基于含水率的无患子物理性质的测定

于 淼，姚立红，阚江明，徐道春

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

应用实践

基于含水率的无患子物理性质的测定

于 淼，姚立红，阚江明，徐道春

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

为了给无患子加工机械的研发提供设计依据和理论基础，需要对无患子的物理特性及机械特性进行研究，如无患子的三维尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、静摩擦系数等，并研究一些物理性质随含水率的变化关系。结果表明：无患子果及无患子种子的三维尺寸、粒子密度、体积密度、无患子果皮及无患子种子与其他材料的静摩擦系数随含水率的升高而增大；无患子果及无患子种子的孔隙率、无患子种子(除长度方向)的压缩破坏载荷随含水率的升高而减小。

无患子；含水率；物理性质；力学特性

无患子，又名木患子、肥皂树、洗手果等。无患子为无患子目无患子科，属落叶乔木。无患子分布于热带和亚热带，包括亚洲、美洲、大洋洲，在我国分布于淮河以南地区[1]，其海拔分布为200～1 500 m[2]。无患子在农业、医疗、物化等领域有着广泛的应用。无患子的果皮含有皂素，用手揉搓便会产生泡沫，手感细腻，去污力强，用于生产牙膏、洗发水、肥皂等。此外无患子还有止咳、化痰、治疗退烧等功效。无患子种仁含油率高，可达42.7%[3]，是一种新型的制备生物柴油的原料[4]。

目前，许多学者对不同果实的物理机械特性进行了研究。邵文豪[5]等对我国无患子分布区7个产地的种实形态性状及种仁含油率进行了取样测定，但没有研究相关物理性质随含水率的变化关系。李洪昌[6]、赵小广[7]、王旭东[8]、袁巧霞[9]、李心平[10]等分别对水稻籽粒、莲子、荔枝、银杏、玉米籽粒的物理参数如果实的三维尺寸、摩擦系数、密度、含水率、压缩破坏载荷等进行了研究，为相关果实生产机械的设计提供了参考，但并没有研究果实的物理性质随含水率的变化关系。

无患子脱壳是其加工再利用的关键环节。目前，我国无患子的粗加工十分落后，几乎全是手工操作。为了无患子产业的发展，需要研制一种高效、针对性强的无患子脱壳装备，有必要研究无患子的物理机械特性。本文不仅研究了无患子的物理机械特性，如三维尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、静摩擦系数、压缩破坏载荷等，还对无患子的物理机械特性随含水率的变化关系做了部分研究。这些物理机械特性及其随含水率的变化关系可为设计无患子相关生产装备提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

无患子果：采自福建省建宁县无患子种植基地，采摘时间为2015年11月，试验时间为2016年5—6月，剔除杂质、破裂的和不成熟的无患子果，将采回的无患子果装在密封袋中放入冰箱中冷冻保存，试验前将无患子果处理为4种含水率。

ZN17-TD20002A电子天平，电子游标卡尺(0～150 mm)，GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱，角度测量仪(225度角度尺)，RGM4050电子万能材料试验机，角度可调平面，称量瓶，干燥器，水平仪，橡胶板，木板，烧杯，量筒，小铁块，细线等。

1.2 试验方法

1.2.1 含水率的测定

分别测量无患子果、无患子果皮、无患子种子的含水率。精确称取若干试样于洁净干燥的称量瓶中，质量记为m1，置于烘箱105℃下4～6 h。将称量瓶移入干燥器中冷却30 min，称重后再烘干1 h,冷却称重，直到试样达到恒重，质量记为m2。4种含水率的样本中每组做3次平行试验，取平均值。含水率用湿基表示法表示[11]。

(1)

式中：Mw为湿基含水率，%；m1为试样干燥前质量，g；m2为试样干燥后质量，g；

1.2.2 无患子果千粒重的测定

随机挑选3组相同含水率的无患子果各100粒，用电子天平称量，结果取平均值，得到的结果乘以10得到无患子果的千粒重。

1.2.3 无患子果及无患子种子三维尺寸的测量

随机选取不同含水率的无患子果和无患子种子各100粒，用电子游标卡尺测量样品的长度、宽度、厚度，如图1所示。无患子种子的长度、宽度、厚度方向与无患子果的方向相同。无患子果外形近似球形，其三维尺寸用算术平均直径、几何平均直径、球度来衡量。

(2)

(3)

(4)

式中：L为长度，mm；W为宽度，mm；T为厚度，mm；Da为算术平均直径，mm；Dg为几何平均直径，mm；φ为球度；D为L、W、T中的最大值，mm。

图1 无患子果的三维尺寸方向

1.2.4 无患子果、无患子种子的粒子密度和体积密度的测量

采用悬浮法[11]测量试样的粒子密度，每组含水率的试样测量5次，结果取平均值。

(5)

式中：ρ为样品的粒子密度，g/cm3；m为样品的质量，g；v为样品的体积，cm3。

测量体积密度需使用电子天平和500mL量筒。将量筒放在天平上，将天平示数清零,在量筒中填入无患子果或无患子种子，分别读出天平和量筒的示数，每组含水率的试样测量5次，结果取平均值。

(6)

式中：ρb为样品的体积密度，g/cm3；mb为样品的质量，g；vb为样品在量筒中的体积，cm3。

1.2.5 无患子果、无患子种子孔隙率的计算

孔隙率是通过粒子密度与体积密度计算得到的。

(7)

式中：p为孔隙率，%；ρb为样品的体积密度，g/cm3；ρ为样品的粒子密度，g/cm3。

1.2.6 静摩擦系数的测量

分别测量不同含水率的无患子果皮和无患子种子与多种不同材料的静摩擦系数，材料包括：丁晴橡胶板、聚氨酯橡胶板、硅橡胶板、镀锌钢板、不锈钢板、木板及玻璃。制作无患子果皮的试样时采用完整的无患子果。无患子果皮中含有黏稠的汁液，如果将无患子果皮剥下来制作试样将会影响测量。将被测的材料平铺并用夹子夹在角度可调平面上，用水平仪调整水平，并将准备好的试样放在角度可调平面上，缓慢增加平面的角度，当试样恰可下滑，用角度测量仪测量该角度记为θ。静摩擦系数用以下公式计算。

μ=tanθ

(8)

式中：μ为静摩擦系数；θ为角度可调平面与水平面夹角。

1.2.7 无患子果、无患子种子的压缩试验

试样按长度、宽度、厚度方向进行压缩试验，试样放在电子万能材料试验机下压板的中央部位，下压板静止不动，上压板以5 mm/min的速度缓慢向下匀速运动，上压板接触到试样时，显示屏开始显示压力数据，当试样破裂时，压力骤减而自动停机，自动记录下力的最大值(压缩破坏载荷)，不同放置方式下每种含水率的试样重复做5次试验，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 无患子的含水率

无患子的含水率如表1所示，分别用于后续的试验研究。

表1 无患子含水率 %

2.2 无患子果的千粒重

含水率为31.42%的无患子果的千粒重如表2所示。

表2 无患子果的千粒重 g

2.3 无患子果及无患子种子的三维尺寸

不同含水率的无患子果和无患子种子的三维尺寸见表3和表4。

从表3可以看出，无患子果的长度、宽度、厚度随含水率的升高而增加，含水率从5.4%升高到31.42%，无患子果的长度、宽度、厚度分别从19.21 mm 增加到20.48 mm、从21.89 mm增加到23.62 mm、从17.70 mm增加到19.50 mm。在同一含水率下无患子果的宽度最大，厚度最小，其算术平均直径和几何平均直径随含水率的升高而增加，含水率从5.4%升高到31.42%，其算术平均直径和几何平均直径分别从19.60 mm增加到21.20 mm、从19.52 mm增加到21.13 mm。

从表4可以看出，无患子种子的三维尺寸随含水率的变化规律与无患子果的三维尺寸随含水率的变化规律相似，也是随含水率的升高而增加，含水率从3.26%升高到22.73%，其长度、宽度、厚度分别从13.32 mm增加到15.30 mm、从14.02 mm增加到15.36 mm、从11.70 mm增加到13.15 mm。无患子种子的算术平均直径和几何平均直径随含水率的升高而增加，含水率从3.26%升高到22.73%，其算术平均直径和几何平均直径分别从13.01 mm增加到14.60 mm、从12.98 mm增加到14.57 mm。Aviara[12]、Oloyede[13]、谢丽娟[14]、刘明国[15]等分别研究乳木果、辣木果、莲子、花生的三维尺寸随含水率的变化关系，都得到了相似的结论。

表3 不同含水率无患子果的三维尺寸

表4 不同含水率无患子种子的三维尺寸

2.4 无患子果及无患子种子的粒子密度、体积密度及孔隙率

不同含水率无患子果、无患子种子的粒子密度、体积密度及孔隙率如表5和表6所示。

从表5可以看出，无患子果的粒子密度和体积密度随含水率的升高而增大，含水率从5.40%升高到31.42%，其粒子密度从0.788 g/cm3增大到 0.897 g/cm3，其体积密度从0.337 g/cm3增大到0.442 g/cm3。无患子果的粒子密度小于水的密度。无患子果的含水率从5.40%升高到31.42%，其孔隙率从57.23%下降到50.72%。

从表6可以看出，无患子种子的粒子密度和体积密度随含水率的升高而增大，含水率从3.26%升高到22.73%，其粒子密度从1.056 g/cm3增大到 1.159 g/cm3，其体积密度从0.404 g/cm3增大到0.488 g/cm3。无患子种子的粒子密度大于水的密度。无患子种子的含水率从3.26%升高到22.73%，其孔隙率从61.74%下降到57.89%。Aviara等[16-17]研究乳木果、辣木种子的粒子密度及体积密度，得到了相似的结论。

表5 不同含水率无患子果的粒子密度、 体积密度及孔隙率

表6 不同含水率无患子种子的粒子密度、 体积密度及孔隙率

2.5 无患子果皮、无患子种子与不同材料的静摩擦系数

表7和表8分别列出了不同含水率的无患子果皮、无患子种子与不同材料的静摩擦系数。

从表7可以看出，无患子果皮与不同材料的静摩擦系数随含水率的升高而增大，在同一含水率下，无患子果皮与丁晴橡胶板的静摩擦系数最大，与聚氨酯橡胶板的静摩擦系数最小。

从表8可以看出，无患子种子与不同材料的静摩擦系数随含水率的升高而增大，在同一含水率下，无患子种子与丁晴橡胶板的静摩擦系数最大，与聚氨酯橡胶板的静摩擦系数最小。Aviara等[16-17]研究乳木果、辣木果与其他材料的静摩擦系数，得到了相似的结论。

表7 无患子果皮与不同材料的静摩擦系数

表8 无患子种子与不同材料的静摩擦系数

2.6 无患子果与无患子种子的压缩试验

无患子果含水率较高时，果皮较软，在试验机上压头压力作用下，无患子果皮虽然产生了显著变形，但果皮并没有破裂，上压头继续向下移动,种子被压碎。在所测含水率17.58%～37.56%的果皮都不能被压碎。果皮含水率在此范围的无患子，在研制脱壳装备时，不能只靠挤压来脱壳，还要配合其他动作。果皮的含水率为8.56%时无患子果较硬，在压缩过程中，果皮有明显的破坏载荷。果皮含水率为8.56%的无患子果在各方向的压缩破坏载荷见表9，无患子种子在各方向的压缩破坏载荷见表10。

表9 果皮含水率为8.56%的无患子果 压缩破坏载荷 N

表10 无患子种子的压缩破坏载荷(均值) N

从表9可以看出，无患子果长度方向的压缩破坏载荷最大。从表10可以看出，无患子种子在长度方向上其压缩破坏载荷一开始随含水率的升高而减小，然后随着含水率的升高，其压缩破坏载荷增大；在宽度和厚度方向上，无患子种子的压缩破坏载荷均随含水率的增加而减小。李心平[10]、Oloyede[13]、王新忠[18]等分别研究玉米、辣木果、银杏的压缩破坏载荷与含水率的关系，得到了相似的结论。

3 结 论

本文研究了无患子的一些物理机械特性，如三维尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、静摩擦系数、压缩破坏载荷等，并研究了一些物理机械特性随含水率的变化关系，经过试验研究，得出的主要结论为：①含水率为31.42%的无患子果的平均千粒重为4 627.0 g；②无患子果、无患子种子的三维尺寸、粒子密度、体积密度均随含水率的升高而增大；③无患子果及无患子种子的孔隙率、无患子种子(除长度方向)的压缩破坏载荷均随含水率的升高而减小；④无患子果皮、无患子种子与其他材料的静摩擦系数随含水率的升高而增大；⑤同一含水率下，无患子果皮、无患子种子与丁晴橡胶板的静摩擦系数最大，与聚氨酯橡胶板的静摩擦系数最小。

[1] 李丽, 罗君琴. 珍贵的乡土树种——无患子[J]. 江西园艺, 2005(2):37-38.

[2] CHEN Y H, CHIANG T H, CHEN J H. Properties of soapnut (Sapindusmukorossi) oil biodiesel and its blends with diesel[J]. Biomass Bioenerg, 2013, 52:15-21.

[3] 黄素梅, 王敬文, 杜孟浩, 等. 无患子籽油脂肪酸成分分析[J]. 中国油脂, 2009, 34(12):74-76.

[4] 王建章, 吴子斌. 无患子籽油成分分析与提取工艺研究[J]. 农业科学研究, 2010, 31(1): 48-50.

[5] 邵文豪, 刁松锋, 董汝湘, 等. 无患子种实形态及经济形状的地理变异[J]. 林业科学研究, 2013, 26(5): 603-608.

[6] 李洪昌, 高芳, 李耀明, 等. 水稻籽粒物理特性测定[J]. 农机化研究, 2014(3): 23-27.

[7] 赵小广, 宗力, 谢丽娟, 等. 干壳莲子物理参数试验研究[J]. 食品与机械, 2006, 22(3): 53-55.

[8] 王旭东, 朱立学, 刘江涛, 等. 荔枝物理参数和机械特性的试验研究[J]. 农机化研究, 2007(2): 132-134.

[9] 袁巧霞, 陈红, 刘清生, 等. 银杏果核物性参数的试验研究[J]. 华中农业大学学报, 2002, 21(5): 471-473.

[10] 李心平, 李玉柱, 马福丽, 等. 玉米种子抗压特性及裂纹生成规律[J]. 农业机械学报, 2011, 42(8): 94-98.

[11] 周祖锷. 农业物料学[M]. 北京：农业出版社, 1994:12-23.

[12] AVIARA N A, HAQUE M A, IZGE I A. Physical and frictional properties of sheanut[J]. Agro-Sci, 2000, 1(2):19-34.

[13] OLOYEDE D O, AVIARA N A, SHITTU S K. Measurement of engineering properties necessary to the design of drumstick (MoringaoleiferaL.) pod sheller[J]. J Biosystems Eng, 2015, 40(3):201-211.

[14] 谢丽娟. 莲子破裂最佳位置的有限元模拟及试验研究[D]. 武汉：华中农业大学, 2005:10-12.

[15] 刘明国. 花生脱壳与损伤机理及立锥式脱壳机研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学, 2011:29-30.

[16] AVIARA N A, OLUWOLE F A, HAQUE M A. Effect of moisture content on some physical properties of sheanut (ButyrospernumParadoxum)[J]. In Agrophys, 2005, 19(3): 193-198.

[17] AVIARA N A, POWER P P, ABBAS T. Moisture-dependent physical properties ofMoringaoleifera, seed relevant in bulk handling and mechanical processing[J]. Ind Crop Prod, 2013, 42(1):96-104.

[18] 王新忠, 王敏. 银杏种核力学特性试验[J]. 农业机械学报, 2008, 39(8): 84-88.

Determination of physical properties ofSapindusmukorossiGaertn based on moisture content

YU Miao, YAO Lihong, KAN Jiangming, XU Daochun

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to provide design and theoretical basis forSapindusmukorossiGaertn processing machinery, the physical and mechanical properties ofSapindusmukorossiGaertn were investigated, including basic dimensions, moisture content, thousand kernel weight, density, porosity and static coefficient of friction etc. The relationship between some physical properties and moisture content was studied. The results showed that the basic dimensions, particle density, bulk density ofSapindusmukorossiGaertn fruit andSapindusmukorossiGaertn seed,and static coefficient of friction betweenSapindusmukorossiGaertn fruit peel and seed and other materials increased with moisture content increasing. The porosity ofSapindusmukorossiGaertn fruit andSapindusmukorossiGaertn seed, and the compressive failure load ofSapindusmukorossiGaertn seed(except length direction) decreased with moisture content increasing.

SapindusmukorossiGaertn; moisture content; physical property; mechanical property

2016-10-18；

2017-02-22

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2015ZCQ-GX-02)

于 淼(1990)，男，在读硕士,研究方向为森林工程装备及其自动化(E-mail)yumiaobjfu@163.com。

姚立红，副教授，硕士生导师(E-mail)yaolihong@bjfu.edu.cn。

TS223; TQ643

A

1003-7969(2017)06-0143-05