第二節　竹材的物理分離方法

按照物質受外加載荷的幾種基本作用形式——拉伸、彎曲、壓縮、剪切及扭轉設計本實驗。由于竹片極薄，厚度方向不考慮，將其看作二維的平面。其中彎曲作用因作用過程中易發生纖維斷裂而未采用。本實驗的目的是比較各種作用方式對竹材分離的效果。實驗材料同第一節。

1.壓縮外力對竹材分離的影響

實驗方法：對堿煮過的竹片（固定采用次外層竹片，竹片尺寸：厚1mm，寬10mm，足夠長，以下同）施加正壓力（圖3-2），然后在LLY-06C/PC型單纖維強力儀上測試其勾拉強力（竹片內纖維與膠質間的分離力）（圖3-3）。由于竹片經外載負荷作用后，纖維上還黏附著大量的膠質，無法進行準確的纖維細度、殘膠率等指標的測試，因此以下實驗均用勾拉強力的大小進行竹片分離程度的判定。

在施加壓力過程中，改變了壓力大小，分別施加0、0.2、0.4、0.6、0.8 MPa的壓力，施壓4次；改變施壓次數，分別施壓0、2、4、6、8次，壓力選擇0.6 MPa；更換軋輥材料，分別為1#、2#、3#材料，粗糙度依次增大。

實驗結果見表3-3、圖3-4、圖3-5。

表3-3　不同壓縮參數條件下的作用效果比較

注　采用3#軋棍材料。

（1、2、3分別代表軋棍材料1#、2#、3#）

壓力負荷作用下的實驗結果表明：在壓力負荷作用下，竹片沿順紋方向的勾拉強力下降了60%～70%，發生了顯著的松弛分離效果。由于竹材的縱橫向異性特點，在施加壓力時所引起的橫向張力和剪切力極易引發竹材沿順紋方向出現裂紋并擴展，即使是垂直紋理的裂紋，也常常會發生偏轉而改沿順紋方向擴展。又由于竹材是纖維與基體弱界面結合材料，即使是基體裂紋也容易在界面處發生轉折，從而使纖維保持完整，因此竹材在壓力作用下橫向很容易發生松弛而分離，而且由于壓縮過程中竹片橫向沒有被限制其變形，因此會產生較大的橫向膨脹，從而造成應力下降，而竹片中纖維縱向不會發生斷裂。

竹片在受壓過程中，壓力的大小、施壓次數以及軋棍材料對竹片的分離都有顯著的作用。隨施壓次數的增多、壓力增大，竹片沿順紋方向的勾拉強力不斷減小，竹片被分離的程度加劇。從圖3-4、圖3-5中看出，竹片在經受2～4次或0.4～0.6MPa的壓力時，勾拉強力下降最快，以后下降減緩、效率逐漸降低。在反復受壓或施加大壓力過程中，竹片橫向膨脹越來越小，這對于分離纖維與膠質已沒有太大作用，反而會對纖維縱向強度造成破壞。從圖中還可看出，在相同壓力和受壓次數時，表面粗糙的3#軋棍作用效果遠優于光滑的1#、2#軋輥材料。3#軋輥材料被設計為高低起伏的點狀凸起，這樣可以產生竹片局部的高壓區與低壓區，高壓區面積小壓力大，只要該擠壓分離臨界壓力小于纖維束的抗拉強度，竹片就會沿順紋方向產生滑移和分離，而纖維不會被壓斷，同時由于濕態纖維在壓力作用下有取向性，即纖維由壓力高的區域向壓力低的區域滑動，這樣高低不平的擠壓表面所產生的高壓區與低壓區，既保證了纖維的分離，又使纖維有足夠的余地發生滑動，可有效避免纖維縱向壓斷現象的發生。最終加壓條件設計為：0.6MPa壓力、施壓4次、3#軋輥材料。

總之，壓縮外力的作用是在保證纖維束不斷裂的前提下，使竹材天然復合材料的結構發生松弛、分離或重組，使纖維與膠質間的界面分離，甚至使纖維束發生部分分離，獲得一定的尺寸形態以便繼續施加另一載荷。

2.扭轉外力對竹材分離的影響

實驗方法：堿煮后的竹片（實驗材料條件同上）用夾持器將兩端握持，沿軸向旋轉180°，分別扭轉5次、10次、20次、30次。

實驗結果見表3-4。

表3-4　扭轉外力對竹材分離的影響

注　扭轉角度180°。

扭轉外力對竹材的分離有較明顯的作用，扭轉次數越多竹片越容易分離，但扭轉次數超過20次，竹材分離效率下降，且次數過多會導致纖維斷裂，次數過少則分離效果不明顯，扭轉20次的平均勾拉強力下降率在40%左右。表3-4結果還表明，扭轉力也有利于竹片中纖維束與膠質的分離，但是沒有壓縮負荷作用顯著，這是因為扭轉力在徑向的分力較小的緣故，而且由于竹片的2維平面體使扭轉力在不同力矩點的力大小不等。

3.拉伸外力對竹材分離的影響

實驗方法：沿竹片長度方向對堿煮后的竹片施加50g力的拉伸外力；將竹片沿與其軸向呈15°夾角的方向剪成平行四邊形，如圖3-6所示，握持兩端，施加同樣大小的拉伸外力，靜置18h，然后在溫水中浸泡1h后撈出測試其勾拉強力。由于竹片橫向尺寸小（特別是一些小徑竹橫向尺寸更小），因此未施加橫向拉伸負荷。

實驗結果見表3-5、表3-6。

表3-5　拉伸外力對竹材分離的影響

通過對經受與未經受拉伸負荷竹片的勾拉強力值進行配對T檢驗表明：受拉伸與未受拉伸竹片的勾拉強力值無顯著差異（相伴概率為0.645，大于0.05的顯著性水平），表明縱向拉伸負荷對竹片的分離無顯著作用，這與竹材的特性相吻合。

表3-6　斜向拉伸外力對竹材分離的影響

通過對經受與未經受斜向拉伸外力作用的竹片勾拉強力值做配對T檢驗，結果表明斜向拉伸對竹片的分離無顯著作用（相伴概率為0.573，大于0.05的顯著性水平）。這一方面說明斜向拉伸外力對竹片熱軟化效果要求較高，另一方面也是斜向制樣角度較小的緣故。

以上研究表明，在物質的基本受力形式中，壓縮外力對竹材界面分離效果最顯著，扭轉外力次之，順紋方向拉伸與斜向拉伸作用不顯著，這些結果與竹材特性是一致的。故竹材界面分離的最佳方式確定為：對竹片外載壓縮負荷。

4.超聲波處理對竹材分離的影響

為了引發竹材的細觀裂紋，采用了超聲波法。超聲波既是一種波動形式，又是一種能量形式，利用它的機械力學機制和空化機制等作用近年來應用在苧麻、大麻等纖維的脫膠上。在此希望利用超聲波的物理機械效應和空化效應在竹材中引發微細裂紋。

儀器：KQ—100A型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

實驗方法：堿煮后的竹片在超聲波儀中進行處理，振動頻率：25kHz，處理時間：30min，溫度：30～40℃。堿煮后的竹片先經加壓（0.6MPa，施壓4次，3#軋輥材料）后經超聲波處理（30min，25kHz），然后在強力儀上測試經過處理與未經處理竹片的勾拉強力。

實驗結果見表3-7。

表3-7　超聲波對竹材分離的影響

表3-7的結果表明：采用超聲波處理對竹片的分離效果有一定的作用，勾拉強力下降率接近30%。但從結果看，僅借助于超聲波作用還不夠顯著，因為超聲波的能量只能在局部微小區域起作用，因此對竹片的分離、對竹片宏觀裂紋的產生作用不明顯。

而經壓力和超聲波共同作用后，竹片的勾拉強力下降率達80%以上，兩者組合作用效果優于單一方式作用之和。在處理過程中，竹片因壓力先得以宏觀分離，再利用超聲波能量局部集中，促使物質局部做激烈的強迫機械振動，在一定頻率的超聲波振動過程中使竹片上的裂紋逐漸擴展。同時勾拉強力數據還表明：經過超聲波和壓力處理后勾拉強力數據波動較小，說明竹片的分離效果很均勻。

總之，對竹材先施加壓力再實施超聲波引發，壓力使竹材橫向分散，產生有效的分離作用，出現宏觀裂紋；而超聲波能量幫助纖維束內部進一步分離，也幫助纖維束與膠質分離，使竹材得以成纖。