晏科滿　蘇工兵　邵運(yùn)果　鄒舒暢

摘要：為了揭示苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]莖葉連接力及其沖擊斷裂能量的分布規(guī)律，以收獲期二麻為試驗對象，參照GB/T 1040-2006及GB/T 1843-2008試驗標(biāo)準(zhǔn)，采用HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗機(jī)與TF-2056B懸臂梁沖擊試驗機(jī)，對分布于不同部位的連接苧麻麻葉與莖稈的葉柄分別進(jìn)行了靜態(tài)拉力測試試驗和動態(tài)沖擊斷裂試驗，獲取莖葉連接力和莖葉沖擊斷裂能。結(jié)果表明，中部莖葉連接力平均值最大，頂部次之，下部最小，莖葉連接力最大平均值為14.492 N；中部莖葉沖擊斷裂能平均值最大，頂部次之，下部最小，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J；中部與頂部的莖葉隨葉柄直徑增大，其連接力和沖擊能量總體趨勢逐漸增大而局部波動。該試驗研究可為苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]；莖葉；連接力；沖擊斷裂能量；脫葉機(jī)

中圖分類號：S563.1；TB301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2489-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.050

苧麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]有著悠久的栽培歷史，是古老的纖維作物之一，中國的苧麻產(chǎn)量占世界苧麻總產(chǎn)量的90%以上，處于優(yōu)勢地位[1]。苧麻纖維是天然的紡織原材料，苧麻葉可制成飼料、藥物，還可以作為有機(jī)肥料，用途廣泛。對苧麻纖維和苧麻葉的綜合利用，需先脫落莖稈上的苧麻葉，然后再對苧麻稈進(jìn)行剝麻、分纖加工。傳統(tǒng)的加工方法為人工脫葉、剝麻，費(fèi)工費(fèi)時，為了實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的苧麻莖稈機(jī)械化收割脫葉及莖稈纖維剝離，研究苧麻莖葉的力學(xué)特性具有重要意義。目前，國內(nèi)外專家對木材、竹材、小麥（Triticum aestivum Linn.）莖稈、玉米（Zea mays L.）秸稈、苧麻莖稈等植物秸稈的拉伸特性、抗沖擊特性、斷裂行為等力學(xué)性能進(jìn)行了研究[2-7]。高夢祥等[8]對玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的抗沖擊特性進(jìn)行了測試；李耀明等[9]對水稻穗頭子粒與粒柄、粒柄與枝梗、枝梗與主莖稈之間的連接力進(jìn)行了測定，結(jié)果表明不同類型的水稻品種、不同部位、不同含水率、不同受力方向等對連接力都有明顯影響；黃震等[10]對收獲前油菜植株莖稈與分枝、莖稈與角果的連接力隨生長時間和位置的變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明沿植株的生長方向主莖稈與角果連接應(yīng)力值有變小趨勢，至成熟期主莖稈及分枝與角果連接應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

國內(nèi)外學(xué)者對苧麻的研究主要集中于苧麻莖稈力學(xué)性能與機(jī)械性能參數(shù)[11-13]、苧麻纖維復(fù)合材料[14，15]、苧麻纖維改性[16]上，尚未開展有關(guān)苧麻莖葉的力學(xué)特性方面的研究。本研究通過對苧麻莖葉連接力測試與莖葉沖擊斷裂試驗，研究了苧麻莖葉連接力及其沖擊斷裂能量的分布規(guī)律和變化情況，以期為苧麻莖稈脫葉動力裝置及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 苧麻莖稈樣本于2014年8月上旬取自咸寧市苧麻試驗站試驗田種植的華苧4號二麻。莖稈通直無病，株高范圍為1.7～1.9 m，成熟苧麻莖稈高1.2～1.9 m處（苧麻梢部）含莖葉，麻稈高0～1.2 m區(qū)間莖葉已自然脫落。如圖1所示，將苧麻梢部按1.2～1.5 m，1.5～1.7 m，1.7～1.9 m劃分為3個區(qū)間段，分別對應(yīng)下部、中部與頂部。

1.1.2 儀器 HD-B604-S電腦伺服式拉力試驗機(jī)，購于東莞市海達(dá)（國際）儀器有限公司，最大行程為1 000 mm，測試速度30～300 mm/s，配備兩個傳感器，其量程分別為2 500、5 000 N；TF-2056B懸臂梁沖擊試驗機(jī)，購于東莞市海達(dá)（國際）儀器有限公司，沖擊量程分別為11、12 J。

1.2 樣品的制備

將苧麻莖稈按照表1中的規(guī)格處理苧麻樣品，分別制備拉力試驗和沖擊載荷試驗樣品。試樣1的制備參照GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣2的制備參照GB/T 1843-2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 苧麻莖葉拉力試驗

苧麻年收3次，分為頭麻、二麻和三麻。苧麻莖稈的性能參數(shù)是在某一范圍值內(nèi)變化，不能用某一具體數(shù)值來描述[11]。二麻收割期正是南方高溫時節(jié)，選擇二麻作為研究對象具有較好的代表性。通過選擇二麻作為研究對象，其沖擊斷裂能參數(shù)可作為一個參考基準(zhǔn)值，以此為基準(zhǔn)可對脫葉機(jī)構(gòu)參數(shù)做相應(yīng)變化選擇，同時可為頭麻、三麻脫葉機(jī)構(gòu)做參考。該試驗參照和借鑒木材、塑料等其他材料拉伸測試的試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法[17]制備試樣，拉伸試驗機(jī)夾具夾持試樣兩端以1 mm/min的速度對苧麻莖葉進(jìn)行拉伸試驗，通過連接力進(jìn)行測試分析所得結(jié)果反映苧麻莖稈連接力變化趨勢。

1.4 苧麻莖葉沖擊斷裂試驗

苧麻莖葉沖擊斷裂試驗參照木材、塑料等其他材料試驗的標(biāo)準(zhǔn)和方法[18]進(jìn)行。試驗中擺錘從揚(yáng)角150°處自由下落，當(dāng)擺錘沖擊并通過試樣后，試驗機(jī)記錄擺錘的最大揚(yáng)角，經(jīng)過系統(tǒng)換算得出沖擊斷裂能量。

2 結(jié)果與分析

2.1 苧麻莖葉拉力測試結(jié)果

2.1.1 不同部位苧麻莖葉拉力測試結(jié)果 取試樣1中苧麻莖葉梢部的下部、中部與頂部區(qū)間樣本各20個，編號分別為1～20，21～40，41～60，其試驗結(jié)果見圖2。從圖2可知，編號1～20為試樣1頂部，莖葉連接力在9.919～17.310 N之間波動，其平均值為13.788 N；編號21～40為試樣1中部，莖葉連接力在7.375～22.685 N之間波動，其平均值為14.492 N；編號41～60為試樣1下部，莖葉連接力在2.153～12.112 N之間波動，其平均值為6.259 N。中部莖葉連接力平均值比頂部莖葉連接力平均值大0.704 N，頂部莖葉連接力平均值比下部莖葉連接力平均值大7.529 N，莖葉連接力最大平均值為14.492 N。莖葉連接力平均值的變化趨勢為中部最大、頂部次之、下部最小。因此，以苧麻莖葉×中部、頂部制備的試樣1為試驗對象，得出的拉力能夠較好滿足苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉構(gòu)的參數(shù)設(shè)計。

2.1.2 拉伸性能與葉柄直徑的關(guān)系 以試樣1的中部和頂部為試驗對象，按照葉柄直徑的大小從制備的試樣1中隨機(jī)抽取25個試驗樣本，進(jìn)行苧麻莖葉拉力測試，其試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，所取試樣葉柄的直徑范圍為2.5～4.5 mm，試樣1莖葉連接力變化范圍為8.313～19.544 N，其平均值為14.458 N。莖葉連接力變化的總體趨勢隨葉柄直徑增大而增大，局部有所波動。

2.2 苧麻莖葉沖擊載荷試驗結(jié)果

2.2.1 苧麻莖葉沖擊斷裂試驗結(jié)果 取試樣2中苧麻莖葉梢部的下部、中部與頂部區(qū)間樣本各20個，編號分別為1～20，21～40，41～60。其試驗結(jié)果見圖4。由圖4可知，編號1～20為試樣2頂部，莖葉沖擊斷裂能在0.029～0.042 J之間波動，其平均值為0.034 J；編號21～40為試樣2中部，莖葉沖擊斷裂能在0.028～0.070 J之間波動，其平均值為0.042 J；編號41～60為試樣2下部，莖葉沖擊斷裂能在0.024～0.056 J之間波動，其平均值為0.033 J。中部莖葉沖擊斷裂能平均值比頂部莖葉沖擊斷裂能平均值大0.008 J，頂部葉柄連接力平均值比下部莖葉連接力平均值大0.001 J，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J。莖葉沖擊斷裂能平均值變化趨勢為：中部最大，頂部次之，下部最小。因此，以苧麻莖葉中部、頂部制備的試樣2為試驗對象，得出的沖擊斷裂能能夠較好滿足苧麻莖稈脫葉動力裝置及苧麻聯(lián)合收割脫葉構(gòu)的參數(shù)設(shè)計。

2.2.2 沖擊斷裂性能與葉柄直徑的關(guān)系 以中部和頂部的試樣2為試驗對象，按照葉柄直徑的大小從制備的試樣2中隨機(jī)抽取25個試驗樣本，進(jìn)行苧麻莖葉拉力測試，其試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，所取試樣葉柄的直徑范圍為3.2～4.6 mm，試樣2莖葉沖擊斷裂能量變化范圍為0.032～10.056 J，其平均值為0.041 J。莖葉沖擊斷裂能量變化的總體趨勢隨葉柄直徑增大而增大，局部有所波動。

2.3 拉伸斷裂和沖擊斷裂分離效果

苧麻莖稈橫截面由外向內(nèi)依次為表皮層、韌皮部、形成層、木質(zhì)部和髓部，葉柄的外表皮與莖稈的外表皮相連，葉柄內(nèi)部通過維管束生長在莖稈韌皮部和木質(zhì)部上[19]。試樣1通過拉力測試和試樣2通過沖擊試驗后，試樣葉柄與莖稈斷裂分離狀態(tài)如圖6所示。在圖6a中，試樣1通過靜態(tài)拉伸試驗，葉柄所受的瞬態(tài)拉伸載荷較小，葉柄與莖稈連接的表皮層最先開裂，隨后葉柄與莖稈連接的維管束逐漸斷裂，最后葉柄與莖稈連接斷裂。在斷裂部位，葉柄與韌皮部呈現(xiàn)30°～45°斷裂斜口，葉柄上附著少量與韌皮部相連接的絲狀纖維。在圖6b中，試樣2通過動態(tài)沖擊試驗，葉柄所受的瞬間沖擊載荷較大，葉柄與莖稈間呈脆性斷裂，斷裂現(xiàn)象顯示葉柄與莖稈之間呈斷面分離，葉柄與莖稈連接部完全分離。在莖稈斷口部位上形成圓圈狀的凹陷，少數(shù)凹陷點(diǎn)可見木質(zhì)部，該現(xiàn)象表明葉柄生長在莖稈韌皮部上，少數(shù)葉柄通過維管束穿過韌皮部生長在莖稈木質(zhì)部上。

3 結(jié)論與討論

1）試驗結(jié)果表明，收割的苧麻梢部莖葉連接力范圍為2.153～22.685 N，莖葉連接力最大平均值為14.492 N。莖葉連接力平均值的變化趨勢為：中部最大，頂部次之，下部最小。莖葉拉伸性能與葉柄直徑的關(guān)系試驗中，連接力變化范圍為8.313～19.544 N，莖葉連接力變化呈現(xiàn)隨葉柄直徑增大而增大的總體趨勢，局部有所波動。收割的苧麻梢部莖葉沖擊斷裂能量范圍為0.024～10.056 J，莖葉沖擊斷裂能最大平均值為0.042 J。莖葉沖擊斷裂能平均值的變化趨勢為：中部最大，頂部次之，下部最小。莖葉沖擊性能與葉柄直徑的關(guān)系試驗中，沖擊斷裂能變化范圍為0.032～10.056 J，莖葉沖擊斷裂能變化呈現(xiàn)隨葉柄直徑增大而增大的總體趨勢，局部有所波動。由以上試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論可以為苧麻剝麻脫葉理論相應(yīng)證，為苧麻莖稈脫葉機(jī)構(gòu)及苧麻聯(lián)合收割脫葉機(jī)構(gòu)的設(shè)計和升級優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

2）通過對莖葉拉力測試和沖擊載荷試驗數(shù)據(jù)分析可知，莖葉連接力平均值和莖葉沖擊斷裂能平均值皆呈現(xiàn)中部最大，頂部次之，下部最小的變化規(guī)律。苧麻莖稈上生長的細(xì)胞，其發(fā)育隨著植株的生長，逐漸向上依次成熟，完全成熟的細(xì)胞停止生長，細(xì)胞壁顯著增厚成層，細(xì)胞腔縮小，細(xì)胞老化。梢部莖葉由下部至頂部，細(xì)胞的成熟的程度逐漸減小。下部成熟程度最高，連接葉柄與莖稈生長的維管束細(xì)胞老化，葉柄連接力和沖擊斷裂能較??；中部成熟程度稍小，連接葉柄與莖稈生長的維管束細(xì)胞生長旺盛，葉柄連接力和沖擊斷裂能較大，頂部成熟程度最小，連接葉柄與莖稈生長的維管束細(xì)胞生長發(fā)育程度略低，與中部相比葉柄連接力和沖擊斷裂能略小[19，20]。

3）中部和頂部的莖葉隨葉柄直徑增大，其連接力和沖擊斷裂能總體趨勢逐漸增大，但局部有所波動。葉柄生長在莖稈的韌皮部上，少數(shù)葉柄透過莖稈的表皮層、韌皮部和形成層生長在莖稈的木質(zhì)部上，并分散穿插生長在莖稈韌皮部的葉柄周圍。葉柄直徑越大，葉柄與莖稈連接的接觸面積越大，葉柄隨著直徑的增大，其連接力和抗沖擊斷裂能逐漸增大，所以呈現(xiàn)莖葉連接力和沖擊斷裂能總體逐漸增大的趨勢。生長在莖稈木質(zhì)部上的葉柄與莖稈連接的接觸面積比相鄰位置生長在莖稈韌皮部的葉柄與莖稈連接的接觸面積大，故生長在莖稈木質(zhì)部上葉柄的連接力和抗沖擊斷裂能比生長在莖稈韌皮部葉柄的連接力和抗沖擊斷裂能大，而生長在莖稈木質(zhì)部上的葉柄數(shù)量少且分散穿插生長在莖稈韌皮部的葉柄周圍，所以莖葉連接力和沖擊斷裂能出現(xiàn)局部波動的現(xiàn)象。

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