含水率对竹材开纤影响的研究

刘 月

（浙江农林大学工程学院，浙江 杭州 311300）

0 引言

竹材作为一种高强度、高韧性、高稳定性的天然材料现已被大量应用到各个领域。大量研究证明，含水率是竹材力学性能的重要影响因素，不同含水率的竹材，其力学性能差异很大[1]。王汉坤[2]通过研究得到除了顺纹抗压强度随着含水率的增加呈线性减小，竹材的顺纹拉伸、顺纹抗剪和弯曲强度均呈减小－(增加)－平稳－减小的变化趋势。关明杰[3]测定了含水率对不同竹种抗弯弹性模量的影响，结果表明，随着含水率的增加，其弯曲模量都下降。Chung等[4]研究了毛竹的抗压性能和抗弯性能随含水率的变化含水率在5%以下时，性能不发生太大的变化；含水率高于5%后，毛竹的弯曲强度不受影响。江泽慧等[5]研究发现，年龄较小的竹材的剪切强度受含水率的影响较大。通过这些研究对比发现，含水率是竹材各项性能很重要的影响因素之一。

天然竹纤维是由竹子直接加工而制成的一种形态接近麻类植物纤维的天然纤维，具有独特的抗菌防臭性能、透气性能，以及优异的力学性能，因此，其也受到国际市场的广泛青睐[6]。竹原纤维是由新鲜竹片采用机械法提取，经软化、多应力加载、剪切、烘干、除杂等工艺路线制得。软化参数是竹片能否被机械开纤的前提条件，现已有大量关于软化工艺参数（软化浓度、时间、温度、浴比等）的研究[7]，然而关于改性后竹材含水率对竹原纤维质量有重要影响的研究还未见报道，因此，笔者设计实验方案，研究分析含水率对竹片改性开纤效果的影响（下文所述含水率均为改性后竹片的绝对含水率）。

1 不同含水率竹片及纤维制备

1.1 不同含水率竹片试件的制备

材料与仪器：两年生毛竹（浙江诸暨地区产）、固体氢氧化钠、高压蒸煮锅、电磁炉、多功能电子温湿度计、武义锐特工具有限公司J1G-WRT-355 型材切割机、上海精宏DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱、上海卓精BSM系列电子天平。

本实验按照“毛竹——截断——去外节——去竹节——剖开”的方法步骤，将竹材制成实验所需竹片，总计制取实验竹片试样50个。新鲜竹片硬度大、模量高，不利于机械开纤。本实验自制竹片软化工艺，使得竹片力学参数满足机械加载开纤要求。通过数次预实验，最终总结出适用于本实验的竹片软化工艺数据：3%的NaOH溶液；压强50kPa；1:15的浴比；煮1.5h，保温0.5h，煮1.5h，保温0.5h（注：完成上文所述蒸煮实验后，观察空白对照组竹片软化情况，若竹片中部有少量留白，则继续加热15min，保温10min）。

竹片完成软化后，将其捞出，在室温下进行晾置，记录当下环境的温度以及湿度数据。因竹片晾置时间与竹片含水率符合一定的函数关系，本实验拟采用晾置时间的梯度分级来表征竹片的不同含水率。实验设计5组竹片晾置时间梯度分级，分别为0h、12h、24h、36h、48h。当竹片完成规定时间的晾置后，立即对竹片进行称重并依次记录下其质量，记为m。如表1所示。

表1 不同晾置时间下竹片试件含水率数据表

在每组不同含水率的竹片中，每组随机选取3个竹片，将其放入电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥处理，直至试块的质量不再变化，记下每组各个竹块试件的质量，记为m’。本次实验选取绝对含水率作为实验分析数据，按下式计算改性竹片绝对含水率：

式中：W——竹片绝对含水率，以百分率计，准确至0.1%；m——不同含水率竹片试样质量（g）；m’——竹片试样的绝干质量（g）。

1.2 竹纤维的制备

1）材料：不同含水率竹片。

2）仪器：浙江农林大学姚文斌团队自制碾压开纤机。

本实验采用自制开纤机机械加载开纤法制取竹纤维。将每组剩余的5个不同含水率的竹片依次裹上保鲜膜，再将其喂入开纤机进行竹片开纤。因本实验的唯一变量为含水率，因此本次实验碾压次数统一控制为3次。完成3次开纤后，纤维大致分离开来，将那些小面积粘连，或者较为明显束纤维状（细度较大，无法用纤维投影仪法测量直径）的组织剔除[8]，从而获得最终的竹纤维，具体纤维状况如图1所示。

图1 纤维试样

2 纤维性能测试

仪器与设备：温州百恩YG028PC电子多功能强力机、上海卓精BSM系列电子天平、上海精宏DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱、温州百恩仪器有限公司YG0002型纤维细度仪、载玻片、盖玻片。

2.1 竹纤维得率

为降低竹纤维的含水率对最终纤维质量数据的影响，本实验对所得的竹纤维统一做烘干处理，并记录下烘干后竹纤维的绝干质量。按下式计算竹纤维制得率：

制得不同含水率情况下竹片试件的开纤得率数据如表2所示。

表2 不同含水率竹片试件的纤维制得率数据表

由表2可知，当绝对含水率低于43%时，竹片无法完成开纤，即竹片完成软化后晾置48h后已无法开纤；当含水率高于43%时，纤维得率与含水率基本呈正相关。

2.2 纤维细度的测量

目前常用的纤维细度测试方法有两种：纤维宽度法和纤维切片法。这两种方法前者简单方便且不会破坏纤维，后者更精确，经研究对比认为，这两种算法的结果相差不大[9]。故本次实验采用纤维宽度法来测量竹纤维细度。

将完成干燥处理的纤维在室温环境下放置一段时间，待干纤维与环境达到干湿平衡后，从每组纤维中随机选取50根纤维作为细度实验测量试样。将竹纤维试样用双面刀片切去3mm～5mm长的纤维片段，放在滴有粘性介质的载玻片上，然后盖上盖玻片。采用NOVEL光学显微镜直径分析仪在放大倍数为1 000倍条件下对竹纤维细度进行测量，测量结果如图2所示。

从纤维细度频率分布图来看，竹纤维直径基本在200μm～350μm区间内。尤其经软化晾置后含水率为74%的竹片，其纤维较大范围的分布在200μm～300μm之间，也从侧面反映其变异系数最小。

2.3 力学性能的测量

将完成干燥处理的纤维在室温环境下放置两天，待干纤维与环境达到干湿平衡后，再从每组制得的竹纤维中随机选取30根作为本次拉伸实验的试件。

用YG028PC电子多功能强力机测试天然毛竹纤维的拉伸性能。参考标准ASTM D3822-07《Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》及相关文献，分别对每根纤维进行单纤维强度测试[10]。将机器设置成夹持距为20mm，室温环境为25±2℃，湿度为55±5%，拉伸速度为5mm/min，预加张力为5cN。已测定该批竹原纤维试样纤维密度为145dtex，输入系统中，实验次数每组设置为30次，完成以上设置后即可开始进行拉伸实验。各组纤维通过电子多功能强力机的测量后，测量结果如表3所示。

表3 不同含水率竹片所制纤维力学性能数据表

3 实验数据分析

由图2可知，不同含水率竹片所得纤维细度基本在200μm～350μm区间，无明显线性关系。因此，本文只对含水率与纤维得率、断裂强力、断裂伸长率以及弹性模量进行回归分析。用MATLAB软件通过对原始数据绘图得到含水率—纤维得率关系、含水率—断裂强力关系、含水率—断裂伸长率关系及含水率—弹性模量关系分别如图3所示。

图3 数据分析

1）由（a）可知，软化竹片的含水率越高，其纤维得率越高，并在含水率到达80%时，纤维得率基本保持不变。当竹片含水率比较高时，基体较软，竹片硬度较小，其更有利于竹材的破坏成纤，从而获得更高的纤维得率。

2）当含水率低于85%时，纤维断裂强力与含水率呈正相关；当含水率高于85%时，纤维断裂强力与含水率呈负相关。含水率越高，竹片的强度越低，则在竹片拉伸过程中纤维将会承受更多的载荷，到了一定的阶段，纤维将在加载过程中到达强化阶段。因此，其断裂强力越来越大，而当含水率过大时，因基体过软而导致作用在纤维上的力过大，使得纤维开始硬化，从而在加载过程中纤维组织被部分破坏，其断裂强力也随之降低。

3）在含水率为61%～115%的范围内，纤维的断裂伸长率与含水率大体呈负相关。随着含水率的提高，竹片的强度、硬度降低，则导致作用在纤维上的力越来越大，从而纤维经历了比例、强化、颈缩三个变形阶段，其断裂伸长率因此也越来越低。

4）随着竹片含水率的上升，竹片在加载过程中总体来说，改性竹片的含水率越高，其所制纤维的弹性模量越大。随着竹片含水率的升高，所得纤维的强度在升高，纤维的断裂伸长率却一直减小，从而导致弹性模量越来越大。

5）含水率为115%的改性竹片其纤维得率最高，但粗细均匀度较差，而得率相对较低的由74%含水率的竹片制得的纤维却最均匀。这说明了改性竹片的含水率并不是越高越好，可以适当降低改性竹片的含水率再进行开纤，既可以保证一定的得纤率，又可以使得制得竹纤维的性能进一步提高。

4 结论

改性后竹材的绝对含水率对竹片开纤及制得竹纤维的性能有较大影响，结论如下：1）纤维得率随含水率的降低而降低，并在含水率到达43%时无法进行开纤；2）含水率为74%的竹片制得的纤维细度最为均匀；3）含水率为85%的竹片制得的纤维断裂强力最大；4）纤维的断裂伸长率随含水率的降低而升高；5）纤维的弹性模量随含水率的升高而升高。因此，在实际的竹纤维制备工艺中，当竹片完成软化后，可将竹片在室温环境下（温度25±3℃，湿度55±5%）放置24h，待竹片绝对含水率到达74%再进行开纤，以获得粗细较为均匀、力学性能较好且得率较好的纤维。