苧麻莖葉的力學(xué)特性測(cè)試研究

晏科滿　蘇工兵　邵運(yùn)果　鄒舒暢

摘要：為了揭示苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]莖葉連接力及其沖擊斷裂能量的分布規(guī)律，以收獲期二麻為試驗(yàn)對(duì)象，參照GB/T 1040-2006及GB/T 1843-2008試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗(yàn)機(jī)與TF-2056B懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)分布于不同部位的連接苧麻麻葉與莖稈的葉柄分別進(jìn)行了靜態(tài)拉力測(cè)試試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊斷裂試驗(yàn)，獲取莖葉連接力和莖葉沖擊斷裂能。結(jié)果表明，中部莖葉連接力平均值最大，頂部次之，下部最小，莖葉連接力最大平均值為14.492 N；中部莖葉沖擊斷裂能平均值最大，頂部次之，下部最小，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J；中部與頂部的莖葉隨葉柄直徑增大，其連接力和沖擊能量總體趨勢(shì)逐漸增大而局部波動(dòng)。該試驗(yàn)研究可為苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]；莖葉；連接力；沖擊斷裂能量；脫葉機(jī)

中圖分類號(hào)：S563.1；TB301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）10-2489-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.050

苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]有著悠久的栽培歷史，是古老的纖維作物之一，中國(guó)的苧麻產(chǎn)量占世界苧麻總產(chǎn)量的90%以上，處于優(yōu)勢(shì)地位[1]。苧麻纖維是天然的紡織原材料，苧麻葉可制成飼料、藥物，還可以作為有機(jī)肥料，用途廣泛。對(duì)苧麻纖維和苧麻葉的綜合利用，需先脫落莖稈上的苧麻葉，然后再對(duì)苧麻稈進(jìn)行剝麻、分纖加工。傳統(tǒng)的加工方法為人工脫葉、剝麻，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的苧麻莖稈機(jī)械化收割脫葉及莖稈纖維剝離，研究苧麻莖葉的力學(xué)特性具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)木材、竹材、小麥（Triticum aestivum Linn.）莖稈、玉米（Zea mays L.）秸稈、苧麻莖稈等植物秸稈的拉伸特性、抗沖擊特性、斷裂行為等力學(xué)性能進(jìn)行了研究[2-7]。高夢(mèng)祥等[8]對(duì)玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的抗沖擊特性進(jìn)行了測(cè)試；李耀明等[9]對(duì)水稻穗頭子粒與粒柄、粒柄與枝梗、枝梗與主莖稈之間的連接力進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明不同類型的水稻品種、不同部位、不同含水率、不同受力方向等對(duì)連接力都有明顯影響；黃震等[10]對(duì)收獲前油菜植株莖稈與分枝、莖稈與角果的連接力隨生長(zhǎng)時(shí)間和位置的變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明沿植株的生長(zhǎng)方向主莖稈與角果連接應(yīng)力值有變小趨勢(shì)，至成熟期主莖稈及分枝與角果連接應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)苧麻的研究主要集中于苧麻莖稈力學(xué)性能與機(jī)械性能參數(shù)[11-13]、苧麻纖維復(fù)合材料[14，15]、苧麻纖維改性[16]上，尚未開展有關(guān)苧麻莖葉的力學(xué)特性方面的研究。本研究通過對(duì)苧麻莖葉連接力測(cè)試與莖葉沖擊斷裂試驗(yàn)，研究了苧麻莖葉連接力及其沖擊斷裂能量的分布規(guī)律和變化情況，以期為苧麻莖稈脫葉動(dòng)力裝置及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 苧麻莖稈樣本于2014年8月上旬取自咸寧市苧麻試驗(yàn)站試驗(yàn)田種植的華苧4號(hào)二麻。莖稈通直無(wú)病，株高范圍為1.7～1.9 m，成熟苧麻莖稈高1.2～1.9 m處（苧麻梢部）含莖葉，麻稈高0～1.2 m區(qū)間莖葉已自然脫落。如圖1所示，將苧麻梢部按1.2～1.5 m，1.5～1.7 m，1.7～1.9 m劃分為3個(gè)區(qū)間段，分別對(duì)應(yīng)下部、中部與頂部。

1.1.2 儀器 HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗(yàn)機(jī)，購(gòu)于東莞市海達(dá)（國(guó)際）儀器有限公司，最大行程為1 000 mm，測(cè)試速度30～300 mm/s，配備兩個(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。

1.2 樣品的制備

將苧麻莖稈按照表1中的規(guī)格處理苧麻樣品，分別制備拉力試驗(yàn)和沖擊載荷試驗(yàn)樣品。試樣1的制備參照GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣2的制備參照GB/T 1843-2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 苧麻莖葉拉力試驗(yàn)

苧麻年收3次，分為頭麻、二麻和三麻。苧麻莖稈的性能參數(shù)是在某一范圍值內(nèi)變化，不能用某一具體數(shù)值來(lái)描述[11]。二麻收割期正是南方高溫時(shí)節(jié)，選擇二麻作為研究對(duì)象具有較好的代表性。通過選擇二麻作為研究對(duì)象，其沖擊斷裂能參數(shù)可作為一個(gè)參考基準(zhǔn)值，以此為基準(zhǔn)可對(duì)脫葉機(jī)構(gòu)參數(shù)做相應(yīng)變化選擇，同時(shí)可為頭麻、三麻脫葉機(jī)構(gòu)做參考。該試驗(yàn)參照和借鑒木材、塑料等其他材料拉伸測(cè)試的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法[17]制備試樣，拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具夾持試樣兩端以1 mm/min的速度對(duì)苧麻莖葉進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過連接力進(jìn)行測(cè)試分析所得結(jié)果反映苧麻莖稈連接力變化趨勢(shì)。

1.4 苧麻莖葉沖擊斷裂試驗(yàn)

苧麻莖葉沖擊斷裂試驗(yàn)參照木材、塑料等其他材料試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和方法[18]進(jìn)行。試驗(yàn)中擺錘從揚(yáng)角150°處自由下落，當(dāng)擺錘沖擊并通過試樣后，試驗(yàn)機(jī)記錄擺錘的最大揚(yáng)角，經(jīng)過系統(tǒng)換算得出沖擊斷裂能量。

2 結(jié)果與分析

2.1 苧麻莖葉拉力測(cè)試結(jié)果

2.1.1 不同部位苧麻莖葉拉力測(cè)試結(jié)果 取試樣1中苧麻莖葉梢部的下部、中部與頂部區(qū)間樣本各20個(gè)，編號(hào)分別為1～20，21～40，41～60，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可知，編號(hào)1～20為試樣1頂部，莖葉連接力在9.919～17.310 N之間波動(dòng)，其平均值為13.788 N；編號(hào)21～40為試樣1中部，莖葉連接力在7.375～22.685 N之間波動(dòng)，其平均值為14.492 N；編號(hào)41～60為試樣1下部，莖葉連接力在2.153～12.112 N之間波動(dòng)，其平均值為6.259 N。中部莖葉連接力平均值比頂部莖葉連接力平均值大0.704 N，頂部莖葉連接力平均值比下部莖葉連接力平均值大7.529 N，莖葉連接力最大平均值為14.492 N。莖葉連接力平均值的變化趨勢(shì)為中部最大、頂部次之、下部最小。因此，以苧麻莖葉×中部、頂部制備的試樣1為試驗(yàn)對(duì)象，得出的拉力能夠較好滿足苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1.2 拉伸性能與葉柄直徑的關(guān)系 以試樣1的中部和頂部為試驗(yàn)對(duì)象，按照葉柄直徑的大小從制備的試樣1中隨機(jī)抽取25個(gè)試驗(yàn)樣本，進(jìn)行苧麻莖葉拉力測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知，所取試樣葉柄的直徑范圍為2.5～4.5 mm，試樣1莖葉連接力變化范圍為8.313～19.544 N，其平均值為14.458 N。莖葉連接力變化的總體趨勢(shì)隨葉柄直徑增大而增大，局部有所波動(dòng)。

2.2 苧麻莖葉沖擊載荷試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 苧麻莖葉沖擊斷裂試驗(yàn)結(jié)果 取試樣2中苧麻莖葉梢部的下部、中部與頂部區(qū)間樣本各20個(gè)，編號(hào)分別為1～20，21～40，41～60。其試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知，編號(hào)1～20為試樣2頂部，莖葉沖擊斷裂能在0.029～0.042 J之間波動(dòng)，其平均值為0.034 J；編號(hào)21～40為試樣2中部，莖葉沖擊斷裂能在0.028～0.070 J之間波動(dòng)，其平均值為0.042 J；編號(hào)41～60為試樣2下部，莖葉沖擊斷裂能在0.024～0.056 J之間波動(dòng)，其平均值為0.033 J。中部莖葉沖擊斷裂能平均值比頂部莖葉沖擊斷裂能平均值大0.008 J，頂部葉柄連接力平均值比下部莖葉連接力平均值大0.001 J，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J。莖葉沖擊斷裂能平均值變化趨勢(shì)為：中部最大，頂部次之，下部最小。因此，以苧麻莖葉中部、頂部制備的試樣2為試驗(yàn)對(duì)象，得出的沖擊斷裂能能夠較好滿足苧麻莖稈脫葉動(dòng)力裝置及苧麻聯(lián)合收割脫葉構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.2.2 沖擊斷裂性能與葉柄直徑的關(guān)系 以中部和頂部的試樣2為試驗(yàn)對(duì)象，按照葉柄直徑的大小從制備的試樣2中隨機(jī)抽取25個(gè)試驗(yàn)樣本，進(jìn)行苧麻莖葉拉力測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，所取試樣葉柄的直徑范圍為3.2～4.6 mm，試樣2莖葉沖擊斷裂能量變化范圍為0.032～10.056 J，其平均值為0.041 J。莖葉沖擊斷裂能量變化的總體趨勢(shì)隨葉柄直徑增大而增大，局部有所波動(dòng)。

2.3 拉伸斷裂和沖擊斷裂分離效果

苧麻莖稈橫截面由外向內(nèi)依次為表皮層、韌皮部、形成層、木質(zhì)部和髓部，葉柄的外表皮與莖稈的外表皮相連，葉柄內(nèi)部通過維管束生長(zhǎng)在莖稈韌皮部和木質(zhì)部上[19]。試樣1通過拉力測(cè)試和試樣2通過沖擊試驗(yàn)后，試樣葉柄與莖稈斷裂分離狀態(tài)如圖6所示。在圖6a中，試樣1通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，葉柄所受的瞬態(tài)拉伸載荷較小，葉柄與莖稈連接的表皮層最先開裂，隨后葉柄與莖稈連接的維管束逐漸斷裂，最后葉柄與莖稈連接斷裂。在斷裂部位，葉柄與韌皮部呈現(xiàn)30°～45°斷裂斜口，葉柄上附著少量與韌皮部相連接的絲狀纖維。在圖6b中，試樣2通過動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，葉柄所受的瞬間沖擊載荷較大，葉柄與莖稈間呈脆性斷裂，斷裂現(xiàn)象顯示葉柄與莖稈之間呈斷面分離，葉柄與莖稈連接部完全分離。在莖稈斷口部位上形成圓圈狀的凹陷，少數(shù)凹陷點(diǎn)可見木質(zhì)部，該現(xiàn)象表明葉柄生長(zhǎng)在莖稈韌皮部上，少數(shù)葉柄通過維管束穿過韌皮部生長(zhǎng)在莖稈木質(zhì)部上。

3 結(jié)論與討論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，收割的苧麻梢部莖葉連接力范圍為2.153～22.685 N，莖葉連接力最大平均值為14.492 N。莖葉連接力平均值的變化趨勢(shì)為：中部最大，頂部次之，下部最小。莖葉拉伸性能與葉柄直徑的關(guān)系試驗(yàn)中，連接力變化范圍為8.313～19.544 N，莖葉連接力變化呈現(xiàn)隨葉柄直徑增大而增大的總體趨勢(shì)，局部有所波動(dòng)。收割的苧麻梢部莖葉沖擊斷裂能量范圍為0.024～10.056 J，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J。莖葉沖擊斷裂能平均值的變化趨勢(shì)為：中部最大，頂部次之，下部最小。莖葉沖擊性能與葉柄直徑的關(guān)系試驗(yàn)中，沖擊斷裂能變化范圍為0.032～10.056 J，莖葉沖擊斷裂能變化呈現(xiàn)隨葉柄直徑增大而增大的總體趨勢(shì)，局部有所波動(dòng)。由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論可以為苧麻剝麻脫葉理論相應(yīng)證，為苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和升級(jí)優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

2）通過對(duì)莖葉拉力測(cè)試和沖擊載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，莖葉連接力平均值和莖葉沖擊斷裂能平均值皆呈現(xiàn)中部最大，頂部次之，下部最小的變化規(guī)律。苧麻莖稈上生長(zhǎng)的細(xì)胞，其發(fā)育隨著植株的生長(zhǎng)，逐漸向上依次成熟，完全成熟的細(xì)胞停止生長(zhǎng)，細(xì)胞壁顯著增厚成層，細(xì)胞腔縮小，細(xì)胞老化。梢部莖葉由下部至頂部，細(xì)胞的成熟的程度逐漸減小。下部成熟程度最高，連接葉柄與莖稈生長(zhǎng)的維管束細(xì)胞老化，葉柄連接力和沖擊斷裂能較??；中部成熟程度稍小，連接葉柄與莖稈生長(zhǎng)的維管束細(xì)胞生長(zhǎng)旺盛，葉柄連接力和沖擊斷裂能較大，頂部成熟程度最小，連接葉柄與莖稈生長(zhǎng)的維管束細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育程度略低，與中部相比葉柄連接力和沖擊斷裂能略小[19，20]。

3）中部和頂部的莖葉隨葉柄直徑增大，其連接力和沖擊斷裂能總體趨勢(shì)逐漸增大，但局部有所波動(dòng)。葉柄生長(zhǎng)在莖稈的韌皮部上，少數(shù)葉柄透過莖稈的表皮層、韌皮部和形成層生長(zhǎng)在莖稈的木質(zhì)部上，并分散穿插生長(zhǎng)在莖稈韌皮部的葉柄周圍。葉柄直徑越大，葉柄與莖稈連接的接觸面積越大，葉柄隨著直徑的增大，其連接力和抗沖擊斷裂能逐漸增大，所以呈現(xiàn)莖葉連接力和沖擊斷裂能總體逐漸增大的趨勢(shì)。生長(zhǎng)在莖稈木質(zhì)部上的葉柄與莖稈連接的接觸面積比相鄰位置生長(zhǎng)在莖稈韌皮部的葉柄與莖稈連接的接觸面積大，故生長(zhǎng)在莖稈木質(zhì)部上葉柄的連接力和抗沖擊斷裂能比生長(zhǎng)在莖稈韌皮部葉柄的連接力和抗沖擊斷裂能大，而生長(zhǎng)在莖稈木質(zhì)部上的葉柄數(shù)量少且分散穿插生長(zhǎng)在莖稈韌皮部的葉柄周圍，所以莖葉連接力和沖擊斷裂能出現(xiàn)局部波動(dòng)的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂江南，龍超海，何宏彬.苧麻纖維初加工機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000，31（1）：123-125.

[2] 邵卓平.植物材料（木、竹）斷裂力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[3] 郭維俊，王芬娥，黃高寶，等.小麥莖稈力學(xué)性能與化學(xué)組分試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（2）：110-114.

[4] 李小城，劉梅英，牛智有.小麥秸稈剪切力學(xué)性能的測(cè)試[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（2）：253-257.

[5] 郭穎杰，胡曉麗，劉慶福.不同收獲期玉米秸稈剪切力學(xué)性能的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（21）：9133-9135.

[6] 廖宜濤，廖慶喜，田波平，等.收割期蘆竹底部莖稈機(jī)械物理特性參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（4）：124-129.

[7] OBATAYA E， KITIN P，YAMANUCHI H. Bending characteristics of bamboo（Phyllostachy pubescens） with respect to its fiber-foam composite structure[J]. Wood Science and Technol，2007，41（1）：385-400.

[8] 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）：47-50.

[9] 李耀明，孫夕龍，徐立章.水稻穗頭連接力的試驗(yàn)與分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（2）：97-100.

[10] 黃 震，吳明亮，官春云，等.油菜莖稈連接力的測(cè)定[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，37（6）：678-680.

[11] 蘇工兵，劉儉英，王樹才，等.苧麻莖稈木質(zhì)部力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（5）：62-65.

[12] 蘇工兵，劉儉英，程世俊，等.苧麻莖稈的力學(xué)性能及力學(xué)建模方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（8）：25-27.

[13] 劉兆朋，謝方平，吳明亮，等.苧麻成熟期底部莖稈的機(jī)械物理特性參數(shù)研究[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，37（3）：329-332.

[14] 陳復(fù)明，王 戈，程海濤，等.苧麻織物復(fù)合材料抗光變色及力學(xué)性能表征[J].紡織學(xué)報(bào)，2011，32（5）：25-27.

[15] 王 蒙，劉江南，賀辛亥，等.苧麻織物制備多孔氧化鋁遺態(tài)陶瓷[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（1）：45-49.

[16] 陳 超，吳大洋.苧麻纖維胺化改性對(duì)其染色性能的影響[J].紡織科技進(jìn)展，2010（4）：26-33.

[17] GB/T 1040-2006，塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].

[18] GB/T 1843-2008，塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定[S].

[19] 李宗道，胡久青.麻類形態(tài)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1987.

[20] 李宗道.麻作的理論與技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.