植物單根纖維拉伸性能測(cè)試與評(píng)價(jià).pdf

1、植物單根纖維力學(xué)性能測(cè)量是當(dāng)今木材科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)，是在細(xì)胞水平上對(duì)單個(gè)的管胞或纖維直接進(jìn)行軸向拉伸的技術(shù)。單根纖維尺寸微小，測(cè)量困難，被認(rèn)為是一項(xiàng)國(guó)際性的難題。竹木單根纖維力學(xué)研究是引導(dǎo)竹木材等生物質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)研究走向深入的手段，可以將生物質(zhì)材料力學(xué)研究從宏觀提升到細(xì)胞水平，實(shí)現(xiàn)從微觀層面研究材料宏觀力學(xué)特性及其影響因素，對(duì)于最終把握竹木材力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)起源有重要意義；可以滿足在竹木纖維基高分子復(fù)合材料研究中，對(duì)作為增強(qiáng)相的竹

2、木纖維力學(xué)性能數(shù)據(jù)的迫切需求，為纖維選擇性利用提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)產(chǎn)品制造工藝設(shè)計(jì)與改進(jìn)，促進(jìn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化。還能為人工林竹木材材性的基因改良提供量化的目標(biāo)和指標(biāo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。
　　單根纖維力學(xué)性能測(cè)試在國(guó)內(nèi)屬開創(chuàng)性課題，本研究在總結(jié)了前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了單根纖維微拉伸力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)的研究。在此基礎(chǔ)上，研究了不同竹齡（2、4、6年生）毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的單根纖維、30年生杉木幼齡材（第5年輪）、成熟材(第

3、25年輪)晚材管胞力學(xué)性能，測(cè)量指標(biāo)包括斷裂載荷、橫截面面積、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率；對(duì)比研究了不同植物（毛竹、杉木、苧麻、洋麻）單根纖維力學(xué)性能；研究了不同測(cè)試環(huán)境濕度(40％、70%、90%)下，不同纖維（毛竹、杉木、苧麻、芳綸）力學(xué)性能對(duì)濕度的敏感性；探索性的研究了不同處理洋麻單根纖維的力學(xué)性能。
　　通過(guò)研究取得主要結(jié)論如下：
　　1、毛竹、杉木單根纖維力學(xué)性能
　　（1）不同竹齡毛竹中部靠近竹青的竹肉

4、部分微纖絲角相差不大，2、4、6年生分別為9.91°、9.61°、9.76°，不同竹齡毛竹微纖絲角相差不大，只是2年生微纖絲角比4、6年生略大。30年生杉木幼齡材與成熟材微纖絲角分別為34.88°、15.21°，相差很大。
　?。?）2、4、6年生毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的單根纖維拉伸強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率分別為1590MPa、1710MPa、1755MPa；23.6GPa、27.1GPa、26.4GPa；7.2%、7.0%、7

5、.0%。纖維的力學(xué)性能隨竹齡略有增加，但到第4年后，纖維基本達(dá)到成熟，4年生與6年生纖維無(wú)論是在拉伸強(qiáng)度、彈性模量，還是在伸長(zhǎng)率上都已非常接近。
　　（3）30年生杉木幼齡材與成熟材晚材管胞力學(xué)性能差異顯著，拉伸強(qiáng)度分別為558MPa、1258MPa，彈性模量分別為8.5GPa、19.9GPa，均相差在兩倍以上；斷裂伸長(zhǎng)率分別為9.9%、6.6%，也相差了50%。且成熟材管胞表現(xiàn)出了較強(qiáng)的線彈性特性，而幼齡材管胞在拉伸過(guò)程中則表現(xiàn)

6、了明顯的塑性屈服階段。這與微纖絲角及紋孔有關(guān)。
　　（4）毛竹纖維在拉伸強(qiáng)度、彈性模量等方面的性能明顯優(yōu)于杉木纖維，更適合于作為增強(qiáng)相用在復(fù)合材料中。
　　2、幾種植物單根纖維力學(xué)性能比較研究
　?。?）毛竹單根纖維（為4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纖維）斷裂強(qiáng)度最大，平均值達(dá)1710MPa，最大達(dá)2708MPa，杉木（為30年生第25年輪晚材管胞）與其他三種纖維拉伸強(qiáng)度差異顯著；苧麻纖維斷裂伸長(zhǎng)率最大，為8.9%，柔

7、韌性最好；而洋麻纖維斷裂伸長(zhǎng)率明顯小于其他三種纖維，只有3.2%，但其彈性模量值卻明顯高于其他三種纖維，平均達(dá)30.8GPa，最大達(dá)42.3GPa，剛性最大，是一種脆性纖維。
　　（2）毛竹、杉木、苧麻、洋麻纖維斷裂形式存在一定差異，其中苧麻纖維，毛竹纖維、杉木纖維的斷口形狀大多呈斜齒形，斷口粗糙，表現(xiàn)明顯的韌性斷裂特性。因此這三種纖維的斷裂伸長(zhǎng)率較大。杉木纖維一般斷在紋孔比較密集或者有其他結(jié)構(gòu)缺陷的地方。洋麻纖維的斷口相對(duì)上述三

8、種纖維則平滑的多，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性斷裂特性。這與洋麻纖維較低的平均斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試結(jié)果是一致的。
　?。?）毛竹、杉木、洋麻、苧麻這四種纖維在纖維形貌、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彈性模量、斷裂形式等方面均呈現(xiàn)出其各自的特點(diǎn)，了解這些差異有利于我們更合理有效地利用好這些寶貴的資源。
　　3、單根纖維力學(xué)性能對(duì)水分依賴特性
　?。?）杉木（為30年生第25年輪晚材管胞）、毛竹（為4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纖維）、苧麻、芳綸纖維

9、力學(xué)性能對(duì)濕度變化的敏感程度不同，苧麻纖維對(duì)濕度變化最為敏感,而芳綸纖維幾乎不感應(yīng)外界濕度的變化。
　?。?）與40%環(huán)境濕度下比，70%環(huán)境濕度下，毛竹、杉木、苧麻這幾種天然纖維彈性模量均有所增大，90%環(huán)境濕度下卻均有所下降。而芳綸纖維作為人造化學(xué)纖維，結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定，對(duì)外界濕度變化不敏感。
　　4、不同處理洋麻單根纖維力學(xué)性能
　　（1）離析溫度對(duì)洋麻纖維力學(xué)性能影響較大，110℃下離析所得洋麻纖維力學(xué)性能優(yōu)

10、于160℃下離析所得洋麻纖維。它們的纖維平均斷裂強(qiáng)度分別為1051MPa、810MPa；平均彈性模量分別為23.6GPa、13.5GPa，平均伸長(zhǎng)率分別為4.5%、5.6%，均差異顯著；在纖維形態(tài)上也存在一定差異，纖維的橫截面面積分別為187μm2、141μm2。
　　（2）100℃及160℃下納米改性的洋麻纖維力學(xué)性能幾乎不存在差異，只是在纖維形態(tài)上略有變化。它們的平均斷裂強(qiáng)度分別為1001MPa、1032MPa，平均彈性模量分