甘蔗茎外皮机械特性检测及像素分析

郭鑫等

摘要

[目的]更加精确地表征甘蔗茎外皮的机械特性。[方法]将传统拉伸试验与像素分析法相结合，测算出不同组别甘蔗茎外皮试件的拉伸强度及弹性模量，进而进行对比分析。[结果]研究表明，4组试件的拉伸强度整体呈下降趋势，经碱处理不带有甘蔗节的试件的拉伸强度最高，而未经碱处理带有甘蔗节的试件，其拉伸强度相对微弱；较带有甘蔗节的试件而言，不带甘蔗节的试件的弹性模量相对较大。[结论]综合来看，碱处理可在一定程度上提高甘蔗皮的机械性能；甘蔗节对甘蔗皮机械特性有所影响，但影响较小。

关键词像素分析法；机械特性；甘蔗茎外皮；碱处理

中图分类号S216.2文献标识码A文章编号0517-6611（2014）06-01797-03

Abstract[Objective] In order to characterize the mechanical properties of sugarcane rind more accurately. [Method] Combined traditional tensile test and pixel analysis method， the tensile strength and elastic modulus of sugarcane rind specimens was measured. And then a comparative analysis was conducted. [Result] The results showed that the tensile strength of four groups of specimens is on a decline curve. The tensile strength of the sugarcane rind without joints that treated with alkali is the highest. Without alkali treatment， the tensile strength of sugarcane rind with joints is relatively poorer. Compared with the specimens with joints， the elastic modulus of sugarcane rind without joints is relatively large. [Conclusion] Taken together， alkali treatment can improve the mechanical performance of the sugarcane rind to a certain degree， and the joints has an less effect on the mechanical properties of the sugarcane rind.

Key words Pixel analysis method； Mechanical property； Sugarcane rind； Alkali treatment

近年來，甘蔗茎秆作为我国一种重要的农作物秸秆，越来越受到人们的关注。因其具有来源广泛、价格低廉、可再生且再生周期短等优势，可作为一种良好的代木纤维加以利用。而长期以来，蔗渣仅仅作为制糖厂本身的燃料或当做饲料使用，虽也有企业用其来造纸，但其利用率依然极低[1-3]。

目前，国内外一些学者致力于研究将玉米、棉秆等农作物秸秆作为一种增强性纤维材料添加到一些热塑性塑料中，以代替木材材料制备木塑制品[4-9]。甘蔗皮纤维作为一种良好的木质化纤维，在该方面的应用也同样具有较大的研究价值。因此，检测甘蔗茎外皮的机械特性对其在该方面的应用具有指导意义。目前，对农作物秸秆的机械特性的检测，大多数都通过拉伸、弯曲、剪切等试验测得[10-12]，有一定的局限性。刘逸平等采用DIC法分析了水稻茎秆的轴向应变，并结合Photoshop软件对水稻茎秆横截面的几何特性进行了测算，这种方法较传统的试验方法已较为可靠[13]。近年，CCD光学法与二维图像测量技术越来越多地应用于微细尺寸的精确测量[13-14]，该技术具有非接触、自扫描、精度高等优势，已在工业中得到了广泛的应用。

由于甘蔗具有甘蔗节这一特殊生理结构，其对甘蔗皮的机械性能势必有所影响；而且甘蔗皮在应用过程中，大多需先经过碱处理[15]工序来去除其内部的果胶、木质素等有机杂质及一些抽提物。因此，为了更加精确地表征甘蔗皮的机械特性，笔者将对经过碱处理和未经碱处理以及带有甘蔗节和不带甘蔗节的甘蔗皮进行拉伸试验，并应用MiVnt2K显微图像分析系统进行数据处理，结合像素分析法来测量试件的横截面积，从而测算出甘蔗皮试件的拉伸强度和弹性模量，进而做出对比性分析。2.2像素分析法测定甘蔗皮试件的横截面几何参数

将拉伸试验后的试件在不同位置截取3段，得到3个横截面，用细砂纸将横截面打磨平整，以保证采集图像时更易识别横截面的范围，也可使图像更加清晰。

试验时，配以75 mm ZOOM镜头的高分辨率CCD相机与计算机相连，由专业软件控制，图像以灰度图的形式显示。在采集区域内放置水平标尺，并保持标尺与待测的横截面基本在同一平面内，如图1a所示。调节CCD相机焦距和光圈直至图像清晰，并使图像尽可能充满控制软件的图像显示区域。之后用MiVnt显微图像分析系统对试件的横截面积进行测算，如图1b所示。首先对尺寸进行标定，即图中标注的1 cm的实际长度共有460个像素，如此便得到每个像素代表的实际尺寸为10 mm/460pixel=0.021 7 mm/pixel，用该数据对软件进行设置后，再选中测算工具勾选图中的白色区域即可得到横截面积值。再分别测出每个试样的宽度和厚度值，对每个试件的3组几何数值分别求取算数平均值即为该试件的横截面积、宽度、厚度，如表2所示。

由于甘蔗皮是一种活性的生物材料，所以其拉伸强度及弹性模量的测量结果存在一定的离散性，但从图2、3中不难看出，这种离散性并不影响数据的整体趋势。由图2可以明显看出，4组甘蔗茎外皮试件的拉伸强度整体呈递减趋势，第1组经碱处理且不带甘蔗节的试件的拉伸强度是最高的，最大值达到95.70 MPa；第4组未经碱处理带有甘蔗节的试件的拉伸强度相对较差，最大值也只有55.93 MPa。从图中还可以看出，虽然1、3两组不带有甘蔗节的试件分别比2、4两组带有甘蔗节的试件的拉伸强度要高，但差距不是很大，其平均值分别相差17.73 MPa和13.25 MPa。由图3可以看出，1、3两组试件的弹性模量相对较高，而2、4两组试件的弹性模量则偏低，且第1、2组，及第3、4组试件间的差距也不是很大，其平均值相差在13 GPa左右。

上述拉伸强度及弹性模量的变化趋势的出现，可能是由于碱处理不仅将甘蔗皮中的果胶、蜡质、灰分等成分去除，且脱除了部分的木质素及半纤维素，从而使得甘蔗皮的强度得以提高；而甘蔗节中的木质素含量相对最高，虽经过碱处理

有部分脱除，但其含量仍然比其他部位的要高，因此造成节

部的强度下降；在拉伸试验的过程中，带有甘蔗节的2组试件的断裂位置均为甘蔗节处，这也得以验证上述分析。

综合各组甘蔗皮试件的拉伸强度及弹性模量来看，第1组经碱处理不带有甘蔗节的试件的综合性能最为优异。

3 结论

应用MiVnt显微图像分析系统能够较为精确地测算出甘蔗茎外皮试件的横截面几何参数，结合实际的拉伸试验，可以得到材料相对较准确的机械性能。

碱处理可以在一定程度上提高甘蔗茎外皮的机械性能，可作为一种增强改性方式。

甘蔗节对试件的机械性能有所影响，但影响不是很大，在实际应用过程中可以不作为考虑因素。

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