苧麻莖稈界面力學(xué)性能試驗(yàn)

鄒舒暢， 蘇工兵， 周會(huì)勇， 邵運(yùn)果

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430037)

苧麻纖維是一種天然的紡織纖維，大量用于紡織行業(yè)。為研究苧麻莖稈分離技術(shù)，許多研究者開(kāi)展了苧麻莖稈拉伸、彎曲、抗沖擊韌性、切割特性等方面的研究，從不同的特性參數(shù)表征苧麻莖稈的力學(xué)特性，為苧麻莖稈分離設(shè)備的研制提供有力的技術(shù)支撐。但苧麻莖稈界面相力學(xué)行為鮮有開(kāi)展這方面的試驗(yàn)，本研究采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)外載荷作用方式，研究苧麻莖稈界面相力學(xué)行為的變化規(guī)律，以期通過(guò)試驗(yàn)參數(shù)表征界面相力學(xué)行為特性。

目前，對(duì)木材、竹材、小麥莖稈、玉米秸稈、苧麻莖稈等植物秸稈的斷裂行為、抗沖擊特性、切割特性、彎曲和扭轉(zhuǎn)特征等力學(xué)性能進(jìn)行了研究[1-6]。郭穎杰等對(duì)不同收獲期玉米秸稈剪切力學(xué)性能進(jìn)行研究，得出隨著玉米收獲期的延遲，秸稈的纖維素和木質(zhì)素含量增加，對(duì)應(yīng)的剪切力增大[7]。李小城等的試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥莖稈在剪切過(guò)程中力的大小呈先上升再減小的變化規(guī)律，然后上升直至切斷最后卸載的變化過(guò)程[8]。蘇工兵等對(duì)麻莖稈木質(zhì)部進(jìn)行彎折、拉伸、壓縮試驗(yàn)，獲得了相同部位木質(zhì)部的抗彎彈性模量明顯高于拉伸彈性模量，最大抗彎強(qiáng)度大于最大抗拉強(qiáng)度，木質(zhì)部橫向抵抗變形能力強(qiáng)[9]。廖宜濤等對(duì)收割期蘆竹底部的莖稈進(jìn)行順紋拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)條件下順紋拉伸、壓縮、彎曲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；結(jié)果表明，蘆竹破壞應(yīng)力參數(shù)接近毛竹，遠(yuǎn)大于玉米、小麥等莖稈的破壞應(yīng)力參數(shù)，蘆竹的機(jī)械化收割不宜采用傳統(tǒng)的切割器[10]。Obataya等采用4點(diǎn)彎曲方法對(duì)楠竹進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，獲得楠竹柔韌性是由外層竹纖維能承受拉應(yīng)力與內(nèi)層木質(zhì)部能允許較大壓縮變形的共同作用[11]。

從生物形態(tài)結(jié)構(gòu)分析，苧麻莖稈界面相[12]是由韌皮纖維與木質(zhì)部之間的細(xì)胞形成層構(gòu)成，細(xì)胞形成層的黏結(jié)力不僅與外載荷作用方式有關(guān)，而且與含水率及生長(zhǎng)部位有關(guān)。為此，本研究通過(guò)對(duì)不同含水率下不同部位的苧麻莖稈剝離過(guò)程進(jìn)行靜態(tài)拉伸剝離試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊剝離試驗(yàn)，分析纖維層與木質(zhì)層黏結(jié)力和剝離沖擊能的分布規(guī)律和變化，探究其界面之間的力學(xué)性能，為莖稈分離機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 苧麻莖稈樣本于2016年6月中旬取自湖北省咸寧市苧麻試驗(yàn)站試驗(yàn)田種植的華苧4號(hào)頭麻。莖稈通直無(wú)病，株高范圍為1.7～1.9 m。由圖1可見(jiàn)，將苧麻按上部(長(zhǎng)度區(qū)間1.2～1.9 m)、中部(長(zhǎng)度區(qū)間0.5～1.2 m)、下部(長(zhǎng)度區(qū)間0～0.5 m)進(jìn)行劃分。

1.1.2 儀器 采用東莞市海達(dá)(國(guó)際)儀器有限公司的 HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)最大行程為 1 000 mm，測(cè)試速度30～300 mm/s，配備2個(gè)傳感器，其量程分別為2 500、5 000 N；TF-2056B懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，購(gòu)于東莞市海達(dá)(國(guó)際)儀器有限公司，沖擊量程分別為11、12 J。

1.1.3 樣品制備 將苧麻莖稈參照GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》[13]，按照表1中的規(guī)格制備苧麻樣品，其中試樣1是將苧麻莖稈切制成長(zhǎng)為(300.0±1.0)mm，包含部分韌皮部和全部木質(zhì)部，韌皮部皮寬(6.0±0.1)mm的試樣，用于苧麻莖稈徑向拉伸剝離韌性試驗(yàn)；試樣2、3、4是將苧麻莖稈分別切制成長(zhǎng)為(40.0±1.0)mm、(30.0±1.0)mm、(50.0±1.0)mm，包含部分韌皮部和全部木質(zhì)部，韌皮部皮寬均為(6.0±0.1)mm的試樣，用于苧麻莖稈軸向拉伸剝離韌性試驗(yàn)及苧麻莖稈軸向沖擊剝離韌性試驗(yàn)。

表1 試樣制備參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 苧麻莖稈徑向拉伸剝離試驗(yàn) 選取上述試樣1進(jìn)行試驗(yàn)，苧麻屬于生物質(zhì)材料，目前還沒(méi)有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在拉伸剝離試驗(yàn)中參照和借鑒GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》[13]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)一端夾具夾持試樣麻稈，水平固定，另一端夾持麻皮以1 mm/min的速度對(duì)苧麻進(jìn)行90°徑向拉伸剝離試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)上的應(yīng)變片反映出纖維層與木質(zhì)層徑向剝離時(shí)的受力變化趨勢(shì)(圖2)。

1.2.2 苧麻莖稈軸向拉伸剝離試驗(yàn) 選取上述試樣2、3、4進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)一端夾具夾持麻皮，另一端夾持木質(zhì)層，以1 mm/min的速度對(duì)苧麻麻皮進(jìn)行軸向拉伸剝離試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)上的應(yīng)變片反映纖維層與木質(zhì)層軸向剝離時(shí)的受力變化趨勢(shì)(圖3)。

1.2.3 苧麻莖稈軸向沖擊剝離試驗(yàn) 選取與試驗(yàn)“1.2.1”節(jié)相同的麻稈試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)夾具夾持麻皮，使麻稈處于水平狀態(tài)，擺錘從揚(yáng)角150°處自由擺線(xiàn)下落，當(dāng)擺錘沖擊麻稈使麻稈從麻皮中剝離并飛出時(shí)，試驗(yàn)機(jī)記錄擺錘的最大揚(yáng)角，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)換算得出沖擊斷裂能量。麻稈為生物質(zhì)材料，在沖擊載荷試驗(yàn)中參照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》[14]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣采用無(wú)缺口形式(圖4)。

試樣1無(wú)缺口沖擊韌度aiU按照公式(1)計(jì)算，試樣2與試樣3無(wú)缺口沖擊韌度aiU按照公式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中：aiU為無(wú)缺口沖擊韌度，J/cm2；Ec為已修正的試樣斷裂吸收能量，J；h為試樣厚度，mm；b為試樣寬度，mm；R為麻稈半徑，mm；r為麻稈內(nèi)腔半徑，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 苧麻莖稈徑向拉伸剝離測(cè)試結(jié)果與分析

2.1.1 含水率80.93%時(shí)試樣徑向拉伸剝離力與不同部位的關(guān)系 取苧麻試樣1上部、中部與下部樣本各20個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可知，麻稈上部拉伸剝離力在0.653 0～2.866 0 N之間波動(dòng)，平均值為1.598 3 N，中部拉伸剝離力在 0.961 0～2.800 0 N之間波動(dòng)，平均值為1.882 9 N，下部拉伸剝離力在0.846 0～2.707 0 N之間波動(dòng)，平均值為 1.997 7 N。經(jīng)比較與分析可知，上部平均拉伸剝離力比中部平均拉伸剝離力小0.284 6 N，中部平均拉伸剝離力比下部平均拉伸剝離力小0.114 8 N。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在麻皮相同寬度下，下部平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為1.997 7 N。

苧麻莖稈剝離是以莖稈為研究對(duì)象，從上述試驗(yàn)分析可知，苧麻莖稈下端所需的拉伸剝離力最大，且最大拉伸剝離力平均值為1.997 7 N，只有作用力大于莖稈最大剝離力時(shí)，才能完成整稈剝離，因此選擇下部為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 試樣1下部在不同含水率時(shí)徑向拉伸剝離試驗(yàn)結(jié)果與分析 取苧麻試樣1下部，不同含水率[15]下樣本各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6可知，含水率為80.93%時(shí)，下部拉伸剝離力在 0.846 0～2.707 0 N之間波動(dòng)，平均值為1.997 7 N；含水率為78.42%時(shí)，下部拉伸剝離力在1.303 0～2.870 0 N之間波動(dòng)，平均值為2.126 9 N；含水率為76.41%時(shí)，下部拉伸剝離力在1.398 0～3.270 0 N之間波動(dòng)，平均值為 2.418 9 N。經(jīng)比較與分析可知，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力比含水率為78.42%的平均拉伸剝離力小 0.129 2 N，含水率為78.42%的平均拉伸剝離力比含水率為76.41%的平均拉伸剝離力小0.292 0 N。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的逐漸下降，莖稈徑向拉伸剝離力逐漸變大。在麻皮相同寬度下，含水率為76.41%的平均拉伸剝離力最高，最大拉伸剝離力平均值為2.418 9 N。

2.2 苧麻莖稈軸向拉伸剝離測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1 含水率為80.93%的苧麻莖稈軸向拉伸剝離力與不同部位的關(guān)系 取苧麻試樣2上部、中部、下部樣本各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可知，麻稈上部拉伸剝離力在86.299 0～215.747 0 N 之間波動(dòng)，平均值為151.023 0 N，中部拉伸剝離力在64.724 0～244.186 0 N之間波動(dòng)，平均值為 148.377 0 N，下部拉伸剝離力在59.822 0～253.993 0 N之間波動(dòng)，平均值為124.986 0 N。經(jīng)比較與分析可知，上部平均拉伸剝離力比中部的平均拉伸剝離力大2.646 0 N，中部平均拉伸剝離力比下部平均拉伸剝離力大23.391 0 N。在麻皮相同寬度下，上部平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為151.023 0 N。

從上述試驗(yàn)分析可知，苧麻莖稈上部所需的拉伸剝離力最大，只有作用力大于莖稈最大剝離力時(shí)，才能完成整稈剝離，因此選擇上部為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2.2 不同含水率時(shí)試樣2上部軸向拉伸剝離試驗(yàn)結(jié)果與分析 取苧麻試樣2上部，不同含水率下樣本各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8可知，含水率為80.93%時(shí)，上部拉伸剝離力在86.299 0～215.747 0 N之間波動(dòng)，平均值為151.023 0 N；含水率為78.42%時(shí)，上部拉伸剝離力在87.280 0～225.553 0 N 之間波動(dòng)，平均值為146.904 0 N；含水率為76.41%時(shí)，上部拉伸剝離力在67.666 0～193.191 0 N之間波動(dòng)，平均值為138.078 0 N。經(jīng)比較與分析可知，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力比含水率為78.42%的平均拉伸剝離力大4.119 0 N，含水率為78.42%的平均拉伸剝離力比含水率為76.41%的平均拉伸剝離力小8.826 0 N。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的逐漸下降，莖稈軸向拉伸剝離力逐漸減小。在麻皮相同寬度下，含水率為80.93%的平均拉伸剝離力最大，最大拉伸剝離力平均值為151.023 0 N。

2.2.3 苧麻莖稈軸向拉伸剝離力與稈長(zhǎng)的關(guān)系 取苧麻試樣2、3、4上部，樣本容量各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

從圖9可知，稈長(zhǎng)為30 mm時(shí)，上部拉伸剝離力在 63.743 0～165.733 0 N之間，平均值為114.101 0 N；稈長(zhǎng)為40 mm時(shí)，上部拉伸剝離力在86.299 0～215.023 0 N之間波動(dòng)，平均值為151.023 0 N；稈長(zhǎng)為50 mm時(shí)，上部拉伸剝離力在106.893 0～280.471 0 N之間波動(dòng)，平均值為174.363 0 N。經(jīng)比較與分析可知，稈長(zhǎng)為30 mm的平均拉伸剝離力比稈長(zhǎng)為40 mm的平均拉伸剝離力小36.922 0 N，稈長(zhǎng)為 40 mm 的平均拉伸剝離力比稈長(zhǎng)為50 mm的平均拉伸剝離力小23.340 0 N。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著麻稈稈長(zhǎng)逐漸變長(zhǎng)，麻稈所需拉伸剝離力逐漸變大。

2.3 苧麻莖稈沖擊剝離測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 含水率為76.41%的苧麻莖稈軸向沖擊剝離能與苧麻莖稈不同部位的關(guān)系 取苧麻試樣2上部、中部與下部樣本各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

從圖10可知，麻稈上部沖擊剝離能在0.316 0～0.372 0 J 之間，平均值為0.342 0 J，中部沖擊剝離能在 0.322 0～0.376 0 J之間，平均值為0.336 9 J，下部沖擊剝離能在0.311 0～0.367 0 J之間，平均值為 0.330 3 J。經(jīng)比較與分析可知，上部平均沖擊剝離能比中部的平均沖擊剝離能大0.005 1 J，中部平均沖擊剝離能比下部平均沖擊剝離能高0.006 6 J。在麻皮相同寬度下，上部平均沖擊剝離能最高，最大沖擊剝離能平均值為0.342 0 J。

從上述試驗(yàn)分析可知，苧麻莖稈上部所需的沖擊剝離能最大，只有作用能大于莖稈最大剝離能時(shí)，才能完成整稈剝離，因此選擇上部為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3.2 不同含水率時(shí)試樣2上部軸向沖擊剝離試驗(yàn)結(jié)果與分析 取苧麻試樣2上部，不同含水率下樣本各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

從圖11可知，含水率為80.93%時(shí)，上部拉伸剝離力在0.316 0～0.372 0 J之間，平均值為0.342 0 J；含水率為78.42%時(shí)，上部拉伸剝離力在0.319 0～0.363 0 J之間，平均值為0.336 0 J；含水率為76.41%時(shí)，上部拉伸剝離力在0.304 0～0.383 0 J之間，平均值為0.333 4 J。經(jīng)比較與分析可知，含水率為80.93%的平均沖擊剝離能比含水率為78.42%的平均沖擊剝離能高0.006 0 J，含水率為 78.42% 的平均沖擊剝離能比含水率為76.41%的平均沖擊剝離能高0.002 6 J。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率逐漸下降，莖稈軸向拉伸剝離能逐漸減小。在麻皮相同寬度下，含水率為80.93%的平均拉伸剝離能最高，最高沖擊剝離能平均值為0.342 J。

2.3.3 苧麻莖稈徑向沖擊剝離能與稈長(zhǎng)的關(guān)系 取苧麻試樣2、3、4上部，樣本容量各20個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

從圖12可知，稈長(zhǎng)為30 mm時(shí)，上部沖擊剝離能在 0.307 0～0.331 0 J之間，平均值為0.316 6 J；稈長(zhǎng)為40 mm時(shí)，上部沖擊剝離能在0.316 0～0.372 0 J之間，平均值為0.342 0 J；稈長(zhǎng)為50 mm時(shí)，上部沖擊剝離能在0.324 0～0.530 0 J之間，平均值為0.354 6 J。經(jīng)比較與分析可知，稈長(zhǎng)為30 mm的平均沖擊剝離能比稈長(zhǎng)為 40 mm的平均沖擊剝離能小0.025 4 J，稈長(zhǎng)為40 mm的平均沖擊剝離能比稈長(zhǎng)為50 mm的平均沖擊剝離能小0.012 6 J。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著麻稈稈長(zhǎng)逐漸變長(zhǎng)，麻稈所需沖擊剝離能逐漸變大。

3 結(jié)論與討論

在徑向拉伸剝離試驗(yàn)中，相同含水率下不同部位麻稈測(cè)試數(shù)據(jù)表明，麻稈下部所需剝離力最大，最大剝離力平均值為1.997 7 N，中部次之，上部最小。以麻稈下部為基準(zhǔn)，分別在不同含水率下進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明隨著含水率的逐漸下降，剝離力卻逐漸增大。原因是苧麻在生長(zhǎng)過(guò)程中，由上到下木質(zhì)化程度越來(lái)越高，致使含水量越來(lái)越低，隨著含水率逐漸下降，麻稈逐漸干枯，韌皮部與木質(zhì)部黏連程度越高，加大了徑向拉伸剝離難度。所以徑向拉伸過(guò)程中，整稈由上到下剝離力越來(lái)越大，同一部位的含水率越低剝離力越大。

在軸向拉伸剝離試驗(yàn)和軸向沖擊剝離試驗(yàn)中，相同含水率下對(duì)不同部位麻稈測(cè)試數(shù)據(jù)表明，所需拉伸剝離力和沖擊剝離能都為上部最大，其中最大剝離力平均值為0.384 0 N，最大沖擊能平均值為163.957 0 J，中部次之，下部最小。分別在不同含水率下進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明當(dāng)含水率逐漸降低時(shí)，剝離力與沖擊能也逐漸減小。原因是苧麻在生長(zhǎng)過(guò)程中由上到下纖維層與木質(zhì)層的分層情況越來(lái)越明顯，上部麻稈生長(zhǎng)不成熟可能還只是莖、纖維與木質(zhì)之間相互交錯(cuò)或分層模糊，而下層隨著含水率逐漸下降，木質(zhì)化程度越高，纖維層與木質(zhì)層的分層情況越來(lái)越明顯，纖維層越容易從木質(zhì)層上剝離下來(lái)，由上到下拉伸剝離力和沖擊剝離能都變小。所以軸向拉伸剝離過(guò)程和軸向沖擊剝離過(guò)程中，麻稈由上到下軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越來(lái)越小，同一部位的含水率越低軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越小。

在軸向拉伸剝離試驗(yàn)和軸向沖擊試驗(yàn)中，不同長(zhǎng)度的麻稈測(cè)試數(shù)據(jù)表明，麻稈越長(zhǎng)，麻稈剝離所需的剝離力和剝離能越大，試驗(yàn)說(shuō)明機(jī)械剝麻過(guò)程中，機(jī)械折斷工序也至關(guān)重要，折麻輥齒間距越小，折斷麻稈越短，后續(xù)的剝離過(guò)程越容易。但由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，折麻輥齒間距過(guò)小容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇合適的輥齒間距。

在徑向拉伸過(guò)程中，由上到下剝離力越來(lái)越大，含水率越低剝離力越大，該試驗(yàn)為人工剝麻工序提供了理論依據(jù)。試驗(yàn)表明，為了提高工作效率，人工剝麻時(shí)應(yīng)適時(shí)收割，及時(shí)剝離。在軸向拉伸剝離過(guò)程和軸向沖擊剝離過(guò)程中，由上到下軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越來(lái)越小，含水率越低軸向拉伸剝離力和沖擊剝離能越小。此2組試驗(yàn)為機(jī)械式剝麻提供了技術(shù)參數(shù)，以試驗(yàn)測(cè)定的平均最大剝離力和平均最大剝離能為依據(jù)，選取合適的動(dòng)力源功率，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

綜合試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水量的逐漸減少，木質(zhì)化程度越高，纖維與木質(zhì)部分層越明顯，越容易剝離，所以在機(jī)械剝麻過(guò)程中，麻稈收割后無(wú)須立刻進(jìn)行剝麻過(guò)程，一段時(shí)間后剝麻效果更好。但由上述分析可知，麻稈收割后不宜放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，否則分層好的韌皮部與木質(zhì)部逐漸干枯黏連在一起，反而加大了剝離難度。通過(guò)對(duì)苧麻進(jìn)行拉伸剝離試驗(yàn)分析，初步測(cè)量了麻稈纖維層與木質(zhì)層的黏結(jié)力，其中徑向黏結(jié)力平均值為1.826 0 N，軸向黏結(jié)力平均值為157.998 0 N，為苧麻莖稈內(nèi)聚力模型的建立提供了參數(shù)依據(jù)。

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