.1.6超声波处理

将预处理后的竹片放入超声波仪中进行处理，工作频率：25 kHz，处理时间：60 min，温度：30～40℃，然后在强力仪上测试处理前后竹片的勾拉强力，结果见表7。

表7　超声波对竹材分离的影响

由于超声波的声波振动，使得竹材中纤维之间、纤维与胶质之间产生微小裂纹，并且在一定频率的超声波振动过程中裂纹逐渐扩展，但很难产生宏观上较大的裂纹。

2.2组合力对竹材分离效果的影响

通过以上实验分析了单一作用力形式对竹材分离效果的影响，得出压力、扭转力和击打外力对竹材的分离效果比较明显，为了强化各作用外力对竹材的分离效果，选择这几种组合外力对竹材分离效果进行实验测试。

2.2.1压力与扭转力组合对竹片分离的影响

预处理后的竹片一组先施加压力(0.6 MPa，施压4次，3#轧辊)后进行扭转(180°，扭转10次)；另一组先扭转后施加压力，受力条件相同，结果见表8。

表8　压力+扭转力组合对竹材分离的影响

对于压力和扭转力的组合，不论是先施压后扭转还是先扭转后施压，其作用效果都接近70%。经配对T检验(T值为-0.157，显著性概率0.875)，先施压后扭转与先扭转后施压两种作用方式无显著差异。压力和扭转力的组合效果小于两个力的单独作用效果之和。

2.2.2压力与击打力组合对竹片分离的影响

预处理后的竹片先经加压作用(0.6 MPa，施压4次，3#轧棍)，然后一端握持，另一端击打(20次)，测试击打部位与未击打部位的勾拉强力，结果见表9。

表9　压力+击打组合对竹材分离的影响

通过比较未受外力、经击打以及加压+击打组合作用后的竹片勾拉强力的均值可以看出施压+击打力组合作用效果很好，其勾拉强力下降率达到80%以上，加压作用与击打作用都很好地被发挥。

2.2.3压力与超声波组合对竹片分离的影响

预处理后的竹片先经碾压(0.6 MPa，施压4次，3#轧辊材料)，再经超声波处理(30 min，25 kHz)，结果见表10。

表10　压力+超声波组合对竹材分离的影响

竹材经初步碾压后，产生大量裂纹，同时部分胶质发生破坏并脱落。再经超声波处理时，超声波能使裂纹进一步扩展，同时在原有裂纹的基础上形成更多的小裂纹，并能更好地与基体内部和纤维上的胶质发生作用，将胶质去除。经过超声波和加压作用，竹片的勾拉强力下降率达到80%以上，效果非常明显，且组合作用效果优于单一方式作用之和。

3　结论

3.1单一作用力中施压对竹材的分离效果最好；组合外力加压和超声波组合方式既能使竹材得到很好的分离，又能保证纤维不受到破坏，分离效果最佳。

3.2竹材分离的最佳方案：先碾压(3#压辊，压力0.6 MPa，施压次数为4次)，然后进行超声波处理(时间60 min)。

[1]姚文斌，张蔚，倪忠进．国内竹原纤维的市场前景及其在纺织领域的应用[C]．杭州：2004首届中国(杭州)人造纤维产业链论坛论文集，2004：109—121．

[2]姚文斌．Study on application technology of natural bamboo fiber[C]．浙江：07国际竹子研讨会，2007：102．

[3]邢声远．纤维辞典[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[4]王越平．竹材应用的新领域—纺织工业[J]．世界竹藤通讯，2005，3(4)：21—26．

[5]韩晓俊．纺织用竹纤维的制取及其结构性能研究[D]．北京：北京服装学院，2007.

[6]于丽红，唐淑娟.特种植物纤维的开发及应用[J].山东纺织科技，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

刘美玲(1984—)，女，山东淄博人，讲师。

TS102.3+3

A

1009-3028(2015)02-0001-04