甘蔗莖外皮機(jī)械特性檢測(cè)及像素分析

郭鑫等

摘要

[目的]更加精確地表征甘蔗莖外皮的機(jī)械特性。[方法]將傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)與像素分析法相結(jié)合，測(cè)算出不同組別甘蔗莖外皮試件的拉伸強(qiáng)度及彈性模量，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)比分析。[結(jié)果]研究表明，4組試件的拉伸強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，經(jīng)堿處理不帶有甘蔗節(jié)的試件的拉伸強(qiáng)度最高，而未經(jīng)堿處理帶有甘蔗節(jié)的試件，其拉伸強(qiáng)度相對(duì)微弱；較帶有甘蔗節(jié)的試件而言，不帶甘蔗節(jié)的試件的彈性模量相對(duì)較大。[結(jié)論]綜合來(lái)看，堿處理可在一定程度上提高甘蔗皮的機(jī)械性能；甘蔗節(jié)對(duì)甘蔗皮機(jī)械特性有所影響，但影響較小。

關(guān)鍵詞像素分析法；機(jī)械特性；甘蔗莖外皮；堿處理

中圖分類(lèi)號(hào)S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）06-01797-03

Abstract[Objective] In order to characterize the mechanical properties of sugarcane rind more accurately. [Method] Combined traditional tensile test and pixel analysis method， the tensile strength and elastic modulus of sugarcane rind specimens was measured. And then a comparative analysis was conducted. [Result] The results showed that the tensile strength of four groups of specimens is on a decline curve. The tensile strength of the sugarcane rind without joints that treated with alkali is the highest. Without alkali treatment， the tensile strength of sugarcane rind with joints is relatively poorer. Compared with the specimens with joints， the elastic modulus of sugarcane rind without joints is relatively large. [Conclusion] Taken together， alkali treatment can improve the mechanical performance of the sugarcane rind to a certain degree， and the joints has an less effect on the mechanical properties of the sugarcane rind.

Key words Pixel analysis method； Mechanical property； Sugarcane rind； Alkali treatment

近年來(lái)，甘蔗莖稈作為我國(guó)一種重要的農(nóng)作物秸稈，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因其具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、可再生且再生周期短等優(yōu)勢(shì)，可作為一種良好的代木纖維加以利用。而長(zhǎng)期以來(lái)，蔗渣僅僅作為制糖廠本身的燃料或當(dāng)做飼料使用，雖也有企業(yè)用其來(lái)造紙，但其利用率依然極低[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者致力于研究將玉米、棉稈等農(nóng)作物秸稈作為一種增強(qiáng)性纖維材料添加到一些熱塑性塑料中，以代替木材材料制備木塑制品[4-9]。甘蔗皮纖維作為一種良好的木質(zhì)化纖維，在該方面的應(yīng)用也同樣具有較大的研究?jī)r(jià)值。因此，檢測(cè)甘蔗莖外皮的機(jī)械特性對(duì)其在該方面的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。目前，對(duì)農(nóng)作物秸稈的機(jī)械特性的檢測(cè)，大多數(shù)都通過(guò)拉伸、彎曲、剪切等試驗(yàn)測(cè)得[10-12]，有一定的局限性。劉逸平等采用DIC法分析了水稻莖稈的軸向應(yīng)變，并結(jié)合Photoshop軟件對(duì)水稻莖稈橫截面的幾何特性進(jìn)行了測(cè)算，這種方法較傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法已較為可靠[13]。近年，CCD光學(xué)法與二維圖像測(cè)量技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于微細(xì)尺寸的精確測(cè)量[13-14]，該技術(shù)具有非接觸、自?huà)呙?、精度高等?yōu)勢(shì)，已在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于甘蔗具有甘蔗節(jié)這一特殊生理結(jié)構(gòu)，其對(duì)甘蔗皮的機(jī)械性能勢(shì)必有所影響；而且甘蔗皮在應(yīng)用過(guò)程中，大多需先經(jīng)過(guò)堿處理[15]工序來(lái)去除其內(nèi)部的果膠、木質(zhì)素等有機(jī)雜質(zhì)及一些抽提物。因此，為了更加精確地表征甘蔗皮的機(jī)械特性，筆者將對(duì)經(jīng)過(guò)堿處理和未經(jīng)堿處理以及帶有甘蔗節(jié)和不帶甘蔗節(jié)的甘蔗皮進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并應(yīng)用MiVnt2K顯微圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合像素分析法來(lái)測(cè)量試件的橫截面積，從而測(cè)算出甘蔗皮試件的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，進(jìn)而做出對(duì)比性分析。2.2像素分析法測(cè)定甘蔗皮試件的橫截面幾何參數(shù)

將拉伸試驗(yàn)后的試件在不同位置截取3段，得到3個(gè)橫截面，用細(xì)砂紙將橫截面打磨平整，以保證采集圖像時(shí)更易識(shí)別橫截面的范圍，也可使圖像更加清晰。

試驗(yàn)時(shí)，配以75 mm ZOOM鏡頭的高分辨率CCD相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，由專(zhuān)業(yè)軟件控制，圖像以灰度圖的形式顯示。在采集區(qū)域內(nèi)放置水平標(biāo)尺，并保持標(biāo)尺與待測(cè)的橫截面基本在同一平面內(nèi)，如圖1a所示。調(diào)節(jié)CCD相機(jī)焦距和光圈直至圖像清晰，并使圖像盡可能充滿(mǎn)控制軟件的圖像顯示區(qū)域。之后用MiVnt顯微圖像分析系統(tǒng)對(duì)試件的橫截面積進(jìn)行測(cè)算，如圖1b所示。首先對(duì)尺寸進(jìn)行標(biāo)定，即圖中標(biāo)注的1 cm的實(shí)際長(zhǎng)度共有460個(gè)像素，如此便得到每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸為10 mm/460pixel=0.021 7 mm/pixel，用該數(shù)據(jù)對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)置后，再選中測(cè)算工具勾選圖中的白色區(qū)域即可得到橫截面積值。再分別測(cè)出每個(gè)試樣的寬度和厚度值，對(duì)每個(gè)試件的3組幾何數(shù)值分別求取算數(shù)平均值即為該試件的橫截面積、寬度、厚度，如表2所示。

由于甘蔗皮是一種活性的生物材料，所以其拉伸強(qiáng)度及彈性模量的測(cè)量結(jié)果存在一定的離散性，但從圖2、3中不難看出，這種離散性并不影響數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)。由圖2可以明顯看出，4組甘蔗莖外皮試件的拉伸強(qiáng)度整體呈遞減趨勢(shì)，第1組經(jīng)堿處理且不帶甘蔗節(jié)的試件的拉伸強(qiáng)度是最高的，最大值達(dá)到95.70 MPa；第4組未經(jīng)堿處理帶有甘蔗節(jié)的試件的拉伸強(qiáng)度相對(duì)較差，最大值也只有55.93 MPa。從圖中還可以看出，雖然1、3兩組不帶有甘蔗節(jié)的試件分別比2、4兩組帶有甘蔗節(jié)的試件的拉伸強(qiáng)度要高，但差距不是很大，其平均值分別相差17.73 MPa和13.25 MPa。由圖3可以看出，1、3兩組試件的彈性模量相對(duì)較高，而2、4兩組試件的彈性模量則偏低，且第1、2組，及第3、4組試件間的差距也不是很大，其平均值相差在13 GPa左右。

上述拉伸強(qiáng)度及彈性模量的變化趨勢(shì)的出現(xiàn)，可能是由于堿處理不僅將甘蔗皮中的果膠、蠟質(zhì)、灰分等成分去除，且脫除了部分的木質(zhì)素及半纖維素，從而使得甘蔗皮的強(qiáng)度得以提高；而甘蔗節(jié)中的木質(zhì)素含量相對(duì)最高，雖經(jīng)過(guò)堿處理

有部分脫除，但其含量仍然比其他部位的要高，因此造成節(jié)

部的強(qiáng)度下降；在拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，帶有甘蔗節(jié)的2組試件的斷裂位置均為甘蔗節(jié)處，這也得以驗(yàn)證上述分析。

綜合各組甘蔗皮試件的拉伸強(qiáng)度及彈性模量來(lái)看，第1組經(jīng)堿處理不帶有甘蔗節(jié)的試件的綜合性能最為優(yōu)異。

3 結(jié)論

應(yīng)用MiVnt顯微圖像分析系統(tǒng)能夠較為精確地測(cè)算出甘蔗莖外皮試件的橫截面幾何參數(shù)，結(jié)合實(shí)際的拉伸試驗(yàn)，可以得到材料相對(duì)較準(zhǔn)確的機(jī)械性能。

堿處理可以在一定程度上提高甘蔗莖外皮的機(jī)械性能，可作為一種增強(qiáng)改性方式。

甘蔗節(jié)對(duì)試件的機(jī)械性能有所影響，但影響不是很大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以不作為考慮因素。

參考文獻(xiàn)

[1]

宗閃閃.甘蔗皮纖維的提取及纖維的性能研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)， 2010.

[2] 李堅(jiān).生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社， 2008.

[3] 高振華， 邸明偉.生物質(zhì)材料及應(yīng)用[M].北京：化工工業(yè)出版社， 2008.

[4] CHIOU K C， CHANG F C.Reactive compatibilization of polyamide6（PA6）/polybutylene terephthalate （PBT） blends by a multifunctional epoxy resin[J].Journal of Polymer Science Part B：Polymer Physics， 2000， 38（1）：23.

[5] LEE B J， MCDONALD A G， JAMES B.Influence of fiber length on the mechanical properties of woodfiber /polypropylene prepreg sheets[J].Mat Res Innovat， 2001， 4：97-103.

[6] CANCHESCAMILLA G， RODRIGUEZLAVIADA J， CAUICHCUPUL J I， et al.Flexural， impact and compressive properties of a rigidthermoplastic matrix/cellulose fiber reinforced composites[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing， 2002， 33（3）：539-549.

[7] PICKERING K L， ABDALLA A， JI C， et al.The effect of silane coupling agents on radiata pine fibre for use in thermoplastic matrix composites[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing， 2003， 34（10）：915-926.

[8] 蔣永濤， 李大綱， 吳正元，等.稻殼/HDPE木塑復(fù)合材料蠕變性能的研究[J].包裝工程， 2008， 29（8）：4-6.

[9] 李大綱，周敏，范麗君.塑木復(fù)合材與木材主要力學(xué)性質(zhì)的比較研究[J].包裝工程， 2004， 25（3）：152-153.

[10] 高夢(mèng)祥， 郭康權(quán)， 楊中平，等.玉米秸稈的力學(xué)特性測(cè)試研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2003， 34（4）：47-49.

[11] 尹秋， 王濤， 魏靜，等.香蕉秸稈力學(xué)特性試驗(yàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013（14）：114-115.

[12] 譚露露， 王春耀， 李彥峰，等.棉秸稈力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013， 50（8）：1513-1518.

[13] 劉逸平， 林俠， 何庭蕙，等.基于圖像分析法的水稻莖稈力學(xué)性能測(cè)量與分析[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)， 2012， 27（4）：421-427.

[14] 米紅林.基于CCD光學(xué)方法的紙漿模塑材料的厚度檢測(cè)[J].包裝工程， 2012， 33（19）：139-141.

[15] 薛娜.甘蔗渣/廢舊塑料袋復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)， 2006.