高 璟，張曉燕，趙麗娟，劉倩云

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071000）

荊條廣泛分布于我國東北、華北、西北、華中、西 南等省、區(qū)［1］。北京北部山區(qū)、河北承德、內(nèi)蒙古昭烏達(dá)盟等地區(qū)都有自然形成的天然屏障分布，是北方干旱山區(qū)陽坡、半陽坡的典型植被［2］，多為灌木，對荒山護(hù)坡和防止風(fēng)沙具有良好的環(huán)境保護(hù)作用，是優(yōu)良的水土保持樹種。荊條性強(qiáng)健，其根莖萌發(fā)力強(qiáng)，平茬后第2年仍可旺盛生長，同時(shí)由于荊條枝條粗細(xì)均勻、堅(jiān)韌有彈性，又是優(yōu)良的編織材料。但由于當(dāng)年生枝條質(zhì)脆易折，限制了荊條的適用范圍，只能做筐、簍等粗糙用品。因此提高荊條柔軟度，使其能滿足編織工藝的要求、創(chuàng)造高附加值產(chǎn)品——荊編家具，對荊條進(jìn)行軟化處理，是提高荊條使用價(jià)值的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)。

荊條木質(zhì)部細(xì)胞壁是由纖維素、半纖維素和木素組成的。木素是天然的粘合劑，其作用是把纖維素、半纖維素粘合起來，從而賦予細(xì)胞壁一定的硬度和強(qiáng)度，細(xì)胞之間也由于木素的作用而彼此牢固地粘結(jié)在一起。軟化荊條的目的是使細(xì)胞壁的強(qiáng)度降低，可塑性增強(qiáng)，同時(shí)使細(xì)胞間的結(jié)合力減弱，有利于細(xì)胞間的滑動(dòng)。為此，本研究采用水煮、碳酸氫鈉、尿素、乙二胺4種方法［3-4］，對荊條進(jìn)行軟化處理，通過最大彎曲撓度、抗彎彈性模量表征荊條的軟化效果，揭示不同軟化處理對荊條彎曲性能的影響，為荊條加工利用——編制荊條家具提供理論依據(jù)。

幾十年來，國內(nèi)外的學(xué)者主要對木材的軟化彎曲處理及木材的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究［5-7］。由于國內(nèi)外還沒有灌木及藤材物理力學(xué)性能測試的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，因而現(xiàn)有的關(guān)于灌木或藤力學(xué)性質(zhì)測試方法的研究也較少，主要有紅嶺等沙柳材物理力學(xué)性質(zhì)測試方法［8］研究，羅真付［9］等棕櫚藤力學(xué)性質(zhì)測試方法研究，高璟［10］等荊條藤柳力學(xué)性質(zhì)測試與對比研究，高璟［11］等高徑比跨高比對荊條縱向抗壓抗彎性能測試精度的影響?；趪鴥?nèi)外研究者的相關(guān)研究方法，本研究結(jié)合灌木枝條的圓形截面截取試樣，但這樣截取的試樣直徑粗細(xì)不同，若采用相同跨度（即兩支座間距），則由于跨高比不同對抗彎力學(xué)指標(biāo)的測試結(jié)果必定造成影響，使荊條的抗彎力學(xué)性能指標(biāo)缺乏相互比較的基礎(chǔ)，為此以同跨高比為前提條件，采用水煮、碳酸氫鈉、尿素、乙二胺4種軟化處理方法，測試了荊條的最大彎曲撓度、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度，據(jù)此分析不同軟化處理對荊條彎曲性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

荊條（Vitex negundo var.heterophylla），直徑8、10mm，采自河北省保定市易縣清西陵。

1.2 儀器

WDW-100微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)、電子萬用爐、數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-1、電子天平、游標(biāo)卡尺、1 000 mL量筒、125mL量筒、溫度計(jì)。

1.3 試劑

10%尿素（分析純）：用電子天平稱取100g的尿素，溶于900mL蒸餾水，現(xiàn)配現(xiàn)用。

10%NaHCO3（分析純）：用電子天平稱取100 g的NaHCO3，溶于900mL蒸餾水，現(xiàn)配現(xiàn)用。

10%乙二胺（分析純）：密度0.9g／mL，用量筒準(zhǔn)確量取111mL的乙二胺，溶于900mL蒸餾水，現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.4 試樣制備

梁橫截面抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式是在純彎曲時(shí)，以平面假設(shè)和單向受力假設(shè)為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的。而彎曲試驗(yàn)采用的中央單點(diǎn)加荷的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，橫截面上不僅有彎矩，而且有剪力。因此，梁的橫截面上不僅有正應(yīng)力，而且還有切應(yīng)力。由于切應(yīng)力的存在，梁的橫截面不能保持平面，而發(fā)生翹曲。同時(shí)，由于橫向力的作用，梁各層縱向纖維之間還存在著擠壓應(yīng)力。由此可見，在純彎曲時(shí)所作的平面假設(shè)和單向受力假設(shè)，都不再成立。但是，精確的理論分析證明，工程中常見的梁，當(dāng)跨度與高度之比L／h（簡稱跨高比）＞5時(shí)，正應(yīng)力計(jì)算公式可以推廣應(yīng)用于橫力彎曲，其計(jì)算結(jié)果略低于精確解。隨著跨高比的減小，其誤差隨之增大。

根據(jù)“高徑比跨高比對荊條縱向抗壓抗彎性能測試精度的影響［11］”一文的結(jié)論，跨高比為8～12均能滿足測試精度要求，考慮試樣過短不便于測試抗彎彈性模量，因此本試驗(yàn)選用跨高比為12，并且直徑取8mm和10mm的2組試件測試，即按照跨高比12，將直徑為10mm的試樣截成150mm長、跨度為120mm的試件，直徑為8mm的試樣截成120mm長、跨度為96mm的試件。為避免節(jié)疤影響，鋸截試件時(shí)應(yīng)保證試樣中部加載部位附近無節(jié)疤。

1.5 軟化處理方法

荊條軟化處理方法考慮木材改性的物理和化學(xué)方法及荊條的傳統(tǒng)軟化方法，在對荊條軟化工藝條件分析研究基礎(chǔ)上，采用了4種處理方案：1）水煮處理，用水浸泡2d，加熱至100℃，處理時(shí)間2.5h；2）尿素處理，用10%的尿素浸泡2d，加熱至100℃，處理時(shí)間1.5h；3）碳酸氫鈉處理，10%的碳酸氫鈉浸泡2d，加熱至100℃，處理時(shí)間75min；4）乙二胺處理，10%的乙二胺浸泡2d，加熱至60℃，處理時(shí)間1.5h。每種處理方法均選取直徑為8mm和10 mm的2組試樣各30個(gè)，以便比較分析不同粗細(xì)的荊條彎曲軟化的差異。

1.6 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法參照GB／T1936.1-2009“木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法”［12］及 GB／T1936.1-2009 “木材抗彎彈性模量試驗(yàn)方法”［13］。采用中央單點(diǎn)加載法測定。

水煮、碳酸氫鈉、尿素、乙二胺4種軟化處理方法處理荊條后直接測定能體現(xiàn)軟化效果的力學(xué)指標(biāo)：縱向抗彎強(qiáng)度、最大彎曲撓度、抗彎彈性模量。由于試件均為圓形截面，其慣性矩IZ=πd4／64，抗彎強(qiáng)度及彈性模量計(jì)算公式由材料力學(xué)理論［14-15］得出。

抗彎強(qiáng)度MOR計(jì)算公式：

式中：F—最大荷載（N）；L—兩支座距離（mm）；d—試件直徑（mm）。

最大彎曲撓度為試樣彎曲最大位移量，從彎曲曲線上讀取。

抗彎彈性模量MOE計(jì)算公式：

式中：△F—上下限荷載之差（N）；△f—上下限荷載間試件中部的撓度（mm）；L—2支座距離（mm）；d—試件直徑（mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 同跨高比不同軟化處理方法的抗彎性能

根據(jù)跨高比為12、直徑為8mm和10mm各軟化處理的測試指標(biāo)平均值，匯總得出表1。

表1 跨高比為12、直徑8 mm和10 mm各軟化處理的測試指標(biāo)平均值Table 1 Averages of the indices of the twigs with diameter 8and 10mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

2.2 同跨高比不同軟化處理方法對荊條最大彎曲撓度的影響

彎曲撓度是衡量荊條彎曲軟化效果的重要力學(xué)指標(biāo)之一，在同跨高比前提下，其值越大，則彎曲軟化效果越好。軟化處理后，荊條的彎曲撓度增加。

由表1可知，直徑8mm的各處理彎曲撓度表明：最大彎曲撓度的均值，水煮＞尿素＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞未處理。處理比未處理的最大彎曲撓度高16.84%～52.73%。

由表1可知，直徑10mm的各處理彎曲撓度表明：最大彎曲撓度的均值，尿素＞水煮＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞未處理。處理比未處理的最大彎曲撓度高24.50%～65.88%。

表1同種處理方法下，直徑10mm的最大彎曲撓度大于直徑8mm的最大彎曲撓度，即最大彎曲撓度隨直徑的增大而增大。

2.2.1 同跨高比不同軟化處理方法的最大彎曲撓度的方差分析 根據(jù)跨高比為12、直徑為8mm和10mm各處理荊條的最大彎曲撓度進(jìn)行方差分析［16］，得出表2、表3。

表2、表3表明，未處理與碳酸氫鈉和乙二胺處理的荊條最大彎曲撓度顯著性F＞0.05，差異不顯著；而與尿素和水煮處理的顯著性F＜0.05，差異顯著。各處理間，尿素與水煮的顯著性F＞0.05，差異不顯著；尿素與碳酸氫鈉和乙二胺的顯著性F＜0.01，差異極顯著。

2.2.2 相同軟化處理方法不同粗細(xì)的最大彎曲撓度的方差分析 根據(jù)跨高比為12、對相同軟化處理不同粗細(xì)荊條的最大彎曲撓度進(jìn)行方差分析得出表4。

表2 跨高比為12、直徑8 mm各處理撓度方差分析統(tǒng)計(jì)值Table 2 Variance analysis of deflection of twigs with diameter 8mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表3 跨高比為12、直徑10 mm各處理撓度方差分析統(tǒng)計(jì)值Table 3 Variance analysis of deflection of twigs with diameter 10mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表4 跨高比為12、相同軟化處理不同粗細(xì)荊條的最大彎曲撓度方差分析統(tǒng)計(jì)值Table 4 Variance analysis of deflection of twigs with different diameters and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表4表明，未處理和碳酸氫鈉處理細(xì)的（直徑8 mm）與粗的（直徑10mm）荊條的最大彎曲撓度顯著性F＜0.05，差異顯著；而水煮、乙二胺、尿素處理不同粗細(xì)的差異性F＜0.01，差異極顯著。

綜上所述，同跨高比前提下，直徑為8mm的最大彎曲撓度均值，水煮＞尿素＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞未處理；直徑為10mm的最大彎曲撓度均值，尿素＞水煮＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞未處理。未處理荊條的最大彎曲撓度與水煮、尿素處理的荊條的最大彎曲撓度差異顯著；而水煮與尿素處理二者間無顯著差異。相同處理不同粗細(xì)荊條的最大彎曲撓度差異顯著，最大彎曲撓度隨直徑的增大而增大。

2.3 同跨高比不同軟化處理方法對荊條縱向抗彎強(qiáng)度的影響

表1表明，抗彎強(qiáng)度均值，未處理＞碳酸氫鈉＞水煮＞乙二胺＞尿素，說明軟化處理后荊條的縱向抗彎強(qiáng)度降低。其中尿素處理的縱向抗彎強(qiáng)度最低，但與藤的縱向抗彎強(qiáng)度（70.75MPa）［10］近似，能滿足編制家具等使用要求。

2.3.1 同跨高比不同軟化處理方法的縱向抗彎強(qiáng)度的方差分析 根據(jù)跨高比為12、直徑為8mm和10mm各處理的荊條縱向抗彎強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，未處理荊條的抗彎強(qiáng)度與處理過的荊條的抗彎強(qiáng)度顯著性F＜0.01，差異極顯著。各處理間，尿素與水煮和碳酸氫鈉的顯著性F＜0.01，差異極顯著；而尿素與乙二胺直徑8mm的差異性F＞0.05，差異不顯著，與直徑10mm的差異性F＜0.01，差異極顯著。

2.3.2 相同軟化處理方法不同粗細(xì)的縱向抗彎強(qiáng)度的方差分析 根據(jù)跨高比為12的同種軟化處理不同粗細(xì)荊條的縱向抗彎強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，未處理荊條細(xì)的（直徑8mm）與粗的（直徑10 mm）二者的抗彎強(qiáng)度顯著性F＜0.05，差異顯著；而水煮、碳酸氫鈉、乙二胺、尿素不同粗細(xì)的差異性F＞0.05，差異不顯著。

綜上所述，同跨高比前提下，縱向抗彎強(qiáng)度均值，未處理＞碳酸氫鈉＞水煮＞乙二胺＞尿素，說明軟化處理后荊條抗彎強(qiáng)度降低。未處理荊條的抗彎強(qiáng)度與處理后的荊條的抗彎強(qiáng)度差異顯著。未處理不同粗細(xì)荊條的抗彎強(qiáng)度差異顯著，細(xì)的（直徑8 mm）的抗彎強(qiáng)度大于粗的（直徑10mm）；相同處理不同粗細(xì)荊條的抗彎強(qiáng)度無顯著差異。

2.4 同跨高比不同軟化處理方法對荊條彈性模量的影響

抗彎彈性模量代表木材的彈性，即比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力?？箯潖椕酱?，則越剛硬；反之，則比較柔曲。軟化處理后，荊條的抗彎彈性模量降低。

由表1可知，直徑8mm的抗彎彈性模量表明，彈性模量均值，未處理＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞水煮＞尿素。處理比未處理的彈性模量降低29.79%～40.24%。

由表1可知，直徑10mm的抗彎彈性模量表明，彈性模量均值，未處理＞乙二胺＞碳酸氫鈉＞水煮＞尿素。處理比未處理的彈性模量降低27.16%～40.35%。

軟化處理后，荊條的抗彎彈性模量降低，經(jīng)過處理的荊條彈性模量比未處理的降低27.16%～40.35%。同種處理方法下，除水煮條件下直徑10 mm的彈性模量稍大于直徑8mm的外，尿素、碳酸氫鈉、乙二胺3種處理方法均是直徑10mm的彈性模量小于直徑8mm的彈性模量，說明同跨高比前提下，彈性模量隨直徑增大而減小，與最大彎曲撓度的結(jié)果一致。

2.4.1 同跨高比不同軟化處理方法的彈性模量的方差分析 根據(jù)跨高比為12、直徑為8mm和10 mm各處理的荊條彈性模量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，未處理荊條的彈性模量與處理過的荊條的彈性模量顯著性F＜0.01，差異極顯著。直徑8mm的荊條，尿素與水煮的顯著性F＞0.05，差異不顯著；尿素與乙二胺、碳酸氫鈉的顯著性F＜0.05，差異顯著。直徑10mm的荊條，尿素與水煮的顯著性F＜0.05，差異顯著；尿素與碳酸氫鈉和乙二胺的顯著性F＜0.01，差異極顯著。

2.4.2 相同軟化處理方法不同粗細(xì)的彈性模量的方差分析 根據(jù)跨高比為12的同種軟化處理不同粗細(xì)的荊條彈性模量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，未處理、水煮、碳酸氫鈉、乙二胺、尿素處理5種情況下，細(xì)的（直徑8mm）與粗的（直徑10mm）的荊條彈性模量的顯著性F＞0.05，差異均不顯著。

綜上所述，同跨高比前提下，直徑為8mm的彈性模量均值，未處理＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞水煮＞尿素；直徑為10mm的彈性模量均值，未處理＞乙二胺＞碳酸氫鈉＞水煮＞尿素，說明軟化處理后荊條彈性模量降低。未處理荊條的彈性模量與處理后的荊條的彈性模量差異顯著；且尿素處理與乙二胺、碳酸氫鈉、水煮處理的抗彎彈性模量差異顯著，說明尿素處理的軟化效果最佳。同種處理不同粗細(xì)的抗彎彈性模量隨直徑增大而減小，但二者無顯著差異。

2.5 軟化處理對縱向抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量二者相關(guān)關(guān)系的影響

根據(jù)未處理荊條在含水率12%時(shí)的縱向抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量［17］，發(fā)現(xiàn)二者之間存在線性相關(guān)性，并得出關(guān)系式：

EW=84.735σW+1 441.4（MPa），相關(guān)系數(shù)R2=0.605 6。

根據(jù)水煮處理荊條的縱向抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，得出關(guān)系式：

EW=68.243σW+2 086.6（MPa），相關(guān)系數(shù)R2=0.347 8。

根據(jù)10%碳酸氫鈉處理荊條的縱向抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，得出關(guān)系式：

EW=65.059σW+23 824（MPa），相關(guān)系數(shù)R2=0.3531。

根據(jù)10%乙二胺處理荊條的縱向抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，得出關(guān)系式：

EW=71.411σW+2 503.2（MPa），相關(guān)系數(shù)R2=0.524 2。

根據(jù)10%尿素處理荊條的縱向抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，得出關(guān)系式：

EW=61.711σW+2 664.2（MPa），相關(guān)系數(shù)R2=0.281 5。

由相關(guān)系數(shù)看出，水煮、碳酸氫鈉、乙二胺、尿素4種軟化處理后縱向抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量的相關(guān)性均降低。

3 結(jié)論與討論

最大彎曲撓度表現(xiàn)為，尿素、水煮＞碳酸氫鈉＞乙二胺＞未處理；未處理荊條的最大彎曲撓度與水煮、尿素處理的荊條的最大彎曲撓度差異顯著；而水煮與尿素處理二者間無顯著差異；相同處理不同粗細(xì)荊條的最大彎曲撓度差異顯著，最大彎曲撓度隨直徑的增大而增大。

縱向抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)為，未處理＞碳酸氫鈉＞水煮＞乙二胺＞尿素；未處理荊條的抗彎強(qiáng)度與處理后的荊條的抗彎強(qiáng)度差異顯著。未處理不同粗細(xì)荊條的縱向抗彎強(qiáng)度差異顯著，細(xì)的（直徑8mm）的抗彎強(qiáng)度大于粗的（直徑10mm）；相同處理不同粗細(xì)荊條的縱向抗彎強(qiáng)度無顯著差異。

抗彎彈性模量表現(xiàn)為，未處理＞乙二胺、碳酸氫鈉＞水煮＞尿素；未處理荊條的彈性模量與處理后的荊條的彈性模量差異顯著；尿素處理與水煮、碳酸氫鈉、乙二胺處理的抗彎彈模差異顯著，說明尿素處理的軟化效果最佳；同種處理不同粗細(xì)的抗彎彈模無顯著差異。

綜合分析4種軟化處理的彎曲撓度、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度，尿素處理方法抗彎彈性模量最小、彎曲撓度大，軟化效果最佳。其次是荊條編織中采用的傳統(tǒng)軟化處理方法——水煮處理。

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