輥壓開纖過程中竹材內(nèi)部密實度和孔隙率變化分析

劉 立，姚文斌，張 蔚，俞偉鵬，劉 月

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，杭州311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，浙江 諸暨311800）

竹子分布廣泛，生長迅速，在中國利用悠久，不遜木材，對于降低木材資源消耗并結(jié)合當(dāng)前中國經(jīng)濟(jì)形式來推進(jìn)“以竹勝木”的理念具有非常廣闊的發(fā)展前景［1］。竹子是一種非常典型的功能梯度天然復(fù)合材料［2］，具有多尺度的精細(xì)分級結(jié)構(gòu)，在細(xì)觀力學(xué)尺度，竹子由維管束為增強(qiáng)體，薄壁組織為基體復(fù)合而成，其中維管束是由竹纖維在胞間膠的作用下粘合成的纖維鞘與疏導(dǎo)組織一起構(gòu)成的。竹纖維作為竹材特有的加工產(chǎn)物［3］，是其主要的構(gòu)成和承重單元，具有獨特的抗菌防臭性能及透氣性能，是優(yōu)良的紡織纖維原料，成為了目前竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新熱點。竹纖維的制取是一項融合了多個領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的工程，目前隨著技術(shù)的發(fā)展以及經(jīng)驗的積累，竹纖維制備產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了一定的規(guī)模，開纖方式也多種多樣，比如姚瑤［4］等人提出的竹筒錐模受壓開纖模型以及林茂陽［5］等人提出的竹片翻卷反拉脫層成纖工藝。不過，目前的開纖方法大多基于生產(chǎn)經(jīng)驗，而缺乏完善的理論框架，雖然方法繁多但都尚存較大優(yōu)化空間，此外，機(jī)理研究也基本建立在用于解釋短纖維分離的理論上，如“松弛理論”和“擠壓－滑移”分離理論，而針對長竹纖維分離機(jī)理的研究也僅見少量公開報道。浙江農(nóng)林大學(xué)張蔚、姚文斌［6－7］等人建立了“梳解法”“裂解法”力學(xué)模型，通過宏觀力學(xué)方法分析了開纖機(jī)械參數(shù)對纖維分離的影響。由于竹材是非均勻各向異性的粘彈塑性材料［8］，其加載開纖分離過程已進(jìn)入塑性變形階段，且竹材力學(xué)性能參數(shù)隨環(huán)境變化較大［9］，因此，通過經(jīng)典材料力學(xué)方法獲得竹材輥壓開裂解纖條件并揭示其開纖機(jī)理目前尚難以辦到。

輥壓開纖是一種通過碾輥持續(xù)碾壓作用從而破壞基體與竹纖維的結(jié)合甚至破壞基體來達(dá)到纖維制備目的開纖方式，其作用形式會導(dǎo)致竹材密實化的發(fā)生，而竹纖維分離的開纖結(jié)果又是竹材孔隙化的體現(xiàn)。因此分析竹材開纖過程中內(nèi)部的密實度和孔隙率這2種矛盾參數(shù)的變化及相互作用的規(guī)律能為竹材開解制纖的進(jìn)程研究和機(jī)理揭示提供一定的幫助。計算機(jī)斷層掃描技術(shù)可在不損壞被測體的前提下讀取被測體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)［10］，所以目前在天然非均勻復(fù)合材料領(lǐng)域的研究中獲得廣泛應(yīng)用［11－13］，單海斌［14］等人在慈竹的研究中就引入了該技術(shù)并建立了較為精確的模型。因此筆者采用計算機(jī)斷層掃描技術(shù)讀取了不同開纖階段毛竹內(nèi)部的CT值并通過計算得出了密實度參數(shù)和孔隙率參數(shù)，最后通過分析這2個參數(shù)的變化來研究開纖進(jìn)程形式及竹材解纖規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所選用的毛竹（Phyllostachys edulis）采自浙江省紹興市諸暨市，選取同一片竹林中胸徑相差不大，生長狀態(tài)良好，無可見缺陷的3年生毛竹2株，并從離地2 m起分別截取兩端含2個竹節(jié)的竹筒段各1段，然后參照GB/T 15780－1995《竹子物理力學(xué)性質(zhì)實驗方法》要求，將每個竹筒段剖成7片長330 mm、寬25 mm、厚7～9 mm的竹片試件，2個竹筒共計14片試件。

1.2 試驗儀器和設(shè)備

推臺鋸，電熱恒溫水浴鍋，竹材剖片機(jī)，X射線計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)UIH/uCT510，自制連續(xù)定向開纖裝置。

1.3 試驗方法

1.3.1 軟化及開纖過程 將14片竹片放置于低濃度硫酸溶液中靜置12 min而后將其撈出洗凈，再放置于50 g·L－1氫氧化鈉溶液中，以1∶40的浴比保持95℃的溫度恒溫加熱4 h，最后取出置于20攝氏度的常溫下陰涼處并靜置72 h。

試驗定向開纖設(shè)備為團(tuán)隊自制，相關(guān)參數(shù)設(shè)計參考團(tuán)隊成員先前的理論和試驗研究以及相關(guān)的有限元分析［5－6］，該開纖設(shè)備及其改造型號在一線竹纖維生產(chǎn)加工企業(yè)中已經(jīng)被廣泛使用。試驗采用的開纖機(jī)由2對碾輥構(gòu)成，進(jìn)料速度為27～28 mm·s－1，先將經(jīng)過軟化處理的試件送入開纖機(jī)中，隨后當(dāng)試件與開纖機(jī)中的第一對旋轉(zhuǎn)著的碾輥接觸時，碾輥對試件作用有正壓力及摩擦力，試件在碾輥壓力作用下產(chǎn)生縱橫向大應(yīng)變，在摩擦力作用下沿試件的進(jìn)給方向向前運動，并進(jìn)入第二對碾輥受到相同作用隨后從出料口離開，完成一次輥壓。

1.3.2 計算機(jī)斷層掃描過程 本試驗采用的是由杭州市臨安區(qū)中醫(yī)院提供、上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司（United Imaging）生產(chǎn)的X射線計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)uCT510，掃描參數(shù)結(jié)合了王卿平等［15］的研究以及本試驗設(shè)備和環(huán)境等實際情況設(shè)定為：電壓80 kv，電流22 mA，層厚度1.5 mm，層間距1 mm。

圖1 連續(xù)定向開纖機(jī)Fig.1 Continuous orientation fibermakingmachine

圖2 計算機(jī)斷層掃描過程Fig.2 Computer tomographic process

圖3 軟化后毛竹材密度范圍占比Fig.3 Density range of Moso bamboo after softening

2 結(jié)果分析

2.1 軟化后毛竹材CT值分析

讀取的所有有效CT值總計204 481個，其中最小值為－674Hu，最大值為133 Hu，平均值約－75.1 Hu，標(biāo)準(zhǔn)差約121.5 Hu，將其導(dǎo)入origin軟件進(jìn)行頻率分析得到圖3。從圖3可以看出，軟化后毛竹材內(nèi)部CT值呈現(xiàn)一種較為離散的分布形式，其偏度為負(fù)，鋒度較大，總體而言隨著CT值的增加頻率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，其中最大頻率組的CT值區(qū)間為0～50 Hu，總體占比超過一半，約為53.46%。此外圖中CT值主要集中于中部－250 Hu～50 Hu區(qū)間，占比約92.35%；兩端范圍區(qū)間占比較小，其中左端－500～－250 Hu區(qū)間占比約5.02%，右端50～－150 Hu區(qū)間占比約3.62%。

表1 軟化后毛竹材密度范圍占比Tab.1 Density range of Moso bamboo after softening

為了達(dá)到盡量減小數(shù)據(jù)測試誤差，從而為后續(xù)連續(xù)定向開纖中竹材內(nèi)部孔隙化和密實化的更精準(zhǔn)分析，將軟化后的毛竹材CT值數(shù)據(jù)進(jìn)一步劃分成3個區(qū)間，即孔隙區(qū)間、常規(guī)區(qū)間和密實區(qū)間，如表1所示。為了保證分析的可靠性選取的孔隙區(qū)間和密實區(qū)間的CT值占比需盡量接近，且兩者的各自占比不應(yīng)超過5%，故在結(jié)合了軟化后毛竹材CT值分布的實際后選取了CT值小于－350 Hu為孔隙區(qū)間，即開纖過程中表現(xiàn)為產(chǎn)生孔隙的部分；CT值大于50 Hu為密實區(qū)間，即開纖過程中表現(xiàn)為產(chǎn)生密實的部分。

2.2 連續(xù)定向開纖的進(jìn)程分析

連續(xù)定向開纖過程對于軟化后的竹材形成了一種以壓應(yīng)力為主的，以剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力為輔的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。雖然連續(xù)定向開纖作用的結(jié)果為竹纖維和基體的分離，即竹材整體被破壞，內(nèi)部孔隙點的產(chǎn)生和增加，但是其作用方式為輥壓，表現(xiàn)了竹材部分區(qū)域密度值的增大，即內(nèi)部密實點的產(chǎn)生和增加。因此用軟化后竹材的孔隙率和密實度來表征連續(xù)定向開纖的進(jìn)程能起到很好的解讀效果，并為揭示開纖機(jī)理提供一個新的研究角度。

2.2.1 毛竹材孔隙化分析 將不同輥壓階段的毛竹材試件的CT值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算其中CT值小于－350 Hu的部分進(jìn)行總體占比的計算得到圖4。從圖4可以看出隨著輥壓次數(shù)的增加，毛竹片內(nèi)部的孔隙率呈現(xiàn)了一種先增加后減少而后在增加的趨勢，其中第2和第3次輥壓作用表現(xiàn)為導(dǎo)致了竹纖維和基體產(chǎn)生間隙的效果，將孔隙率提高到了39.08%；第5次、第6次和第7次輥壓作用表現(xiàn)為大幅擴(kuò)展竹纖維和基體之間間隙的效果，將孔隙率推高到了84.62%，此時的竹材基本開纖完全。

圖4 不同輥壓道次的竹材間隙化對比Fig.4 Bamboo gap rates under various rolling times

圖5 不同輥壓次數(shù)的竹材間隙區(qū)位置對比Fig.5 The position of bamboo gap points under various rolling times

在CT圖層中選取每根毛竹材試件的中性面，并建立CT值小于－350 Hu的孔隙點遮罩，顏色設(shè)置為綠色，生成圖5。從圖5可以看出毛竹材中性面孔隙區(qū)域占中性面整體的比值基本與毛竹材總體孔隙率相近，且隨著輥壓次數(shù)的變化規(guī)律也保持一致。此外，從圖5（a）中可以看出第1次輥壓對毛竹材孔隙率的提高主要體現(xiàn)在破壞了毛竹材形態(tài)上曲度所產(chǎn)生的細(xì)小裂紋上；從圖5（b）可以看出從第2次輥壓開始，毛竹材的孔隙率顯著提高，孔隙區(qū)域也從第1次輥壓后僅集中在的裂紋位置擴(kuò)展到了竹片上部（即竹青以及靠經(jīng)竹青一側(cè)竹肉）；結(jié)合圖5（c）、（d）和（e）可以看出，從第3次輥壓到第5次輥壓，毛竹材的孔隙率隨著輥壓次數(shù)的增加呈現(xiàn)了一個先減小后增大的變化趨勢，孔隙率極小值為第4次輥壓，此外第3次輥壓后毛竹材的孔隙區(qū)域具有徑向上的特異性，體現(xiàn)為主要集中在竹青以及靠近竹青一側(cè)竹肉上，而第5次輥壓后該特異性消失，孔隙區(qū)域均勻分布于整個徑向區(qū)間；從圖5（f）和（g）可以看出，從第6次輥壓開始，毛竹材的孔隙化程度大幅提高，到第7次輥壓結(jié)束，毛竹材內(nèi)部充滿孔隙，此時開纖已經(jīng)基本完全。

圖6 不同輥壓道次的竹材密實化對比Fig.6 Bamboo compaction rate under various rolling times

2.2.2 毛竹材密實化分析 將不同輥壓階段的毛竹材試件的CT值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算其中CT值大于50Hu的部分進(jìn)行總體占比的計算得到圖6。從 圖6可以看出，隨著輥壓次數(shù)的增加，毛竹片內(nèi)部的密實率呈現(xiàn)了先減小后增加再減小的變化趨勢，其中第2次輥壓對竹材密實化表起到了一個大幅降低的作用，將竹片整體的密實率從第1次輥壓后的34.85%降低到了14.13%；第3次和第4次對竹材的密實化起到了一個促進(jìn)作用，但密實率增量微弱，僅提高到16.12%；第5次、第6次和第7次輥壓作用繼續(xù)大幅降低了毛竹材的密實化程度，第7次輥壓有以后毛竹材的密實率僅2.86%，與未經(jīng)輥壓的軟化后竹材相當(dāng)，此時的竹材基本開纖完全。

圖7 不同輥壓次數(shù)的竹材密實區(qū)位置對比Fig.7 The position of bamboo compaction area under various rolling times

在CT圖層中選取每根毛竹材試件的中性面，并建立CT值大于50Hu的間隙點遮罩，顏色設(shè)置為黃色，生成圖7。從圖7可以看出毛竹材中性面密實區(qū)域占中性面整體的比值基本與毛竹材總體密實率相近，且其隨著輥壓次數(shù)的變化規(guī)律也保持一致。此外，從圖7（a）中可以看出第1次輥壓后，毛竹材的密實率大幅增加，且其密實區(qū)域隨毛竹材徑向存在特異性，表現(xiàn)為基本集中于毛竹片下部（即竹黃及靠近竹黃一側(cè)竹肉）；從圖7（b）可以看出從第2次輥壓大幅降低了毛竹片的整體密實率，從第2次輥壓開始毛竹材密實率再難回到第1次輥壓水平；結(jié)合圖7（c）、（d）和（e）可以看出，從第3次輥壓到第5次輥壓，毛竹材的密實率基本變化不大，但密實區(qū)域出現(xiàn)了向毛竹片兩邊集中的現(xiàn)象；從圖7（f）和（g）可以看出，從第6次輥壓開始，毛竹材的密實率大幅降低，直到第6次輥壓后，毛竹材內(nèi)部密實區(qū)幾乎消失，回到了與為輥壓前的相當(dāng)水平。

2.2.3 毛竹材隙實程度綜合分析 將不同輥壓階段的毛竹材試件的孔隙率和密實率的比值定義為一個無綱常數(shù)，即隙實比，并得到圖8。從圖8可以看出，第1次輥壓是整個連續(xù)定向開纖過程中效果最特殊的，該次輥壓雖大幅提高了毛竹材的孔隙率和密實率，但是隙實比小于1，可見第1次輥壓對毛竹材的密實作用大于間隙作用，該特點在后續(xù)輥壓中都不再出現(xiàn)；第2次到第5次輥壓的隙實比都接近于2，且結(jié)合圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，此4次輥壓對毛竹材整體的隙實程度影響不大，但主要改變了隙實區(qū)域的分布，具體表現(xiàn)為第2次和第3次輥壓導(dǎo)致了間隙區(qū)域主要分布于竹青及靠近竹青一側(cè)竹肉，密實區(qū)域主要分布于竹黃及靠近竹黃一側(cè)竹肉，第4次和第5次輥壓消除了孔隙區(qū)域和密實區(qū)域的分布界限，使其在竹材內(nèi)部分布較均勻；從第6次輥壓開始，隙實比大幅提高，表明了竹材內(nèi)部孔隙率大幅拉開密實率的開始，特別是第7次輥壓的隙實比達(dá)到了27.99，可見第7次輥壓后毛竹材內(nèi)部幾乎被孔隙填滿，而密實化則幾乎消失，該現(xiàn)象表明了竹纖維和基體的分離，即竹材的完全纖維化，其開纖效果如圖9所示，已經(jīng)達(dá)到開纖目的。

圖8 不同輥壓道次的竹材隙實程度對比Fig.8 Bamboo gap：compaction ratio under various rolling times

圖9 第7次輥壓后得到的粗竹纖維Fig.9 Crude bamboo fiber obtained after the seventh rolling

2.3 基于兩相的隙實程度分析

對單根軟化后的毛竹材進(jìn)行連續(xù)7次輥壓開纖，并拍攝每次輥壓后毛竹材的橫截面照片，得到圖10。從圖10（b）可以看出第1次輥壓在毛竹片的弦向中點處產(chǎn)生了細(xì)小裂紋形式的間隙區(qū)間；圖10（c）中毛竹片的間隙區(qū)發(fā)生在圍繞第1次輥壓產(chǎn)生的細(xì)小裂紋的擴(kuò)大以及竹青附近；圖10（d）、（e）和（f）中毛竹片的間隙區(qū)和密實區(qū)各自分布在竹青附近和竹黃附近；圖10（g）和（h）中毛竹片的間隙區(qū)域面積大幅增加且基本在橫截面內(nèi)均勻分布，特別是圖10（h）中毛竹材橫截面基本充滿孔隙，纖維之間達(dá)到了很好的分離。

綜合了連續(xù)定向開纖進(jìn)程中毛竹材CT值表征孔隙和密實程度的結(jié)果以及單根毛竹材的不同輥壓階段橫截面形態(tài)對比，發(fā)現(xiàn)首次輥壓破壞了毛竹材的曲度，產(chǎn)生了弦向中點的破壞從而表現(xiàn)了孔隙率的大幅增加，而密實率的大幅增加則主要集中在竹黃一側(cè)附近；第2次輥壓到第5次輥壓的過程中，竹青一側(cè)附近先發(fā)生了間隙化，而竹黃一側(cè)保持第1次輥壓產(chǎn)生的密實化，而后隨著輥壓次數(shù)的增加，竹青附近的孔隙率有所降低，而竹黃附近的密實率亦有所降低，整體表現(xiàn)出竹青附近孔隙和密實程度以及竹黃附近孔隙和密實程度逐漸趨于穩(wěn)定從而導(dǎo)致了毛竹材整體的間隙和密實程度達(dá)到一個平衡；第6次輥壓開始了孔隙和密實程度的平衡的破壞，孔隙程度開始與密實程度拉開距離，直到第7次輥壓后毛竹材整體已經(jīng)充滿孔隙而密實現(xiàn)象基本消失。

圖10 單根毛竹材連續(xù)定向開纖橫截面對比Fig.10 A cross-section of Moso bamboomaterial under continuous oriented rolling

圖11 毛竹材徑向維管束形態(tài)對比Fig.11 Comparison of radial vascular bundles of Moso bamboo

竹材作為一種天然的非均勻兩相復(fù)合材料，其橫截面可以觀察到明顯的竹纖維相鑲嵌于基體相中的分布特征。竹材徑向存在從竹青附近到竹黃附近維管束單位面積逐漸增大而面積百分比逐漸減小的特點，而維管束是毛竹材的主要承力組分，因此竹青的抗壓性能優(yōu)于竹黃。連續(xù)定向開纖進(jìn)程中隨著輥壓次數(shù)的增加，毛竹材的結(jié)構(gòu)在逐漸發(fā)生破壞，由于毛竹材形態(tài)上的曲度容易形變，因此在逐漸增多的輥壓道次下，毛竹材的曲度首先被破壞產(chǎn)生了形態(tài)上的裂紋從而體現(xiàn)了起始的孔隙率提升；隨后靠近竹黃附近作為毛竹徑向力學(xué)性能的短板處，在輥壓作用下發(fā)生壓縮，體現(xiàn)了竹黃附近產(chǎn)生的密實化現(xiàn)象從而提升了密實率；當(dāng)竹黃附近密實化到一定程度而難以繼續(xù)壓縮的時候，竹青附近開始被破壞，如圖9（a）所示，竹青部分維管束單個面積小且排列緊密，因此很難發(fā)生如圖9（d）竹黃附近所示的密實化現(xiàn)象，所以竹青附近被破壞的形式表現(xiàn)為產(chǎn)生大量分層的裂紋，即竹青附近的間隙化現(xiàn)象從而提升了孔隙率；最后由于輥壓次數(shù)的持續(xù)增加，且竹青附近和竹黃附近結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了破壞，因此竹材整體的間隙化和密實化不再存在關(guān)于徑向的特異性而逐漸均勻分布，且整體范圍內(nèi)竹纖維和基體的黏連開始被破壞，并導(dǎo)致了孔隙化逐漸成為主流而密實化逐漸消失的現(xiàn)象，并達(dá)到了最終竹纖維分離而被制取的目的。

3 結(jié)論

計算機(jī)斷層掃描技術(shù)所讀取的CT值能表征毛竹材內(nèi)部開纖過程中組織結(jié)構(gòu)的變化，從而為開纖機(jī)理的研究提供一種思路。

通過定義未開纖毛竹材CT值區(qū)間兩端5%范圍內(nèi)數(shù)值占比所定義的孔隙點和密實點在連續(xù)定向開纖中占比的計算可以表征毛竹材的受壓破壞形態(tài)，基本來說密實率體現(xiàn)了擠壓滑移破壞而間隙率體現(xiàn)了裂紋生成和擴(kuò)展的破壞。

第1次輥壓大幅提升了竹材的孔隙率和密實率，且其密實化效果優(yōu)于間隙化效果，隙實數(shù)值比為0.65。

竹材的開纖過程隨著進(jìn)程的推進(jìn)可以通過隙實比歸納為3個階段，即隙實比小于1，表現(xiàn)為：形態(tài)破壞，竹黃及靠近一側(cè)密實化；隙實比2～10，表現(xiàn)為：竹青及靠近一側(cè)孔隙化，整體平衡；隙實比大于10，表現(xiàn)為：大幅孔隙化。

可通過CT值讀取來判斷開纖是否完成，指標(biāo)大致為孔隙率大于80%，密實率小于5%且與未開纖前相近，隙實比數(shù)值大于等于25。