云南4种棕榈藤材弯曲性能比较*

曹积微,袁哲,强明礼

(西南林业大学 材料工程学院，云南　昆明，650224)



云南4种棕榈藤材弯曲性能比较*

曹积微,袁哲,强明礼

(西南林业大学 材料工程学院，云南昆明，650224)

通过对云南4种棕榈藤材抗弯、抗压、抗拉性能变异及密度变异进行测量，评价藤材的弯曲性能。结果表明，(1)云南省藤和版纳省藤材质均匀，弯曲性能好，是优良的藤制品用材。钩叶藤和高地钩叶藤沿径向密度和各力学性质差异明显，藤芯脆弱，密度小，但藤皮力学性能好，加工利用中藤芯不宜单独使用，藤皮可作为编织材料，弯曲成型过程中宜整藤使用；(2)与木材和竹材比较,4种棕榈藤材力学性质差异明显：抗压强度与抗拉强度较低，抗压比例极限应力与强度的比值较小，破坏变形量大，弹性模量小而抗弯强度大，具有独特的柔韧性，具有良好的弯曲性能和工艺性能。

棕榈藤；弯曲性能；抗压强度；抗拉强度；密度

棕榈藤属于棕榈科(Palmae)藤类植物，是热带和亚热带森林中的多用途植物资源[1]。其去鞘藤茎集强度、韧性、弹性和易于造型等工艺特性于一身，是家具和工艺品制作的优良材料。藤材的弯曲是藤制品加工过程中的主要工艺之一，弯曲性能是评价棕榈藤材性的重要指标，也是决定藤材使用范围的主要依据。

棕榈藤材与木材、竹材相比，其材质轻、弹性模量小而抗弯强度大，达到破坏时变形量大，具有良好的塑形，容易弯曲定型，藤材的这种特性主要是其薄壁细胞含量高所致[2～3]。藤茎中机械组织分布不均匀，棕榈藤径向力学性质差异对藤材分等分类利用及其加工工艺特性都有重要意义。目前，国内外对棕榈藤的研究多为栽培技术、生物学特性、解剖特征等，对藤材工艺特性的研究还十分匮乏，尚处于理论研究落后于生产加工的现状。本文通过对云南4种棕榈藤材的径向抗弯、抗拉和抗压性能差异和密度变异进行探讨，以此评价其弯曲性能，为棕榈藤材的综合加工利用提供理论基础。

1　材料与方法

1.1材料

所用云南省藤(Calamusyunnanensis)、版纳省藤(C.nambariensisvar.xishuangbannaensis)、高地钩叶藤(Plectocomiahimalayana)采自云南省西双版纳傣族自治州大勐龙镇，钩叶藤(P.kerrana)采自云南省德宏州。藤材均生长正常，无病虫害(表1)。

1.2方法

国内外关于藤材物理力学性质测试均无统一的标准，本试验在木材、竹材和人造板等相关国家标准基础上，参考国内外棕榈藤力学性能测试方法，利用日本岛津AG-I万能力学试验机测试。其中，抗弯强度和抗弯弹性模量测试中，采用中央单点加荷三点弯曲，跨距为120mm，加荷辊和支承辊直径均为15mm，加载速率为20mm/min，并计算藤材的抗弯弹性模量和抗弯强度。

表1　藤材采集基本情况

试件尺寸为:弯曲性能测试，长160mm×D(直径)的圆形整藤试样和长160mm×10mm×5mm的矩形藤片试样；抗拉强度测试，径向厚度2mm，弦向宽度10mm，纵向长160mm，破坏断面为2mm×3mm，最小断面长度6mm；抗压强度测试，30mm×D(直径)的整藤试样和矩形截面试样。矩形藤片试样、抗拉、抗压强度测试试样沿径向从藤皮向藤芯部位依次取样，分为藤芯、藤中部及藤皮，样本数为30，取平均值做数据分析，并依次以向南藤皮(藤皮S)、向南藤中部(中部S)、藤芯部、向北藤中部(中部N)和向北藤皮(藤皮N)取样，作为径向抗弯、抗压、抗拉性能的横坐标制图。

2　结果与分析

2.1圆形整藤试样的弯曲特性

抗弯强度(MOR)和抗弯弹性模量(MOE)是藤材材质判定的主要因子，统计出4种藤材圆形整藤试样抗弯强度和抗弯弹性模量(表2)。

表2　圆形整藤试样抗弯性能

注：试样含水率为12%，测定值下方百分比为该测定值的变异系数。

4种藤材抗弯强度和抗弯弹性模量从大到小依次为云南省藤>版纳省藤>高地钩叶藤>钩叶藤。在达到破坏强度时，4种藤材的变形量都很大，与木材、竹材相比，藤材塑性良好，易于弯曲定型[2～4]。

2.2藤材径向弯曲性能变异

4种藤材径向弯曲性能变异见图1。

图14种藤材径向弯曲性能变异

Fig.1Bending property variation of 4 rattan species in radial direction

抗弯强度和抗弯弹性模量，云南省藤和版纳省藤的藤芯、藤皮差异较小；高地钩叶藤和钩叶藤的藤芯、藤皮差异十分显著。弯曲测试中，高地钩叶藤和钩叶藤的藤中部、藤芯部试样在变形量很小的情况下呈现出明显的脆性材料的断裂特征。对于诸如高地钩叶藤和钩叶藤的藤芯、藤皮差异较大的藤材，藤皮对藤芯的抗弯特性有重要贡献，这与藤皮内在成分尤其是纤维素含量较大等构造差异密切相关[5]。以上结果表明云南省藤和版纳省藤的藤芯和藤皮弯曲性能都较好，而钩叶藤和高地钩叶藤的弯曲性能径向差异大，藤芯十分脆弱。

图24种藤材抗压和抗拉性能变异

Fig.2Compressive and extension strength variation of 4 rattan species in radial direction

2.3藤材径向抗压和抗拉性能变异

藤材弯曲过程中，呈上凹下凸的变形，上部受到顺纹压力，下部受到顺纹拉力，应力大小与距中性轴的距离成正比。4种藤材抗压及抗拉性能见图2。

4种藤材藤皮部抗压强度约为20～28MPa，以云南省藤和版纳省藤抗压强度变异最小，其藤中部、芯部与藤皮抗压强度相当；高地钩叶藤和钩叶藤径向抗压强度变异明显，藤芯部约为藤皮部抗压强度的14%～29%。与木材和竹材相比，藤材的抗压比例极限应力与强度的比值较小，破坏变形量大，易于弯曲加工[6]。

藤皮抗拉强度均不同程度地大于该部位的抗压强度；藤皮抗拉强度大于藤芯。因此，在藤材弯曲过程中，随着变形量的增大，中性层逐渐向下位移，直到藤材弯曲破坏[7]。4种藤材中，以钩叶藤藤皮抗拉强度最大，约70～80MPa，高地钩叶藤次之，约60～70MPa，然后是云南省藤和版纳省藤；藤芯则以钩叶藤和高地钩叶藤最为脆弱。钩叶藤的藤芯抗拉强度，仅约为藤皮抗拉强度的8%，高地钩叶藤则约为14%。

2.4藤材径向密度变异与弯曲性能的关系

4种藤材径向密度(气干)变化(图3)表明，藤材的密度及自藤皮至藤芯的密度变化与藤材的加工性和利用范围有密切关系。

图3　4种藤材径向密度(气干)变异

总体而言，藤材在靠近藤皮部位密度较大，中心较小，这是由于藤皮部位纤维含量较高，藤芯部位纤维含量较小，高度木质化的厚壁纤维可增大藤材比重且近藤皮处细胞尺寸小、数量多。4种藤材间的密度分布也有明显差异：以钩叶藤藤皮密度最大，云南省藤和版纳省藤次之，高地钩叶藤最小；藤芯则以高地钩叶藤和钩叶藤密度最小；云南省藤和版纳省藤径向密度变异较小，藤芯部位基本与藤皮部位相当，部分版纳省藤的藤皮密度小于藤芯密度，这与藤材径向弯曲性能变异规律一致；钩叶藤和高地钩叶藤径向密度变异较大，藤芯部位明显小于藤皮部位，藤皮部位密度很大(钩叶藤藤皮密度平均为0.51g/cm3，高地钩叶藤则平均为0.39g/cm3)，藤芯密度很小(钩叶藤藤芯密度平均为0.15g/cm3，高地钩叶藤则平均为0.17g/cm3)。

相关研究[2～3,8]表明，当藤芯密度小于0.25g/cm3时，材料比较脆弱。云南省藤和版纳省藤质地均匀，可以弯曲、剖分编织等，是优良的家具用材；钩叶藤和高地钩叶藤质地均匀程度低，藤皮和藤芯抗拉强度大，可作为编织材料，但藤芯脆弱不宜单独使用。

4种藤材力学性质与密度回归关系(表3)表明，藤材的密度与抗弯强度、抗弯弹性模量、抗弯强度和抗拉强度均为正相关。

表3　4种藤材力学性质与密度回归关系

3　结论

通过对生长于云南4种棕榈藤的研究，获得如下结论。

(1)云南省藤和版纳省藤径向密度变异小，材质均匀，弯曲性能好；钩叶藤和高地钩叶藤藤芯脆弱，藤芯密度明显小于藤皮，藤皮力学性能好，从材料力学原理看，其藤芯密度小，性能差，这样可以相对较好地发挥藤材本身的弯曲性能，因此，高地钩叶藤和钩叶藤的藤芯不宜单独使用，藤皮可作为编织材料，弯曲成型中宜整藤使用。同时，藤皮和藤中部的南北向之间其力学性能及密度不存在明显规律性和差异。

(2)与木材和竹材弯曲性能相比较，棕榈藤材的力学性质差异明显：抗压强度与抗拉强度较低，抗压比例极限应力与强度的比值较小[7]，破坏变形量大，弹性模量小而抗弯强度大，具有独特的柔韧性，具有良好的弯曲性能和工艺性能；由于藤材径向力学性能有差距，在棕榈藤材的加工利用中，应根据藤材性质的不同进行分类、分等以高效利用。

(3)藤材软化点低，在藤材的弯曲过程中，对藤材进行适当的软化以得到更好的塑形，有利于藤材的加工利用过程中的弯曲成型，提高综合利用效率[9]。

[1]江泽慧,萧江华,许煌灿.世界竹藤[M].沈阳:沈阳科技出版社,2002：509-612.

[2]吴顺昭,王义仲.外国五种藤材的物理性质与机械性质研究[J].林产工业,1994,13(2):240-250.

[3]吴顺昭,王义仲.马来西亚产商用藤材之物理性质与机械性质研究[R].台湾大学试验林业研究报告,1995,9(1):13-31.

[4]吴顺昭,王义仲.黄藤材之物理性质[J].中华林学季刊,1991,24(2):99-110.

[5]吕文华,江泽慧,吴玉章.黄藤材的化学组成特性[J].林业科学,2009,45(7):96-100.

[6]王玉荣,江泽慧,任海青,等.棕榈藤工艺学特性研究及其新进展[J].林业机械与木工设备,2008,36(5):4-5.

[7]吕文华,刘杏娥.棕榈藤材的抗弯强度测试方法[J].木材加工机械,2012,23(1):1-5

[8]吴顺昭,王义仲.黄藤材之物理性质[J].中华林学季刊,1991,24(2):99-110.

[9]Abasobo W P,Yoshida M,Yama moto H.Thermal softening of rattan canes: influence of hemicellulose-lignin matrix[J].世界竹藤通讯,2003(4):32-36.

Bending Properties of 4 Rattan Canes in Yunnan

CAO Ji-wei,YUAN Zhe,QIANG Ming-li

(Southwest Forestry University，College of Materials Engineering,Yunnan Kunming 650224， P.R.China)

The air-dry density,bending strength,compressive strength and extension strength ofCalamus.yunanensis，C.nambariensisvar.xishuangbannaensis,Plectocomia.himalayanaandP.kerranain Yunnan were studied in this research.The result showed that: (1)C.yunnanensisandC.nambariensishad good performance for utilization with good bending property and non-significant differences in radial horizontal direction (core,middle and cortex parts).There were significant differences ofP.himalayanaandP.kerranain radial horizontal direction,and the core part was weak because of low density,but mechanical properties in cortex part were good.In this sense,the core part should not be utilized separately ,while cortex part can be used for knit and it was better to utilized as a whole during bending processing.(2) Compared with wood and bamboo,the differences of rattan mechanical properties were significant because of lower compressive strength and extension strength,larger damage deformation,lower MOE and larger MOR.

rattan canes;bending property;compressive strength;extension strength;air-dry density

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.024

2015-09-27

云南省应用基础研究计划项目(2012FB167)。

曹积微(1990-)，男，硕士研究生，主要从事棕榈藤材弯曲工艺及机理研究。E-mail:caojiwei.mail@qq.com

简介：袁哲(1975-)，女，博士，主要从事家具设计、家具材料与工艺研究。E-mail:yuan-zhe@sohu.com

S 781

A

1672-8246(2016)03-0132-05