竹节对竹材动态粘弹性的影响

刘红征，于红卫，朱 劲

（1. 浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江农林大学 浙江 临安 311300）

竹节对竹材动态粘弹性的影响

刘红征1，于红卫2*，朱 劲2

（1. 浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州 311251；2. 浙江农林大学 浙江 临安 311300）

采用动态热机械分析仪（DMA）分析同一竹子不同高度处的竹材制成厚度相同的有节与无节的试件，以及同一高度处的竹材制成不同厚度的有节与无节试件，研究其动态力学性能变化规律。结果表明：①竹材的储能模量随温度的升高而下降，损耗模量在玻璃化转变温度前，随温度的升高而增大，超过玻璃化转变温度，随温度的升高而下降，损耗因子的变化趋势与损耗模量相同；②处于竹竿上部的竹材的常温储能模量要比下部的大，并且损耗峰温度也要稍高于下部的竹材，竹青含量越高的试件的常温储能模量和损耗模量都越高；③含有竹节的竹材的储能模量要稍高于不含竹节的竹材。

竹节；动态粘弹性；储能模量；损耗模量

中国竹林面积居世界第一位，现有纯竹林面积520×104hm2，其中毛竹林面积约占 70%，占世界毛竹林面积90%以上。我国每年可砍伐毛竹约5亿根，各类杂竹300余万t，每年的竹材产量相当于1 500万m3以上木材[1]。

竹子是一种可再生的天然植物材料，并且其密度低，力学性能优良，强度比一般木材高50% ~ 100%，比强度是杉木的1.5 ~ 2.5倍，是中碳钢的2 ~ 3倍[2]。但由于竹材具有径小、壁薄中空、尖削度大，外中内层结构成份有差异的特殊结构，以及有着较强的生长地域性，使得目前对竹材的研究与利用远不如木材。

毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens）虽刚性较大，但都具有粘弹性，在外界连续宽阔的温度范围内，竹节是否对竹材的动态粘弹性产生影响将对竹材在风电叶片中的利用率产生影响。本研究通过采用动态热机械分析仪（DMA）分析同一竹子的不同高度处的竹材制成厚度相同的有节（含有竹节）与无节的试件，以及同一高度处的竹材制成不同厚度的有节与无节试件，经绝干处理后进行研究，以了解其动态力学性能变化规律，这对确定风电叶片复合材料毛竹增强相材料的加工和使用条件，提高竹材的利用率，评价使用性能具有重要的参考价值。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用毛竹采自浙江省龙游县，所采伐的均为5年生，长度约15 m，距端头1 m处的直径在10 cm以上的新鲜、无腐朽与虫蛀的毛竹。此批毛竹的表面较光洁，截面较圆。

1.2 试验设备

动态热机械分析仪（DMA，Q800型，美国TA仪器公司）、101-1型电热鼓风干燥箱、圆锯机。

1.3 试验方法

1.3.1 试件的制备 在距竹子端头1、2、3 m处取材（所取的竹材均保留竹青部分[3]），锯制成名义尺寸为36 mm ×12.5 mm×2.5 mm（长度×宽度×厚度）的动态粘弹性测试试件，并把2 m处的取材制成不同厚度（1、2，3mm）的试件，用砂纸砂光后，参照国家标准GB/T15780-1995中竹材含水率的测定方法，将试件放入103±2℃的101-1型电热鼓风干燥箱中，烘至绝干，再把试件放入干燥器中保存，待测。

1.3.2 测试方法 本实验采用跨距为35 mm的双悬臂梁夹具，多频应变模式，频率为1、5，10 Hz，恒定应变为0.02%，升温速度为2℃/min，变温范围设定为35 ~ 220℃。先测量试件的宽度和厚度，输入仪器中，再将试件放入动态热机械分析仪的样品室的夹具中固定，关闭样品室，然后将试件的实际长度值数据输入仪器中，开始试验，动态热机械分析仪的电脑自动采集并处理数据。

2 结果与分析

竹材的动态力学行为是在交变应力或交变应变作用下，聚合材料的应变或应力随时间的变化，这是更接近材料实际使用条件的粘弹性行为[4]。由于在进行温度扫描时，不同频率下所得各曲线的变化趋势是相同的，因此，在进行结果分析时，以1Hz频率下的温度谱为典型进行分析。

2.1 相同厚度不同高度节子对储能模量与损耗模量的影响

模量是材料受力时应力与应变的比值，是材料抵抗变形能力的大小，反映材料的刚性。储能模量，它反映材料形变过程由于弹性形变而储存的能量。由图1可以看出，储能模量随着温度的升高而减小，其原因可能是：温度在熔点或热解点以下时，竹材像其他任何结固体（尤其是结晶性固体）一样，由于温度升高，纤维素的晶格受热膨胀，原子势能增大，热分子的振荡加剧，原子间距离增大，产生热膨胀，对变形的抵抗性降低。并且在 175℃后迅速减小，这是因为纤维素、半纤维素、木质素的软化，这三大主要成分的迅速降解，化学键的断裂，纤维素结晶受到破坏[5]。损耗模量，它反映材料形变过程以热损耗的能量。在ISO标准中，将损耗模量峰所对应的温度定义为玻璃化转变温度。在玻璃化转变温度之前，随温度的升高，损耗模量逐渐增大，并在190 ~ 195℃出现损耗峰。这是由于在较低温度区域内竹材的主要组成成分纤维素、半纤维素以及木质素的分子链大部分仍处于被冻结状态，较少产生运动，分子间的摩擦产生的热量较小，因而，损耗模量也较低。然而，随着温度的上升，外界提供给分子运动的能量，使非结晶的分子部分链段以及一些支链产生运动，从热动力学的角度，发热内部损耗模量增大。当超过玻璃化转变温度时，竹材处于流动态，分子链间摩擦力减小，因此，损耗的能量也减少。从图1可知，有节试件和无节试件的储能模量和损耗模量的变化趋势几近一致。

由图1、图2、图3可知，不同高度处的竹材的动态粘弹性温度谱变化一致，但竹材距离端头越远其常温储能模量也就越大，这是因为竹竿上部的维管束密度较大，导管孔径较细，所以密度较大，而竹竿下部的维管束密度较小，导管孔径较粗，密度较小。毛竹竹竿自其基部至梢部，密度逐步增大，而密度在力学上也正反映的是刚度。

竹材本身所处竹竿的部位（高度方向上）对其动态粘弹性的影响较大，而竹节对竹材动态粘弹性的影响不太明显。这是由于竹材的主要组成部分维管束的大小和密度随竹竿部位、大小和竹种的不同而异。同一竹竿，自基部至梢部，维管束总数一致，但维管束的横断面积随竿高增大而逐渐缩小，密度逐渐增大。所以高度对竹材的动态粘弹性的影响较大，而有节与无节竹材取自同一高度，密度相差不大。竹竿上部的刚度高，其松弛过程的损耗峰温度高于刚度较低的下部，这与许多高聚物复合材料的情况是相同的。

损耗因子即损耗角正切，是损耗模量与储能模量的比值。由图1至图4可知，损耗因子的变化趋势与损耗模量相同。在玻璃化转变之前，损耗因子随温度的升高而升高，超过玻璃化转变温度（Tg），随温度的升高而下降。这是因为当实际温度T < Tg时，形变主要是由键长、键角的变化引起，形变速度快，几乎完全跟得上应力的变化，损耗因子小；在Tg附近时，链段开始运动，而体系粘度很大，链段运动很难，内摩擦阻力大，形变明显落后于应力的变化，损耗因子大幅度升高；当T > Tg时，链段运动较自由、容易，受力时形变大，内摩擦阻力大于玻璃态，损耗因子小[8]。从图 4可以看出，有节和无节试件的损耗因子的变化趋势几乎同步，这也进一步反映出竹节对竹材的动态粘弹性的影响甚微。

2.2 相同高度不同厚度节子对储能模量与损耗模量的影响

由图5至图7可知，不同厚度的有节与无节试件的储能模量与损耗模量的变化趋势和前面相同厚度不同高度试件的变化趋势相同，并且厚度越小的试件的常温储能模量与损耗模量都越大，有节试件的常温储能模量和损耗模量都要比无节试件的稍大。厚度为1 mm的试件的常温储能模量达到了60 GPa，损耗模量达到1 500 Mp，而厚度为3 mm的试件的常温储能模量仅为25 GPa，损耗模量仅为600 Mpa。这是因为试件在取材时保留了竹青部分，厚度为1 mm的试件几乎全部是竹青，而随着试件厚度的增大，竹肉甚至竹黄的含量增加，试件中竹青所占比例逐渐下降。各个试件的损耗峰在190 ~ 200℃，且随着试件厚度的增加，损耗峰向低温方向移动。

从图8可以看出，相同高度不同厚度试件的损耗因子的变化趋势与相同厚度不同高度试件的变化趋势一致，即在玻璃化转变温度之前，损耗因子随温度的升高而升高，超过玻璃化转变温度，损耗因子减小。随着试件厚度的增加，损耗因子稍稍减小，并且损耗因子峰向低温方向移动。有节试件与无节试件的损耗因子的变化几乎同步，这也正说明节子对竹材的影响很小。

3 结论

（1）竹材的储能模量随温度的升高而下降, 这个规律不会受到竹材所处竹子的部位和试件本身厚度的影响；损耗模量在玻璃化转变温度前，随温度的升高而增大，超过玻璃化转变温度，随温度的升高而下降；损耗因子的变化趋势与损耗模量相同。

（2）处于竹竿上部的竹材的常温储能模量要比下部的大，并且损耗峰温度也要稍高于下部的竹材。竹青含量越高的试件的常温储能模量和损耗模量都越高。

（3）含有竹节的竹材的储能模量要稍高于不含竹节的竹材。竹节对竹材的动态粘弹性的影响很小，比竹材所处竹竿部位（高度方向上）和竹青在竹材中的含量的影响要小的多。

[1]向仕龙，蒋远舟. 非木材植物人造板[M]. 北京：中国林业出版社，2008.

[2] 程秀才. 竹塑复合材料的增强机理和应用展望[J]. 国际木业，2001（11）：45－47.

[3] 黄晓东. 用与风电叶片的分级竹层级材和杉木层级材的制造与评价[D]. 北京：中国林业科学研究院，2008.

[4] 金日光，华幼卿. 高分子物理 [M]. 北 京：化学工业出版社，2001.

[5] 唐荣强. 高温热处理木材动态粘弹性研究 [D].临安：浙江农林大学，2011.

Influence of Bamboo Joint on Dynamic Viscoelasticity of Culm

LIU Hong-zheng1，YU Hong-wei2，ZHU Jing2
（1. Zhejiang Dasso Industrial Group Limited Company, Hangzhou 311251, China; 2. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China）

Experiments were conducted on influence of bamboo joint on dynamic viscoelasticity of specimen from different part of culm using dynamic mechanical analysis. The result demonstrated that bamboo storage modulus decreased with increase of temperature, loss modulus had positive relation with temperature before glass transition, and loss factor had similar change tendency as loss modulus. Storage modulus of specimen at the upper part was larger than that at the lower part at room temperature, and the loss modulus was the same. Storage modulus of speciment with joint was slightly higher than that without joint.

bamboo joint; dynamic viscoelasticity; storage modulus; loss modulus

S781.2

A

1001-3776（2013）03-0020-04

2013-01-23；

2013-04-03

国家高技术研究发展计划（863计划）“高强度竹基纤维复合材料制造技术”（2010AA101701）子课题“风电桨叶用片状单元高强度竹层级材产业化示范线建设”（2010AA101701-02）

刘红征（1973－），男，黑龙江海林人，工程师，从事竹材加工与利用研究；*通讯作者。