于 淼，姚立紅，闞江明，徐道春

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

應用實踐

基于含水率的無患子物理性質的測定

于 淼，姚立紅，闞江明，徐道春

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

為了給無患子加工機械的研發(fā)提供設計依據(jù)和理論基礎，需要對無患子的物理特性及機械特性進行研究，如無患子的三維尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、靜摩擦系數(shù)等，并研究一些物理性質隨含水率的變化關系。結果表明：無患子果及無患子種子的三維尺寸、粒子密度、體積密度、無患子果皮及無患子種子與其他材料的靜摩擦系數(shù)隨含水率的升高而增大；無患子果及無患子種子的孔隙率、無患子種子(除長度方向)的壓縮破壞載荷隨含水率的升高而減小。

無患子；含水率；物理性質；力學特性

無患子，又名木患子、肥皂樹、洗手果等。無患子為無患子目無患子科，屬落葉喬木。無患子分布于熱帶和亞熱帶，包括亞洲、美洲、大洋洲，在我國分布于淮河以南地區(qū)[1]，其海拔分布為200～1 500 m[2]。無患子在農業(yè)、醫(yī)療、物化等領域有著廣泛的應用。無患子的果皮含有皂素，用手揉搓便會產生泡沫，手感細膩，去污力強，用于生產牙膏、洗發(fā)水、肥皂等。此外無患子還有止咳、化痰、治療退燒等功效。無患子種仁含油率高，可達42.7%[3]，是一種新型的制備生物柴油的原料[4]。

目前，許多學者對不同果實的物理機械特性進行了研究。邵文豪[5]等對我國無患子分布區(qū)7個產地的種實形態(tài)性狀及種仁含油率進行了取樣測定，但沒有研究相關物理性質隨含水率的變化關系。李洪昌[6]、趙小廣[7]、王旭東[8]、袁巧霞[9]、李心平[10]等分別對水稻籽粒、蓮子、荔枝、銀杏、玉米籽粒的物理參數(shù)如果實的三維尺寸、摩擦系數(shù)、密度、含水率、壓縮破壞載荷等進行了研究，為相關果實生產機械的設計提供了參考，但并沒有研究果實的物理性質隨含水率的變化關系。

無患子脫殼是其加工再利用的關鍵環(huán)節(jié)。目前，我國無患子的粗加工十分落后，幾乎全是手工操作。為了無患子產業(yè)的發(fā)展，需要研制一種高效、針對性強的無患子脫殼裝備，有必要研究無患子的物理機械特性。本文不僅研究了無患子的物理機械特性，如三維尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、靜摩擦系數(shù)、壓縮破壞載荷等，還對無患子的物理機械特性隨含水率的變化關系做了部分研究。這些物理機械特性及其隨含水率的變化關系可為設計無患子相關生產裝備提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

無患子果：采自福建省建寧縣無患子種植基地，采摘時間為2015年11月，試驗時間為2016年5—6月，剔除雜質、破裂的和不成熟的無患子果，將采回的無患子果裝在密封袋中放入冰箱中冷凍保存，試驗前將無患子果處理為4種含水率。

ZN17-TD20002A電子天平，電子游標卡尺(0～150 mm)，GZX-9030MBE電熱鼓風干燥箱，角度測量儀(225度角度尺)，RGM4050電子萬能材料試驗機，角度可調平面，稱量瓶，干燥器，水平儀，橡膠板，木板，燒杯，量筒，小鐵塊，細線等。

1.2 試驗方法

1.2.1 含水率的測定

分別測量無患子果、無患子果皮、無患子種子的含水率。精確稱取若干試樣于潔凈干燥的稱量瓶中，質量記為m1，置于烘箱105℃下4～6 h。將稱量瓶移入干燥器中冷卻30 min，稱重后再烘干1 h,冷卻稱重，直到試樣達到恒重，質量記為m2。4種含水率的樣本中每組做3次平行試驗，取平均值。含水率用濕基表示法表示[11]。

(1)

式中：Mw為濕基含水率，%；m1為試樣干燥前質量，g；m2為試樣干燥后質量，g；

1.2.2 無患子果千粒重的測定

隨機挑選3組相同含水率的無患子果各100粒，用電子天平稱量，結果取平均值，得到的結果乘以10得到無患子果的千粒重。

1.2.3 無患子果及無患子種子三維尺寸的測量

隨機選取不同含水率的無患子果和無患子種子各100粒，用電子游標卡尺測量樣品的長度、寬度、厚度，如圖1所示。無患子種子的長度、寬度、厚度方向與無患子果的方向相同。無患子果外形近似球形，其三維尺寸用算術平均直徑、幾何平均直徑、球度來衡量。

(2)

(3)

(4)

式中：L為長度，mm；W為寬度，mm；T為厚度，mm；Da為算術平均直徑，mm；Dg為幾何平均直徑，mm；φ為球度；D為L、W、T中的最大值，mm。

圖1 無患子果的三維尺寸方向

1.2.4 無患子果、無患子種子的粒子密度和體積密度的測量

采用懸浮法[11]測量試樣的粒子密度，每組含水率的試樣測量5次，結果取平均值。

(5)

式中：ρ為樣品的粒子密度，g/cm3；m為樣品的質量，g；v為樣品的體積，cm3。

測量體積密度需使用電子天平和500mL量筒。將量筒放在天平上，將天平示數(shù)清零,在量筒中填入無患子果或無患子種子，分別讀出天平和量筒的示數(shù)，每組含水率的試樣測量5次，結果取平均值。

(6)

式中：ρb為樣品的體積密度，g/cm3；mb為樣品的質量，g；vb為樣品在量筒中的體積，cm3。

1.2.5 無患子果、無患子種子孔隙率的計算

孔隙率是通過粒子密度與體積密度計算得到的。

(7)

式中：p為孔隙率，%；ρb為樣品的體積密度，g/cm3；ρ為樣品的粒子密度，g/cm3。

1.2.6 靜摩擦系數(shù)的測量

分別測量不同含水率的無患子果皮和無患子種子與多種不同材料的靜摩擦系數(shù)，材料包括：丁晴橡膠板、聚氨酯橡膠板、硅橡膠板、鍍鋅鋼板、不銹鋼板、木板及玻璃。制作無患子果皮的試樣時采用完整的無患子果。無患子果皮中含有黏稠的汁液，如果將無患子果皮剝下來制作試樣將會影響測量。將被測的材料平鋪并用夾子夾在角度可調平面上，用水平儀調整水平，并將準備好的試樣放在角度可調平面上，緩慢增加平面的角度，當試樣恰可下滑，用角度測量儀測量該角度記為θ。靜摩擦系數(shù)用以下公式計算。

μ=tanθ

(8)

式中：μ為靜摩擦系數(shù)；θ為角度可調平面與水平面夾角。

1.2.7 無患子果、無患子種子的壓縮試驗

試樣按長度、寬度、厚度方向進行壓縮試驗，試樣放在電子萬能材料試驗機下壓板的中央部位，下壓板靜止不動，上壓板以5 mm/min的速度緩慢向下勻速運動，上壓板接觸到試樣時，顯示屏開始顯示壓力數(shù)據(jù)，當試樣破裂時，壓力驟減而自動停機，自動記錄下力的最大值(壓縮破壞載荷)，不同放置方式下每種含水率的試樣重復做5次試驗，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 無患子的含水率

無患子的含水率如表1所示，分別用于后續(xù)的試驗研究。

表1 無患子含水率 %

2.2 無患子果的千粒重

含水率為31.42%的無患子果的千粒重如表2所示。

表2 無患子果的千粒重 g

2.3 無患子果及無患子種子的三維尺寸

不同含水率的無患子果和無患子種子的三維尺寸見表3和表4。

從表3可以看出，無患子果的長度、寬度、厚度隨含水率的升高而增加，含水率從5.4%升高到31.42%，無患子果的長度、寬度、厚度分別從19.21 mm 增加到20.48 mm、從21.89 mm增加到23.62 mm、從17.70 mm增加到19.50 mm。在同一含水率下無患子果的寬度最大，厚度最小，其算術平均直徑和幾何平均直徑隨含水率的升高而增加，含水率從5.4%升高到31.42%，其算術平均直徑和幾何平均直徑分別從19.60 mm增加到21.20 mm、從19.52 mm增加到21.13 mm。

從表4可以看出，無患子種子的三維尺寸隨含水率的變化規(guī)律與無患子果的三維尺寸隨含水率的變化規(guī)律相似，也是隨含水率的升高而增加，含水率從3.26%升高到22.73%，其長度、寬度、厚度分別從13.32 mm增加到15.30 mm、從14.02 mm增加到15.36 mm、從11.70 mm增加到13.15 mm。無患子種子的算術平均直徑和幾何平均直徑隨含水率的升高而增加，含水率從3.26%升高到22.73%，其算術平均直徑和幾何平均直徑分別從13.01 mm增加到14.60 mm、從12.98 mm增加到14.57 mm。Aviara[12]、Oloyede[13]、謝麗娟[14]、劉明國[15]等分別研究乳木果、辣木果、蓮子、花生的三維尺寸隨含水率的變化關系，都得到了相似的結論。

表3 不同含水率無患子果的三維尺寸

表4 不同含水率無患子種子的三維尺寸

2.4 無患子果及無患子種子的粒子密度、體積密度及孔隙率

不同含水率無患子果、無患子種子的粒子密度、體積密度及孔隙率如表5和表6所示。

從表5可以看出，無患子果的粒子密度和體積密度隨含水率的升高而增大，含水率從5.40%升高到31.42%，其粒子密度從0.788 g/cm3增大到 0.897 g/cm3，其體積密度從0.337 g/cm3增大到0.442 g/cm3。無患子果的粒子密度小于水的密度。無患子果的含水率從5.40%升高到31.42%，其孔隙率從57.23%下降到50.72%。

從表6可以看出，無患子種子的粒子密度和體積密度隨含水率的升高而增大，含水率從3.26%升高到22.73%，其粒子密度從1.056 g/cm3增大到 1.159 g/cm3，其體積密度從0.404 g/cm3增大到0.488 g/cm3。無患子種子的粒子密度大于水的密度。無患子種子的含水率從3.26%升高到22.73%，其孔隙率從61.74%下降到57.89%。Aviara等[16-17]研究乳木果、辣木種子的粒子密度及體積密度，得到了相似的結論。

表5 不同含水率無患子果的粒子密度、 體積密度及孔隙率

表6 不同含水率無患子種子的粒子密度、 體積密度及孔隙率

2.5 無患子果皮、無患子種子與不同材料的靜摩擦系數(shù)

表7和表8分別列出了不同含水率的無患子果皮、無患子種子與不同材料的靜摩擦系數(shù)。

從表7可以看出，無患子果皮與不同材料的靜摩擦系數(shù)隨含水率的升高而增大，在同一含水率下，無患子果皮與丁晴橡膠板的靜摩擦系數(shù)最大，與聚氨酯橡膠板的靜摩擦系數(shù)最小。

從表8可以看出，無患子種子與不同材料的靜摩擦系數(shù)隨含水率的升高而增大，在同一含水率下，無患子種子與丁晴橡膠板的靜摩擦系數(shù)最大，與聚氨酯橡膠板的靜摩擦系數(shù)最小。Aviara等[16-17]研究乳木果、辣木果與其他材料的靜摩擦系數(shù)，得到了相似的結論。

表7 無患子果皮與不同材料的靜摩擦系數(shù)

表8 無患子種子與不同材料的靜摩擦系數(shù)

2.6 無患子果與無患子種子的壓縮試驗

無患子果含水率較高時，果皮較軟，在試驗機上壓頭壓力作用下，無患子果皮雖然產生了顯著變形，但果皮并沒有破裂，上壓頭繼續(xù)向下移動,種子被壓碎。在所測含水率17.58%～37.56%的果皮都不能被壓碎。果皮含水率在此范圍的無患子，在研制脫殼裝備時，不能只靠擠壓來脫殼，還要配合其他動作。果皮的含水率為8.56%時無患子果較硬，在壓縮過程中，果皮有明顯的破壞載荷。果皮含水率為8.56%的無患子果在各方向的壓縮破壞載荷見表9，無患子種子在各方向的壓縮破壞載荷見表10。

表9 果皮含水率為8.56%的無患子果 壓縮破壞載荷 N

表10 無患子種子的壓縮破壞載荷(均值) N

從表9可以看出，無患子果長度方向的壓縮破壞載荷最大。從表10可以看出，無患子種子在長度方向上其壓縮破壞載荷一開始隨含水率的升高而減小，然后隨著含水率的升高，其壓縮破壞載荷增大；在寬度和厚度方向上，無患子種子的壓縮破壞載荷均隨含水率的增加而減小。李心平[10]、Oloyede[13]、王新忠[18]等分別研究玉米、辣木果、銀杏的壓縮破壞載荷與含水率的關系，得到了相似的結論。

3 結 論

本文研究了無患子的一些物理機械特性，如三維尺寸、含水率、千粒重、密度、孔隙率、靜摩擦系數(shù)、壓縮破壞載荷等，并研究了一些物理機械特性隨含水率的變化關系，經過試驗研究，得出的主要結論為：①含水率為31.42%的無患子果的平均千粒重為4 627.0 g；②無患子果、無患子種子的三維尺寸、粒子密度、體積密度均隨含水率的升高而增大；③無患子果及無患子種子的孔隙率、無患子種子(除長度方向)的壓縮破壞載荷均隨含水率的升高而減小；④無患子果皮、無患子種子與其他材料的靜摩擦系數(shù)隨含水率的升高而增大；⑤同一含水率下，無患子果皮、無患子種子與丁晴橡膠板的靜摩擦系數(shù)最大，與聚氨酯橡膠板的靜摩擦系數(shù)最小。

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Determination of physical properties ofSapindusmukorossiGaertn based on moisture content

YU Miao, YAO Lihong, KAN Jiangming, XU Daochun

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to provide design and theoretical basis forSapindusmukorossiGaertn processing machinery, the physical and mechanical properties ofSapindusmukorossiGaertn were investigated, including basic dimensions, moisture content, thousand kernel weight, density, porosity and static coefficient of friction etc. The relationship between some physical properties and moisture content was studied. The results showed that the basic dimensions, particle density, bulk density ofSapindusmukorossiGaertn fruit andSapindusmukorossiGaertn seed,and static coefficient of friction betweenSapindusmukorossiGaertn fruit peel and seed and other materials increased with moisture content increasing. The porosity ofSapindusmukorossiGaertn fruit andSapindusmukorossiGaertn seed, and the compressive failure load ofSapindusmukorossiGaertn seed(except length direction) decreased with moisture content increasing.

SapindusmukorossiGaertn; moisture content; physical property; mechanical property

2016-10-18；

2017-02-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2015ZCQ-GX-02)

于 淼(1990)，男，在讀碩士,研究方向為森林工程裝備及其自動化(E-mail)yumiaobjfu@163.com。

姚立紅，副教授，碩士生導師(E-mail)yaolihong@bjfu.edu.cn。

TS223; TQ643

A

1003-7969(2017)06-0143-05