苎麻茎叶的力学特性测试研究

摘要：为了揭示苎麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]茎叶连接力及其冲击断裂能量的分布规律，以收获期二麻为试验对象，参照GB/T 1040-2006及GB/T 1843-2008试验标准，采用HD-B604-S电脑伺服式拉力试验机与TF-2056B悬臂梁冲击试验机，对分布于不同部位的连接苎麻麻叶与茎秆的叶柄分别进行了静态拉力测试试验和动态冲击断裂试验，获取茎叶连接力和茎叶冲击断裂能。结果表明，中部茎叶连接力平均值最大，顶部次之，下部最小，茎叶连接力最大平均值为14.492 N；中部茎叶冲击断裂能平均值最大，顶部次之，下部最小，茎叶冲击断裂能最大平均值为0.042 J；中部与顶部的茎叶随叶柄直径增大，其连接力和冲击能量总体趋势逐渐增大而局部波动。该试验研究可为苎麻茎秆脱叶机构及苎麻联合收割脱叶机构设计提供理论依据。

关键词：苎麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]；茎叶；连接力；冲击断裂能量；脱叶机

中图分类号：S563.1；TB301 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2489-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.10.050

苎麻[Boehmeria nivea （L.） Gaudich.]有着悠久的栽培历史，是古老的纤维作物之一，中国的苎麻产量占世界苎麻总产量的90%以上，处于优势地位[1]。苎麻纤维是天然的纺织原材料，苎麻叶可制成饲料、药物，还可以作为有机肥料，用途广泛。对苎麻纤维和苎麻叶的综合利用，需先脱落茎秆上的苎麻叶，然后再对苎麻秆进行剥麻、分纤加工。传统的加工方法为人工脱叶、剥麻，费工费时，为了实现高效率、高质量的苎麻茎秆机械化收割脱叶及茎秆纤维剥离，研究苎麻茎叶的力学特性具有重要意义。目前，国内外专家对木材、竹材、小麦（Triticum aestivum Linn.）茎秆、玉米（Zea mays L.）秸秆、苎麻茎秆等植物秸秆的拉伸特性、抗冲击特性、断裂行为等力学性能进行了研究[2-7]。高梦祥等[8]对玉米秸秆的茎叶连接力、叶鞘的抗拉特性和茎秆、叶鞘的抗冲击特性进行了测试；李耀明等[9]对水稻穗头子粒与粒柄、粒柄与枝梗、枝梗与主茎秆之间的连接力进行了测定，结果表明不同类型的水稻品种、不同部位、不同含水率、不同受力方向等对连接力都有明显影响；黄震等[10]对收获前油菜植株茎秆与分枝、茎秆与角果的连接力随生长时间和位置的变化进行研究，结果表明沿植株的生长方向主茎秆与角果连接应力值有变小趋势，至成熟期主茎秆及分枝与角果连接应力值趋于稳定。

国内外学者对苎麻的研究主要集中于苎麻茎秆力学性能与机械性能参数[11-13]、苎麻纤维复合材料[14，15]、苎麻纤维改性[16]上，尚未开展有关苎麻茎叶的力学特性方面的研究。本研究通过对苎麻茎叶连接力测试与茎叶冲击断裂试验，研究了苎麻茎叶连接力及其冲击断裂能量的分布规律和变化情况，以期为苎麻茎秆脱叶动力装置及苎麻联合收割脱叶机构设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 苎麻茎秆样本于2014年8月上旬取自咸宁市苎麻试验站试验田种植的华苎4号二麻。茎秆通直无病，株高范围为1.7～1.9 m，成熟苎麻茎秆高1.2～1.9 m处（苎麻梢部）含茎叶，麻秆高0～1.2 m区间茎叶已自然脱落。如图1所示，将苎麻梢部按1.2～1.5 m，1.5～1.7 m，1.7～1.9 m划分为3个区间段，分别对应下部、中部与顶部。

1.1.2 仪器 HD-B604-S电脑伺服式拉力试验机，购于东莞市海达（国际）仪器有限公司，最大行程为1 000 mm，测试速度30～300 mm/s，配备两个传感器，其量程分别为2 500、5 000 N；TF-2056B悬臂梁冲击试验机，购于东莞市海达（国际）仪器有限公司，冲击量程分别为11、12 J。

1.2 样品的制备

将苎麻茎秆按照表1中的规格处理苎麻样品，分别制备拉力试验和冲击载荷试验样品。试样1的制备参照GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能试验方法》标准进行，试样2的制备参照GB/T 1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》标准进行。

1.3 苎麻茎叶拉力试验

苎麻年收3次，分为头麻、二麻和三麻。苎麻茎秆的性能参数是在某一范围值内变化，不能用某一具体数值来描述[11]。二麻收割期正是南方高温时节，选择二麻作为研究对象具有较好的代表性。通过选择二麻作为研究对象，其冲击断裂能参数可作为一个参考基准值，以此为基准可对脱叶机构参数做相应变化选择，同时可为头麻、三麻脱叶机构做参考。该试验参照和借鉴木材、塑料等其他材料拉伸测试的试验标准和方法[17]制备试样，拉伸试验机夹具夹持试样两端以1 mm/min的速度对苎麻茎叶进行拉伸试验，通过连接力进行测试分析所得结果反映苎麻茎秆连接力变化趋势。

1.4 苎麻茎叶冲击断裂试验

苎麻茎叶冲击断裂试验参照木材、塑料等其他材料试验的标准和方法[18]进行。试验中摆锤从扬角150°处自由下落，当摆锤冲击并通过试样后，试验机记录摆锤的最大扬角，经过系统换算得出冲击断裂能量。

2 结果与分析

2.1 苎麻茎叶拉力测试结果

2.1.1 不同部位苎麻茎叶拉力测试结果 取试样1中苎麻茎叶梢部的下部、中部与顶部区间样本各20个，编号分别为1～20，21～40，41～60，其试验结果见图2。从图2可知，编号1～20为试样1顶部，茎叶连接力在9.919～17.310 N之间波动，其平均值为13.788 N；编号21～40为试样1中部，茎叶连接力在7.375～22.685 N之间波动，其平均值为14.492 N；编号41～60为试样1下部，茎叶连接力在2.153～12.112 N之间波动，其平均值为6.259 N。中部茎叶连接力平均值比顶部茎叶连接力平均值大0.704 N，顶部茎叶连接力平均值比下部茎叶连接力平均值大7.529 N，茎叶连接力最大平均值为14.492 N。茎叶连接力平均值的变化趋势为中部最大、顶部次之、下部最小。因此，以苎麻茎叶×中部、顶部制备的试样1为试验对象，得出的拉力能够较好满足苎麻茎秆脱叶机构及苎麻联合收割脱叶构的参数设计。

2.1.2 拉伸性能与叶柄直径的关系 以试样1的中部和顶部为试验对象，按照叶柄直径的大小从制备的试样1中随机抽取25个试验样本，进行苎麻茎叶拉力测试，其试验结果见图3。由图3可知，所取试样叶柄的直径范围为2.5～4.5 mm，试样1茎叶连接力变化范围为8.313～19.544 N，其平均值为14.458 N。茎叶连接力变化的总体趋势随叶柄直径增大而增大，局部有所波动。

2.2 苎麻茎叶冲击载荷试验结果

2.2.1 苎麻茎叶冲击断裂试验结果 取试样2中苎麻茎叶梢部的下部、中部与顶部区间样本各20个，编号分别为1～20，21～40，41～60。其试验结果见图4。由图4可知，编号1～20为试样2顶部，茎叶冲击断裂能在0.029～0.042 J之间波动，其平均值为0.034 J；编号21～40为试样2中部，茎叶冲击断裂能在0.028～0.070 J之间波动，其平均值为0.042 J；编号41～60为试样2下部，茎叶冲击断裂能在0.024～0.056 J之间波动，其平均值为0.033 J。中部茎叶冲击断裂能平均值比顶部茎叶冲击断裂能平均值大0.008 J，顶部叶柄连接力平均值比下部茎叶连接力平均值大0.001 J，茎叶冲击断裂能最大平均值为0.042 J。茎叶冲击断裂能平均值变化趋势为：中部最大，顶部次之，下部最小。因此，以苎麻茎叶中部、顶部制备的试样2为试验对象，得出的冲击断裂能能够较好满足苎麻茎秆脱叶动力装置及苎麻联合收割脱叶构的参数设计。

2.2.2 冲击断裂性能与叶柄直径的关系 以中部和顶部的试样2为试验对象，按照叶柄直径的大小从制备的试样2中随机抽取25个试验样本，进行苎麻茎叶拉力测试，其试验结果见图5。由图5可知，所取试样叶柄的直径范围为3.2～4.6 mm，试样2茎叶冲击断裂能量变化范围为0.032～10.056 J，其平均值为0.041 J。茎叶冲击断裂能量变化的总体趋势随叶柄直径增大而增大，局部有所波动。

2.3 拉伸断裂和冲击断裂分离效果

苎麻茎秆横截面由外向内依次为表皮层、韧皮部、形成层、木质部和髓部，叶柄的外表皮与茎秆的外表皮相连，叶柄内部通过维管束生长在茎秆韧皮部和木质部上[19]。试样1通过拉力测试和试样2通过冲击试验后，试样叶柄与茎秆断裂分离状态如图6所示。在图6a中，试样1通过静态拉伸试验，叶柄所受的瞬态拉伸载荷较小，叶柄与茎秆连接的表皮层最先开裂，随后叶柄与茎秆连接的维管束逐渐断裂，最后叶柄与茎秆连接断裂。在断裂部位，叶柄与韧皮部呈现30°～45°断裂斜口，叶柄上附着少量与韧皮部相连接的丝状纤维。在图6b中，试样2通过动态冲击试验，叶柄所受的瞬间冲击载荷较大，叶柄与茎秆间呈脆性断裂，断裂现象显示叶柄与茎秆之间呈断面分离，叶柄与茎秆连接部完全分离。在茎秆断口部位上形成圆圈状的凹陷，少数凹陷点可见木质部，该现象表明叶柄生长在茎秆韧皮部上，少数叶柄通过维管束穿过韧皮部生长在茎秆木质部上。

3 结论与讨论

1）试验结果表明，收割的苎麻梢部茎叶连接力范围为2.153～22.685 N，茎叶连接力最大平均值为14.492 N。茎叶连接力平均值的变化趋势为：中部最大，顶部次之，下部最小。茎叶拉伸性能与叶柄直径的关系试验中，连接力变化范围为8.313～19.544 N，茎叶连接力变化呈现随叶柄直径增大而增大的总体趋势，局部有所波动。收割的苎麻梢部茎叶冲击断裂能量范围为0.024～10.056 J，茎叶冲击断裂能最大平均值为0.042 J。茎叶冲击断裂能平均值的变化趋势为：中部最大，顶部次之，下部最小。茎叶冲击性能与叶柄直径的关系试验中，冲击断裂能变化范围为0.032～10.056 J，茎叶冲击断裂能变化呈现随叶柄直径增大而增大的总体趋势，局部有所波动。由以上试验数据及结论可以为苎麻剥麻脱叶理论相应证，为苎麻茎秆脱叶机构及苎麻联合收割脱叶机构的设计和升级优化提供参数依据。

2）通过对茎叶拉力测试和冲击载荷试验数据分析可知，茎叶连接力平均值和茎叶冲击断裂能平均值皆呈现中部最大，顶部次之，下部最小的变化规律。苎麻茎秆上生长的细胞，其发育随着植株的生长，逐渐向上依次成熟，完全成熟的细胞停止生长，细胞壁显著增厚成层，细胞腔缩小，细胞老化。梢部茎叶由下部至顶部，细胞的成熟的程度逐渐减小。下部成熟程度最高，连接叶柄与茎秆生长的维管束细胞老化，叶柄连接力和冲击断裂能较小；中部成熟程度稍小，连接叶柄与茎秆生长的维管束细胞生长旺盛，叶柄连接力和冲击断裂能较大，顶部成熟程度最小，连接叶柄与茎秆生长的维管束细胞生长发育程度略低，与中部相比叶柄连接力和冲击断裂能略小[19，20]。

3）中部和顶部的茎叶随叶柄直径增大，其连接力和冲击断裂能总体趋势逐渐增大，但局部有所波动。叶柄生长在茎秆的韧皮部上，少数叶柄透过茎秆的表皮层、韧皮部和形成层生长在茎秆的木质部上，并分散穿插生长在茎秆韧皮部的叶柄周围。叶柄直径越大，叶柄与茎秆连接的接触面积越大，叶柄随着直径的增大，其连接力和抗冲击断裂能逐渐增大，所以呈现茎叶连接力和冲击断裂能总体逐渐增大的趋势。生长在茎秆木质部上的叶柄与茎秆连接的接触面积比相邻位置生长在茎秆韧皮部的叶柄与茎秆连接的接触面积大，故生长在茎秆木质部上叶柄的连接力和抗冲击断裂能比生长在茎秆韧皮部叶柄的连接力和抗冲击断裂能大，而生长在茎秆木质部上的叶柄数量少且分散穿插生长在茎秆韧皮部的叶柄周围，所以茎叶连接力和冲击断裂能出现局部波动的现象。

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