橡胶子粒的物理特性测定

张琪琪等

摘要：为提高橡胶[Hevea brasiliensis（Willd. ex A. Juss.）Muell. Arg.]子粒综合利用水平，研制高效率的橡胶籽粒脱壳装置，对橡胶子粒的三维几何尺寸、质量、密度、破碎力、静摩擦系数等物理特性进行了测定。结果表明，橡胶子粒的几何平均直径和算术平均直径都随着子粒含水率的增加而减小，当含水率达到35.4%时出现最小平均直径，分别为20.883、20.633 mm；橡胶子粒的球度随着含水率的增大从0.850 增大到0.868，呈现出较好的线性关系；而表面积与含水率却是出现先减小、后增大的变化，当含水率为35.4%时，表面积出现最小值；橡胶子粒的单粒重、体积和密度与含水率均呈明显的线性关系，都随含水率的增大而增大；橡胶子粒在钢板和木板上的静摩擦系数变化范围分别为0.254～0.331、0.222～0.417，且均呈明显的线性增长；橡胶子粒在不同方向的破碎力与含水率的关系有所不同，长度方向和厚度方向的破碎力随含水率升高呈线性下降趋势，宽度方向则先减小、后增大。该研究结果可为橡胶子粒脱壳、榨油、分离等相关机械的设计生产提供基础数据，并可为橡胶子物理特性研究提供原始的参数。

关键词：橡胶[Hevea brasiliensis（Willd. ex A. Juss.）Muell. Arg.]；子粒；物理特性；测定

中图分类号：S794.1；S789.703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）18-4519-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.032

橡胶树[Hevea brasiliensis（Willd. ex A. Juss.）Muell. Arg.]是一种原产于巴西的经济林木，其产出的天然橡胶被广泛应用在众多的工业领域。世界上2/3的橡胶树都种植在泰国、印度尼西亚、马来西亚等东南亚热带地区。中国的橡胶年产量位居世界第六，其主要分布在海南、云南等省[1]。橡胶子是橡胶树的副产物，由于含有大约40%～50%的油脂成分而具有潜在的应用价值。国外已经对橡胶子油的成分进行了相关研究[2]，Kamalaka等[3]在橡胶子中发现了能够用于汽车和液压机器的醇酯类成分；Ramadhas 等[4]发现橡胶子中的油可以与柴油混合后作为内燃机的燃料使用，而Geo等[5]则认为橡胶子中的油可以直接用于发动机燃料使用，将成为一种生物柴油。国内也做了相关的研究，赵瀛华等[6]提出了对橡胶子的壳进行处理后可以得到活性炭产品，这种活性炭可广泛应用到医药、化工等领域；李世泰等[7]发现橡胶子油的脂肪酸不饱和度高达74.52%，而且还含有17.72%的α-亚麻酸，远高于大豆油、菜子油等，具有一定的营养价值，经过处理后可以用于食品加工等领域。现在全世界对于橡胶子的利用率十分低，大多均被废弃并造成资源浪费，仅有少部分经过简单的加工作为矿选剂和油漆原料使用，农业播种造橡胶林是主要的用途[8]。国内对橡胶子利用率不高的主要原因是加工水平不高，脱壳、榨油、分离等机械化加工效率落后，因此开发橡胶子的脱壳装置加工机械就成为橡胶子副产品综合利用的关键。对橡胶子的物理特性进行测试分析，可为橡胶子加工脱壳机、压榨机设计提供技术依据，也可为橡胶子的运输、储藏、包装等处理方案的选取提供一定的参数。国内外已有对农作物子粒物理特性的研究报道，Aydin[9，10]对榛子（Corylus heterophylla Fisch.ex Trautv.）和扁桃（Amygdalus communis L.）的果实与子粒的物理特性进行了试验总结，并发现各个参数与含水率之间的关系； Manuwa等[11]对乳木果（Butyrospermum parkii Kotschy）的力学性能进行了分析，测试了收割力、收割过程中的变形和能量损耗；包清彬等[12]测定了3种不同杂交稻谷粒的物理特性参数，对比普通的水稻（Oryza sativa L.）谷粒总结出了杂交稻谷粒的物理特性；然而国内外对于橡胶子粒的基本物理特性测定还鲜见报道。为此，试验通过一系列的测定，检测出橡胶子粒的一些基本物理参数，并总结出各个参数与橡胶子粒含水率之间的关系规律，以期为橡胶子相关加工机械的设计提供基本的数据支持与参考。

1 材料与方法

1.1 材料

橡胶成熟果实于2014年12月采自海南省琼海市的橡胶林；采下后用锤击法去外壳留子粒。经清洗后人工筛选，去除不成熟、破损以及虫蛀的子粒，然后随机分为4组，储存在海南大学机电工程学院实验室内。

1.2 测定方法

1.2.1 橡胶子粒含水率 为了测试含水率对橡胶子粒不同物理特性的影响，将4组橡胶子粒分别装在含有足够多蒸馏水的聚乙烯密封袋中，并在5 ℃的冰箱中分别存放0、48、72、96 h，以获得不同的子粒含水率处理。含水率测定前，先将子粒放在没有水的密封袋中以保持既定含水率，然后将其置于常温下数小时直至恢复至室温，以消除温度对测试结果产生的影响，最后每组选取10粒进行含水率检测。含水率参照文献[13]中的105 ℃恒重法检测，该方法测得此次试验所用橡胶子粒的含水率分别为12.5%、33.6%、35.4%和43.5%。

1.2.2 橡胶子粒尺寸 橡胶子粒的长度（L）、宽度（W）、厚度（T）是用精确度为0.01 mm的电子数显游标卡尺测定的，其中，每个子粒每种数据分别测3次，取平均值。3个方向数据的定义如图1所示。

1.2.3 橡胶子粒规格的有关数据计算 橡胶子粒的算术平均直径Da（mm）计算公式为：

Da=■， （1）

橡胶子粒的几何平均直径Dg（mm）计算公式为：

Dg=■， （2）

橡胶子粒的球度φ（%）采用Mohsenin[14]的公式进行计算，公式为：

φ=■×100%， （3）

橡胶子的表面积S（mm2）参照Barych[15]的定义进行计算，公式为：

S=π×Dg2， （4）

1.2.4 橡胶子粒质量 由于单粒橡胶子粒的质量较小，所以采用精度为0.001g的分析天平测量，测量时，每组含水率处理中各随机选取10粒橡胶子粒逐个测量，重复3次，取均值。

1.2.5 橡胶子粒与不同材料接触的静摩擦系数的测定 橡胶子粒静摩擦系数可以表征橡胶子粒与不同材料表面接触的滑动性能。试验以抛光过的金属（钢板）表层和粗糙的木制品（木版）表层为对象，选取这2种材料测量含水率不同处理的橡胶子粒静摩擦系数。测量时，随机从每组含水率处理的橡胶子粒中各选取10粒，依次放在2种材料的中部，缓慢增大材料与水平面之间的角度，子粒刚要开始下滑时，迅速用万能量角器测量板材与水平面之间的角度，重复3次，取均值。

静摩擦系数的计算公式引用Dursun等[16]的方法，公式为：

μ=tan·α， （5）

式中，μ为摩擦系数，α为摩擦角（deg）。

1.2.6 橡胶子粒密度 橡胶子粒的密度ρ的测定参照文献[17]的方法。

1.2.7 橡胶子粒沿不同轴向的破碎力分析 由于橡胶子粒不是标准的球体，不同方向上的受力有所不同，所以测定橡胶子粒在长度、宽度、厚度方向上的破碎力对于研究橡胶子粒的破碎性能是必要的。测试时，在不同含水率处理的橡胶子粒中随机各抽取10粒，分别以长、宽、高（厚）3个方向固定在AWD-200B型电子式万能试验机工作台上，以相同的速度施加压力，观察并记录数据处理系统中显示的橡胶子粒破碎力[18]。每个方向重复3次，取均值，并将长、宽、高（厚）方向上的破碎力分别记为FL、FW、FT。

1.2.8 橡胶子粒壳厚测定 在上述破碎试验结束后，取若干不同含水率的橡胶子粒外壳，用精确度为0.01 mm的电子数显游标卡尺测定其厚度，记为Ti，单位为mm。

1.3 数据处理

试验所得数据应用Microsoft Office Excel 2010软件进行处理并绘图，采用SPSS 13.0统计分析软件进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 橡胶子粒尺寸与含水率的关系

试验测定的4个含水率处理的橡胶子粒尺寸情况见表1。由表1可知，随着含水率从12.5%增大到43.5%，橡胶子的3个方向尺寸呈现出不同的变化。宽度随着含水率的增加从21.241 mm增加到21.969 mm；长度和厚度却随着含水率的增加而减小。然而，黄会明[19]对栝楼（Trichosanthes kirilowii Maxim.）子粒物理特性的测定中发现，栝楼子粒的长度、宽度、厚度都随着含水率的增长呈现出先增加、后减小的变化趋势；Manuwa[11]却发现乳木果的这3个尺寸都随着含水率的增加而减小。由此可见，不同作物子粒的长、宽、高尺寸与子粒自身含水率的关系有所不同，所以在橡胶子粒相关加工机械设计时，应考虑到不同含水率对子粒宽度方向的增加以及长度和厚度方向的减小等各方面的影响。

2.2 橡胶子粒直径与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒直径与含水率的关系情况见表2。由表2可知，橡胶子粒的几何平均直径和算术平均直径都随着子粒自身含水率的增加呈现出先减小、后增加的变化趋势，且当含水率为35.4 %时，2种平均直径均达到最小值，图2更清楚的反映出了这一变化。回归分析结果显示，几何平均直径与含水率的回归方程y=0.034 5x2-0.239 5x+21.321，R2=0.916 4，几何平均直径y与含水率x呈现出较好的非线性关系。算术平均直径与含水率的回归方程y=0.042 9x2-0.293 5 x+21.146，R2=0.859 9，算术平均直径y与含水率x也呈现出较好的非线性关系。因此，在设计及应用中考虑到橡胶子粒平均最小直径时，应选取含水率为35.4%左右的子粒为宜。

2.3 橡胶子粒球度和表面积与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒球度与含水率的关系情况见图3。由图3可知，橡胶子粒的球度随着含水率的增大从0.850增大到0.868；回归分析结果显示，橡胶子粒球度与含水率的回归方程y=0.005x+0.847 7，R2=0.615 5，橡胶子粒球度y与含水率x呈现出较好的线性关系。这与在刺山柑（Capparis spinosa L.）[20]和麻类（Cannabis sativa L.）种子[21]的研究结果相同。

试验测定的橡胶子粒表面积与含水率的关系情况见图4。由图4可知，橡胶子粒表面积与含水率不呈线性关系，而是呈现先减小、后增大的变化趋势；回归分析结果显示，橡胶子粒表面积与含水率的回归方程y=4.939 7x2-33.707x+1 433.7，R2=0.898 8，当含水率为35.4%时表面积出现最小值；这个规律与文献[19]的栝楼和文献[21]中的麻类等作物的子粒有所不同。

2.4 橡胶子粒的质量、体积、密度与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒质量（单粒重）与含水率的关系情况见图5。由图5可知，橡胶子粒的单粒重随着含水率的增加从2.23 g增加到4.35 g；回归分析结果显示，橡胶子粒单粒重与含水率的回归方程y=0.698x+1.375，R2=0.953 4，橡胶子粒单粒重与含水率呈现出良好的线性关系，这与文献[20]的刺山柑和文献[22]的豇豆（Vigna sinensis L.）等作物的试验结果相同，说明水分是作物子粒的主要组成部分，对作物子粒的干燥是减轻子粒重量的一种方式。

试验测定的橡胶子粒体积与含水率的关系情况见图6。由图6可知，橡胶子粒的体积随着含水率的增长从4.0 mm3 增长到6.0 mm3；回归分析结果显示，橡胶子粒体积与含水率的回归方程y=0.625x+3.125，R2=0.905 5，橡胶子粒体积与含水率呈现出良好的线性关系；这与文献[19]中的栝楼子粒线性增长关系相同，说明作物子粒吸水后体积膨胀，即含水率高的作物子粒体积就大。

试验测定的橡胶子粒密度与含水率的关系情况见图7。由图7可知，橡胶子粒的密度与含水率的关系也是线性增长关系，随着含水率的增长，子粒密度从0.558 g/cm3增长到0.725 g/cm3，回归方程y=0.050 4x+0.065，R2=0.902 6。这与樱桂（Prunus lauracerasus L.）[23]和美洲南瓜（Cucurbita pepo L.）[24]子粒的增长规律相似，但是与麻类[21]、刺山柑[20]和榛子[25]的子粒相比却呈现出完全不同的变化规律，这些作物的子粒密度均随含水率的增长而降低。

2.5 橡胶子粒的静摩擦系数与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒在不同材料（金属铁、木材）表面的静摩擦系数与含水率之间的关系情况见图8。从图8可见，橡胶子粒在金属铁（钢板）和木材表面的静摩擦系数均随着含水率的增长而增长，其中木材表面的静摩擦系数从0.222增长到0.417，回归方程y=0.056 2x+0.216 1，R2=0.634 2；金属铁（钢板）表面的静摩擦系数从0.254增长到0.331，回归方程y=0.025 8x+0.241 8，R2=0.808 7。木材表面的静摩擦系数比金属铁表面的静摩擦系数要大，这与木材表面较为粗糙有关，这个结果与剑麻[21]、刺山柑[20]和榛子[25]的研究结果相似。

2.6 橡胶子粒的破碎力与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒长度、宽度、厚度的破碎力与含水率之间的关系情况分别见图9、图10、图11。从图9、图11来看，橡胶子粒长度和厚度方向的破碎力与含水率呈现线性减小的趋势；长度方向的破碎力从0.369 kN减小到 0.259 kN，回归方程y= -0.033 3x+0.382 5，R2=0.804 6；厚度方向的破碎力从 0.371 kN减小到 0.242 kN，回归方程y=-0.040 4x+0.398 7，R2=0.932 5。但从图10来看，橡胶子粒宽度方向的破碎力却呈现出非线性的关系，宽度方向的破碎力先从0.325 kN减小到0.267 kN，然后再增长到0.294 kN，回归方程y=0.019 7 x2-0.107 2x+0.409 9，R2=0.942 4；含水率大约在35.4%时产生了最小的破碎力。这可能是由于橡胶子粒的宽度随含水率的增长而增大，使得宽度方向的壳厚度变薄、受力时容易破碎造成的。值得注意的是，前面测定的橡胶子粒平均直径和表面积也在含水率为35.4%左右时出现最小值，因此在橡胶子粒相关加工机械的设计研发时，要尤其注意橡胶子粒含水率在35.4%时的各个基本物理特征的变化，从而使设计出来的橡胶子粒加工机械具有宽泛、实效、造价合理等特点。不过樱桂[23]、南瓜[24]等作物的种子宽度破碎力则随着种粒含水率的增长而减小，这应该是不同种类植物种子特性的使然而已。

2.7 橡胶子粒壳厚度与含水率的关系

试验测定的橡胶子粒壳厚度与含水率之间的关系情况见图12。从图12可见，橡胶子粒的壳厚度随着含水率的增长先减小、后增大，由0.870 mm降至0.839 mm，后又增至0.877 mm，回归方程y=0.016 7x2-0.081 1x-0.934 4，R2=1；在33.6%～35.4%区间出现最小值。这一现象证实橡胶子粒在宽度方向的破碎力于含水率约为35.4%时出现最小值是由于此时橡胶子粒的壳厚度最薄引起的，此部位受到外力的作用时容易破碎。

3 小结

通过测定橡胶子粒在不同含水率12.5%、33.6%、35.4%、43.5%条件下各种基本物理参数，并将各种参数与橡胶子粒的含水率之间做相关分析后，得到主要结论如下：

1）随着含水率从12.5%增大到43.5%，橡胶子粒的3个方向尺寸呈现出不同的变化趋势。宽度随着含水率的增加从21.241 mm增加到21.969 mm；长度和厚度却随着含水率的增长而减小，分别从24.601 mm减小到23.835 mm、从17.475 mm减小到16.976 mm。

2）橡胶子粒的几何平均直径和算术平均直径都随着含水率的增加呈现出先减小、后增加的非线性变化趋势，并且都在含水率达到35.4%时出现最小平均直径，分别为20.883 mm和20.633 mm。

3）橡胶子粒的球度随着含水率的增大从0.850 增大到 0.868，呈现出较好的线性关系。而表面积随着含水率的增大出现先减小、后增大的变化趋势，当含水率为35.4%时，表面积出现最小值。

4）橡胶子粒单粒重、体积和密度与含水率均呈明显的线性关系。都随含水率的增大而增大，变化范围分别为2.23～4.35 g、4.0～6.0 mm3和0.558～0.725 g/cm3。

5）随着含水率由12.5%到43.5%的变化，橡胶子粒在钢板和木板上的静摩擦系数变化范围分别为0.254～0.331、0.222～0.417，且均呈明显的线性增长。

6）橡胶子粒在不同方向的破碎力与含水率的关系有所不同，长度方向和厚度方向的破碎力随含水率升高呈线性下降趋势，变化范围分别为0.369～0.259 kN、0.371～0.242 kN。而宽度方向的破碎力则表现出0.325 kN到0.267 kN再到0.294 kN的非线性关系，在含水率为35.4%时出现最小值。

7）随含水率的升高，橡胶子粒壳厚度表现出明显的非线性关系，壳厚随着含水率的增长先由0.870 mm降低至0.839 mm，然后增至0.877 mm。

总的来看，橡胶子粒的表面积、平均直径、宽度方向的破碎力以及壳厚度均在子粒含水率约为35.4%时出现最小值，这提醒设计人员在橡胶子粒的相关研究及加工机械的研发中应注意这些参数的影响。试验所得到的数据可以为橡胶子粒相关的加工机械与系统（如脱壳机、榨油机、加工设备、包装设备、运输系统、储藏方式等）的设计与运行提供合理可靠的参考依据。

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