張琪琪等
摘要:為提高橡膠[Hevea brasiliensis(Willd. ex A. Juss.)Muell. Arg.]子粒綜合利用水平,研制高效率的橡膠籽粒脫殼裝置,對橡膠子粒的三維幾何尺寸、質(zhì)量、密度、破碎力、靜摩擦系數(shù)等物理特性進行了測定。結(jié)果表明,橡膠子粒的幾何平均直徑和算術(shù)平均直徑都隨著子粒含水率的增加而減小,當(dāng)含水率達到35.4%時出現(xiàn)最小平均直徑,分別為20.883、20.633 mm;橡膠子粒的球度隨著含水率的增大從0.850 增大到0.868,呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系;而表面積與含水率卻是出現(xiàn)先減小、后增大的變化,當(dāng)含水率為35.4%時,表面積出現(xiàn)最小值;橡膠子粒的單粒重、體積和密度與含水率均呈明顯的線性關(guān)系,都隨含水率的增大而增大;橡膠子粒在鋼板和木板上的靜摩擦系數(shù)變化范圍分別為0.254~0.331、0.222~0.417,且均呈明顯的線性增長;橡膠子粒在不同方向的破碎力與含水率的關(guān)系有所不同,長度方向和厚度方向的破碎力隨含水率升高呈線性下降趨勢,寬度方向則先減小、后增大。該研究結(jié)果可為橡膠子粒脫殼、榨油、分離等相關(guān)機械的設(shè)計生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并可為橡膠子物理特性研究提供原始的參數(shù)。
關(guān)鍵詞:橡膠[Hevea brasiliensis(Willd. ex A. Juss.)Muell. Arg.];子粒;物理特性;測定
中圖分類號:S794.1;S789.703 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:0439-8114(2015)18-4519-06
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.032
橡膠樹[Hevea brasiliensis(Willd. ex A. Juss.)Muell. Arg.]是一種原產(chǎn)于巴西的經(jīng)濟林木,其產(chǎn)出的天然橡膠被廣泛應(yīng)用在眾多的工業(yè)領(lǐng)域。世界上2/3的橡膠樹都種植在泰國、印度尼西亞、馬來西亞等東南亞熱帶地區(qū)。中國的橡膠年產(chǎn)量位居世界第六,其主要分布在海南、云南等省[1]。橡膠子是橡膠樹的副產(chǎn)物,由于含有大約40%~50%的油脂成分而具有潛在的應(yīng)用價值。國外已經(jīng)對橡膠子油的成分進行了相關(guān)研究[2],Kamalaka等[3]在橡膠子中發(fā)現(xiàn)了能夠用于汽車和液壓機器的醇酯類成分;Ramadhas 等[4]發(fā)現(xiàn)橡膠子中的油可以與柴油混合后作為內(nèi)燃機的燃料使用,而Geo等[5]則認(rèn)為橡膠子中的油可以直接用于發(fā)動機燃料使用,將成為一種生物柴油。國內(nèi)也做了相關(guān)的研究,趙瀛華等[6]提出了對橡膠子的殼進行處理后可以得到活性炭產(chǎn)品,這種活性炭可廣泛應(yīng)用到醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域;李世泰等[7]發(fā)現(xiàn)橡膠子油的脂肪酸不飽和度高達74.52%,而且還含有17.72%的α-亞麻酸,遠高于大豆油、菜子油等,具有一定的營養(yǎng)價值,經(jīng)過處理后可以用于食品加工等領(lǐng)域。現(xiàn)在全世界對于橡膠子的利用率十分低,大多均被廢棄并造成資源浪費,僅有少部分經(jīng)過簡單的加工作為礦選劑和油漆原料使用,農(nóng)業(yè)播種造橡膠林是主要的用途[8]。國內(nèi)對橡膠子利用率不高的主要原因是加工水平不高,脫殼、榨油、分離等機械化加工效率落后,因此開發(fā)橡膠子的脫殼裝置加工機械就成為橡膠子副產(chǎn)品綜合利用的關(guān)鍵。對橡膠子的物理特性進行測試分析,可為橡膠子加工脫殼機、壓榨機設(shè)計提供技術(shù)依據(jù),也可為橡膠子的運輸、儲藏、包裝等處理方案的選取提供一定的參數(shù)。國內(nèi)外已有對農(nóng)作物子粒物理特性的研究報道,Aydin[9,10]對榛子(Corylus heterophylla Fisch.ex Trautv.)和扁桃(Amygdalus communis L.)的果實與子粒的物理特性進行了試驗總結(jié),并發(fā)現(xiàn)各個參數(shù)與含水率之間的關(guān)系; Manuwa等[11]對乳木果(Butyrospermum parkii Kotschy)的力學(xué)性能進行了分析,測試了收割力、收割過程中的變形和能量損耗;包清彬等[12]測定了3種不同雜交稻谷粒的物理特性參數(shù),對比普通的水稻(Oryza sativa L.)谷??偨Y(jié)出了雜交稻谷粒的物理特性;然而國內(nèi)外對于橡膠子粒的基本物理特性測定還鮮見報道。為此,試驗通過一系列的測定,檢測出橡膠子粒的一些基本物理參數(shù),并總結(jié)出各個參數(shù)與橡膠子粒含水率之間的關(guān)系規(guī)律,以期為橡膠子相關(guān)加工機械的設(shè)計提供基本的數(shù)據(jù)支持與參考。
1 材料與方法
1.1 材料
橡膠成熟果實于2014年12月采自海南省瓊海市的橡膠林;采下后用錘擊法去外殼留子粒。經(jīng)清洗后人工篩選,去除不成熟、破損以及蟲蛀的子粒,然后隨機分為4組,儲存在海南大學(xué)機電工程學(xué)院實驗室內(nèi)。
1.2 測定方法
1.2.1 橡膠子粒含水率 為了測試含水率對橡膠子粒不同物理特性的影響,將4組橡膠子粒分別裝在含有足夠多蒸餾水的聚乙烯密封袋中,并在5 ℃的冰箱中分別存放0、48、72、96 h,以獲得不同的子粒含水率處理。含水率測定前,先將子粒放在沒有水的密封袋中以保持既定含水率,然后將其置于常溫下數(shù)小時直至恢復(fù)至室溫,以消除溫度對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響,最后每組選取10粒進行含水率檢測。含水率參照文獻[13]中的105 ℃恒重法檢測,該方法測得此次試驗所用橡膠子粒的含水率分別為12.5%、33.6%、35.4%和43.5%。
1.2.2 橡膠子粒尺寸 橡膠子粒的長度(L)、寬度(W)、厚度(T)是用精確度為0.01 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定的,其中,每個子粒每種數(shù)據(jù)分別測3次,取平均值。3個方向數(shù)據(jù)的定義如圖1所示。
1.2.3 橡膠子粒規(guī)格的有關(guān)數(shù)據(jù)計算 橡膠子粒的算術(shù)平均直徑Da(mm)計算公式為:
Da=■, (1)
橡膠子粒的幾何平均直徑Dg(mm)計算公式為:
Dg=■, (2)
橡膠子粒的球度φ(%)采用Mohsenin[14]的公式進行計算,公式為:
φ=■×100%, (3)
橡膠子的表面積S(mm2)參照Barych[15]的定義進行計算,公式為:
S=π×Dg2, (4)
1.2.4 橡膠子粒質(zhì)量 由于單粒橡膠子粒的質(zhì)量較小,所以采用精度為0.001g的分析天平測量,測量時,每組含水率處理中各隨機選取10粒橡膠子粒逐個測量,重復(fù)3次,取均值。
1.2.5 橡膠子粒與不同材料接觸的靜摩擦系數(shù)的測定 橡膠子粒靜摩擦系數(shù)可以表征橡膠子粒與不同材料表面接觸的滑動性能。試驗以拋光過的金屬(鋼板)表層和粗糙的木制品(木版)表層為對象,選取這2種材料測量含水率不同處理的橡膠子粒靜摩擦系數(shù)。測量時,隨機從每組含水率處理的橡膠子粒中各選取10粒,依次放在2種材料的中部,緩慢增大材料與水平面之間的角度,子粒剛要開始下滑時,迅速用萬能量角器測量板材與水平面之間的角度,重復(fù)3次,取均值。
靜摩擦系數(shù)的計算公式引用Dursun等[16]的方法,公式為:
μ=tan·α, (5)
式中,μ為摩擦系數(shù),α為摩擦角(deg)。
1.2.6 橡膠子粒密度 橡膠子粒的密度ρ的測定參照文獻[17]的方法。
1.2.7 橡膠子粒沿不同軸向的破碎力分析 由于橡膠子粒不是標(biāo)準(zhǔn)的球體,不同方向上的受力有所不同,所以測定橡膠子粒在長度、寬度、厚度方向上的破碎力對于研究橡膠子粒的破碎性能是必要的。測試時,在不同含水率處理的橡膠子粒中隨機各抽取10粒,分別以長、寬、高(厚)3個方向固定在AWD-200B型電子式萬能試驗機工作臺上,以相同的速度施加壓力,觀察并記錄數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中顯示的橡膠子粒破碎力[18]。每個方向重復(fù)3次,取均值,并將長、寬、高(厚)方向上的破碎力分別記為FL、FW、FT。
1.2.8 橡膠子粒殼厚測定 在上述破碎試驗結(jié)束后,取若干不同含水率的橡膠子粒外殼,用精確度為0.01 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定其厚度,記為Ti,單位為mm。
1.3 數(shù)據(jù)處理
試驗所得數(shù)據(jù)應(yīng)用Microsoft Office Excel 2010軟件進行處理并繪圖,采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行回歸分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 橡膠子粒尺寸與含水率的關(guān)系
試驗測定的4個含水率處理的橡膠子粒尺寸情況見表1。由表1可知,隨著含水率從12.5%增大到43.5%,橡膠子的3個方向尺寸呈現(xiàn)出不同的變化。寬度隨著含水率的增加從21.241 mm增加到21.969 mm;長度和厚度卻隨著含水率的增加而減小。然而,黃會明[19]對栝樓(Trichosanthes kirilowii Maxim.)子粒物理特性的測定中發(fā)現(xiàn),栝樓子粒的長度、寬度、厚度都隨著含水率的增長呈現(xiàn)出先增加、后減小的變化趨勢;Manuwa[11]卻發(fā)現(xiàn)乳木果的這3個尺寸都隨著含水率的增加而減小。由此可見,不同作物子粒的長、寬、高尺寸與子粒自身含水率的關(guān)系有所不同,所以在橡膠子粒相關(guān)加工機械設(shè)計時,應(yīng)考慮到不同含水率對子粒寬度方向的增加以及長度和厚度方向的減小等各方面的影響。
2.2 橡膠子粒直徑與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒直徑與含水率的關(guān)系情況見表2。由表2可知,橡膠子粒的幾何平均直徑和算術(shù)平均直徑都隨著子粒自身含水率的增加呈現(xiàn)出先減小、后增加的變化趨勢,且當(dāng)含水率為35.4 %時,2種平均直徑均達到最小值,圖2更清楚的反映出了這一變化?;貧w分析結(jié)果顯示,幾何平均直徑與含水率的回歸方程y=0.034 5x2-0.239 5x+21.321,R2=0.916 4,幾何平均直徑y(tǒng)與含水率x呈現(xiàn)出較好的非線性關(guān)系。算術(shù)平均直徑與含水率的回歸方程y=0.042 9x2-0.293 5 x+21.146,R2=0.859 9,算術(shù)平均直徑y(tǒng)與含水率x也呈現(xiàn)出較好的非線性關(guān)系。因此,在設(shè)計及應(yīng)用中考慮到橡膠子粒平均最小直徑時,應(yīng)選取含水率為35.4%左右的子粒為宜。
2.3 橡膠子粒球度和表面積與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒球度與含水率的關(guān)系情況見圖3。由圖3可知,橡膠子粒的球度隨著含水率的增大從0.850增大到0.868;回歸分析結(jié)果顯示,橡膠子粒球度與含水率的回歸方程y=0.005x+0.847 7,R2=0.615 5,橡膠子粒球度y與含水率x呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。這與在刺山柑(Capparis spinosa L.)[20]和麻類(Cannabis sativa L.)種子[21]的研究結(jié)果相同。
試驗測定的橡膠子粒表面積與含水率的關(guān)系情況見圖4。由圖4可知,橡膠子粒表面積與含水率不呈線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)先減小、后增大的變化趨勢;回歸分析結(jié)果顯示,橡膠子粒表面積與含水率的回歸方程y=4.939 7x2-33.707x+1 433.7,R2=0.898 8,當(dāng)含水率為35.4%時表面積出現(xiàn)最小值;這個規(guī)律與文獻[19]的栝樓和文獻[21]中的麻類等作物的子粒有所不同。
2.4 橡膠子粒的質(zhì)量、體積、密度與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒質(zhì)量(單粒重)與含水率的關(guān)系情況見圖5。由圖5可知,橡膠子粒的單粒重隨著含水率的增加從2.23 g增加到4.35 g;回歸分析結(jié)果顯示,橡膠子粒單粒重與含水率的回歸方程y=0.698x+1.375,R2=0.953 4,橡膠子粒單粒重與含水率呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,這與文獻[20]的刺山柑和文獻[22]的豇豆(Vigna sinensis L.)等作物的試驗結(jié)果相同,說明水分是作物子粒的主要組成部分,對作物子粒的干燥是減輕子粒重量的一種方式。
試驗測定的橡膠子粒體積與含水率的關(guān)系情況見圖6。由圖6可知,橡膠子粒的體積隨著含水率的增長從4.0 mm3 增長到6.0 mm3;回歸分析結(jié)果顯示,橡膠子粒體積與含水率的回歸方程y=0.625x+3.125,R2=0.905 5,橡膠子粒體積與含水率呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系;這與文獻[19]中的栝樓子粒線性增長關(guān)系相同,說明作物子粒吸水后體積膨脹,即含水率高的作物子粒體積就大。
試驗測定的橡膠子粒密度與含水率的關(guān)系情況見圖7。由圖7可知,橡膠子粒的密度與含水率的關(guān)系也是線性增長關(guān)系,隨著含水率的增長,子粒密度從0.558 g/cm3增長到0.725 g/cm3,回歸方程y=0.050 4x+0.065,R2=0.902 6。這與櫻桂(Prunus lauracerasus L.)[23]和美洲南瓜(Cucurbita pepo L.)[24]子粒的增長規(guī)律相似,但是與麻類[21]、刺山柑[20]和榛子[25]的子粒相比卻呈現(xiàn)出完全不同的變化規(guī)律,這些作物的子粒密度均隨含水率的增長而降低。
2.5 橡膠子粒的靜摩擦系數(shù)與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒在不同材料(金屬鐵、木材)表面的靜摩擦系數(shù)與含水率之間的關(guān)系情況見圖8。從圖8可見,橡膠子粒在金屬鐵(鋼板)和木材表面的靜摩擦系數(shù)均隨著含水率的增長而增長,其中木材表面的靜摩擦系數(shù)從0.222增長到0.417,回歸方程y=0.056 2x+0.216 1,R2=0.634 2;金屬鐵(鋼板)表面的靜摩擦系數(shù)從0.254增長到0.331,回歸方程y=0.025 8x+0.241 8,R2=0.808 7。木材表面的靜摩擦系數(shù)比金屬鐵表面的靜摩擦系數(shù)要大,這與木材表面較為粗糙有關(guān),這個結(jié)果與劍麻[21]、刺山柑[20]和榛子[25]的研究結(jié)果相似。
2.6 橡膠子粒的破碎力與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒長度、寬度、厚度的破碎力與含水率之間的關(guān)系情況分別見圖9、圖10、圖11。從圖9、圖11來看,橡膠子粒長度和厚度方向的破碎力與含水率呈現(xiàn)線性減小的趨勢;長度方向的破碎力從0.369 kN減小到 0.259 kN,回歸方程y= -0.033 3x+0.382 5,R2=0.804 6;厚度方向的破碎力從 0.371 kN減小到 0.242 kN,回歸方程y=-0.040 4x+0.398 7,R2=0.932 5。但從圖10來看,橡膠子粒寬度方向的破碎力卻呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系,寬度方向的破碎力先從0.325 kN減小到0.267 kN,然后再增長到0.294 kN,回歸方程y=0.019 7 x2-0.107 2x+0.409 9,R2=0.942 4;含水率大約在35.4%時產(chǎn)生了最小的破碎力。這可能是由于橡膠子粒的寬度隨含水率的增長而增大,使得寬度方向的殼厚度變薄、受力時容易破碎造成的。值得注意的是,前面測定的橡膠子粒平均直徑和表面積也在含水率為35.4%左右時出現(xiàn)最小值,因此在橡膠子粒相關(guān)加工機械的設(shè)計研發(fā)時,要尤其注意橡膠子粒含水率在35.4%時的各個基本物理特征的變化,從而使設(shè)計出來的橡膠子粒加工機械具有寬泛、實效、造價合理等特點。不過櫻桂[23]、南瓜[24]等作物的種子寬度破碎力則隨著種粒含水率的增長而減小,這應(yīng)該是不同種類植物種子特性的使然而已。
2.7 橡膠子粒殼厚度與含水率的關(guān)系
試驗測定的橡膠子粒殼厚度與含水率之間的關(guān)系情況見圖12。從圖12可見,橡膠子粒的殼厚度隨著含水率的增長先減小、后增大,由0.870 mm降至0.839 mm,后又增至0.877 mm,回歸方程y=0.016 7x2-0.081 1x-0.934 4,R2=1;在33.6%~35.4%區(qū)間出現(xiàn)最小值。這一現(xiàn)象證實橡膠子粒在寬度方向的破碎力于含水率約為35.4%時出現(xiàn)最小值是由于此時橡膠子粒的殼厚度最薄引起的,此部位受到外力的作用時容易破碎。
3 小結(jié)
通過測定橡膠子粒在不同含水率12.5%、33.6%、35.4%、43.5%條件下各種基本物理參數(shù),并將各種參數(shù)與橡膠子粒的含水率之間做相關(guān)分析后,得到主要結(jié)論如下:
1)隨著含水率從12.5%增大到43.5%,橡膠子粒的3個方向尺寸呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。寬度隨著含水率的增加從21.241 mm增加到21.969 mm;長度和厚度卻隨著含水率的增長而減小,分別從24.601 mm減小到23.835 mm、從17.475 mm減小到16.976 mm。
2)橡膠子粒的幾何平均直徑和算術(shù)平均直徑都隨著含水率的增加呈現(xiàn)出先減小、后增加的非線性變化趨勢,并且都在含水率達到35.4%時出現(xiàn)最小平均直徑,分別為20.883 mm和20.633 mm。
3)橡膠子粒的球度隨著含水率的增大從0.850 增大到 0.868,呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。而表面積隨著含水率的增大出現(xiàn)先減小、后增大的變化趨勢,當(dāng)含水率為35.4%時,表面積出現(xiàn)最小值。
4)橡膠子粒單粒重、體積和密度與含水率均呈明顯的線性關(guān)系。都隨含水率的增大而增大,變化范圍分別為2.23~4.35 g、4.0~6.0 mm3和0.558~0.725 g/cm3。
5)隨著含水率由12.5%到43.5%的變化,橡膠子粒在鋼板和木板上的靜摩擦系數(shù)變化范圍分別為0.254~0.331、0.222~0.417,且均呈明顯的線性增長。
6)橡膠子粒在不同方向的破碎力與含水率的關(guān)系有所不同,長度方向和厚度方向的破碎力隨含水率升高呈線性下降趨勢,變化范圍分別為0.369~0.259 kN、0.371~0.242 kN。而寬度方向的破碎力則表現(xiàn)出0.325 kN到0.267 kN再到0.294 kN的非線性關(guān)系,在含水率為35.4%時出現(xiàn)最小值。
7)隨含水率的升高,橡膠子粒殼厚度表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系,殼厚隨著含水率的增長先由0.870 mm降低至0.839 mm,然后增至0.877 mm。
總的來看,橡膠子粒的表面積、平均直徑、寬度方向的破碎力以及殼厚度均在子粒含水率約為35.4%時出現(xiàn)最小值,這提醒設(shè)計人員在橡膠子粒的相關(guān)研究及加工機械的研發(fā)中應(yīng)注意這些參數(shù)的影響。試驗所得到的數(shù)據(jù)可以為橡膠子粒相關(guān)的加工機械與系統(tǒng)(如脫殼機、榨油機、加工設(shè)備、包裝設(shè)備、運輸系統(tǒng)、儲藏方式等)的設(shè)計與運行提供合理可靠的參考依據(jù)。
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