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1 第 31 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 力 学 性 能 的 影 响 孙 伟 1, 穆 晓 凯 1, 孙 清 超 1, 黄 明 2, 李 诗 航 1, 黄 信 (1. 大 连 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院, 大 连 ; 2. 大 连 丰 和 草 本 著 业 有 限 公 司, 大 连 ) 1 摘 要 : 为 探 索 蒿 草 茎 秆 对 木 质 材 料 的 可 替 代 性, 研 究 自 然 状 态 及 微 波 作 用 下 蒿 草 茎 秆 的 抗 径 向 压 缩 及 弯 折 性 能, 测 试 分 析 微 波 干 燥 前 后 材 料 微 观 结 构 变 化 试 验 数 据 表 明 : 微 波 干 燥 速 度 较 快, 在 700 W 干 燥 装 置 中, 经 420 s 即 可 将 40 g 蒿 草 茎 秆 含 水 率 从 55% 降 低 到 10% 以 下, 而 自 然 干 燥 则 需 2.5 h 才 能 完 成, 随 着 微 波 干 燥 时 间 延 长, 细 胞 壁 的 纹 孔 结 构 被 破 坏, 纤 维 组 织 由 密 变 稀, 增 加 了 茎 秆 中 的 孔 隙 度 微 波 干 燥 300 s 后, 蒿 草 茎 秆 的 径 向 压 缩 载 荷 从 550 N 提 高 到 630 N, 可 承 受 的 最 大 弯 曲 载 荷 和 抗 弯 强 度 分 别 为 41 N 和 MPa, 可 以 满 足 日 常 使 用 需 求 约 10 N, 同 时 较 自 然 干 燥, 茎 秆 直 线 度 由 1.1/210 (mm/ mm) 变 为 0.4/210 (mm/ mm), 且 韧 性 明 显 改 善, 这 主 要 因 为 微 波 干 燥 使 蒿 草 茎 秆 内 部 微 观 结 构 发 生 变 化, 释 放 了 蒿 草 茎 秆 内 部 生 长 应 力 所 致 研 究 结 果 为 以 蒿 草 茎 秆 为 原 料 的 一 次 性 筷 子 的 工 业 化 加 工 提 供 了 参 考 关 键 词 : 微 波 ; 干 燥 ; 力 学 性 能 ; 蒿 草 茎 秆 ; 微 观 组 织 doi: /j.issn 中 图 分 类 号 :TH14; O341 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 : (2015) 孙 伟, 穆 晓 凯, 孙 清 超, 等. 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 力 学 性 能 的 影 响 [J]. 农 业 工 程 学 报,2015,31(10): doi: /j.issn Sun Wei, Mu Xiaokai, Sun Qingchao, et al. Effects of microwave drying on mechanical properties of wormwood stem[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): (in Chinese with English doi: /j.issn 引 言 森 林 资 源 是 人 类 发 展 所 需 要 的 主 要 资 源 之 一, 而 中 国 森 林 资 源 存 在 森 林 总 量 不 足 森 林 质 量 不 高, 以 及 森 林 管 理 水 平 有 待 提 高 等 问 题, 可 采 资 源 与 社 会 需 求 之 间 的 矛 盾 仍 十 分 尖 锐, 保 护 森 林 资 源 任 务 艰 巨 中 国 的 一 次 性 筷 子 产 业 消 耗 了 大 量 木 材 资 源 据 统 计 中 国 每 年 约 生 产 450 亿 双 一 次 性 筷 子, 消 耗 林 木 资 源 近 500 万 m 3, 需 砍 伐 2500 万 棵 生 长 20 a 的 大 树 [1], 寻 找 木 质 一 次 性 筷 子 的 替 代 产 品 意 义 重 大 蒿 草 (Artemisia integrifolia Linn.) 为 一 年 生 草 本 植 物, 常 见 于 中 低 海 拔 湿 润 或 半 湿 润 地 区 的 路 旁 河 边 灌 丛 及 沼 泽 地 的 边 缘, 花 果 期 8-11 月, 优 势 在 于 繁 殖 快, 再 生 能 力 强, 生 长 期 短, 主 要 野 生 在 黑 龙 江 吉 林 辽 宁 内 蒙 古 及 河 北 等 地 [2-3] ; 蒿 草 茎 秆 呈 圆 柱 形, 高 度 可 达 1.5 m 以 上, 平 均 直 径 约 5~9 mm, 直 径 6 mm 以 上 蒿 草 茎 秆 去 除 表 皮 后, 其 规 格 可 以 满 足 一 次 性 筷 子 使 用 要 求, 可 作 为 一 次 性 木 质 筷 子 的 潜 在 替 代 资 源 由 于 蒿 草 分 布 广 泛, 成 本 较 低, 易 于 采 集, 蒿 秆 原 料 运 输 至 工 厂 经 截 断 浸 泡 烘 干 矫 直 抛 光 消 毒 等 过 程 就 可 制 作 完 成 一 次 性 筷 子, 年 产 量 在 10 亿 双 左 右, 具 有 明 显 收 稿 日 期 : 修 订 日 期 : 基 金 项 目 : 辽 宁 省 科 技 创 新 重 大 专 项 ( ), 辽 宁 省 优 秀 人 才 培 育 项 目 ( ) 作 者 简 介 : 孙 伟, 男, 黑 龙 江 哈 尔 滨 人, 大 连 理 工 大 学 教 授, 博 士, 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 复 杂 机 械 装 备 的 设 计 及 优 化 研 究 sunwei@dlut.edu.cn 通 信 作 者 : 孙 清 超, 男, 黑 龙 江 哈 尔 滨 人, 大 连 理 工 大 学 副 教 授, 博 士, 主 要 从 事 低 碳 节 能 化 设 计 研 究 sqc_dut@163.com 的 取 材 和 价 格 优 势 但 是, 与 木 质 材 料 相 比, 蒿 草 茎 秆 制 作 一 次 性 筷 子 方 面 存 在 以 下 不 足 :1) 含 水 率 高 达 40%~60%, 茎 秆 外 圆 磨 削 过 程 中 易 发 生 粘 料 现 象, 水 分 缓 慢 迁 移 过 程 中 易 发 生 皱 缩 等 现 象, 且 不 易 长 期 存 储 ;2) 蒿 草 茎 秆 内 部 往 往 存 在 生 长 应 力, 其 释 放 将 进 一 步 影 响 茎 秆 直 线 度 微 波 干 燥 是 植 物 材 料 烘 干 校 直 过 程 中 常 采 用 的 工 艺 方 式, 其 广 泛 应 用 于 木 材 加 工 领 域, 以 改 善 材 料 力 学 特 性 及 渗 透 性 等 [4-9] 国 内 外 一 些 研 究 人 员 分 析 测 试 了 [10-12] 微 波 干 燥 对 于 植 物 材 料 性 能 的 影 响, 如 周 永 东 等 以 桉 木 为 研 究 对 象, 从 其 微 观 构 造 角 度 出 发, 证 明 微 波 处 理 可 消 除 残 余 生 长 应 力, 改 变 木 材 内 部 结 构, 进 而 改 善 了 按 木 的 加 工 特 性 ;S. Ramasuamy [13] 指 出, 木 材 中 水 分 [14] 的 迁 移 在 木 材 内 外 压 力 差 作 用 下 形 成 渗 透 流 周 志 芳 等 研 究 了 高 强 度 微 波 干 燥 对 落 叶 松 木 材 冲 击 韧 性 和 弯 曲 性 能 的 影 响, 发 现 高 强 度 微 波 处 理 后 落 叶 松 木 材 微 观 结 构 [15-16] 发 生 变 化 且 冲 击 韧 性 有 所 提 高 ; 李 贤 军 等 研 究 了 微 波 处 理 对 桉 木 性 能 的 影 响, 发 现 增 加 微 波 辐 射 强 度 和 时 [17] 间 可 显 著 提 高 木 材 渗 透 性 ; 吕 悦 孝 等 通 过 电 镜 观 察 了 微 波 改 性 处 理 后 杨 木 和 水 曲 柳 木 材 超 微 构 造 的 变 化, 经 微 波 改 性 处 理 后, 导 管 间 纹 孔 膜 木 射 线 间 纹 孔 膜 大 部 [18-19] 分 破 裂, 侵 填 体 成 分 减 少 并 重 新 分 布 P. Vinden 等 应 用 微 波 进 行 木 材 干 燥 预 处 理, 发 现 微 波 干 燥 后, 黄 杉 属 ( 松 科 ) 等 木 材 的 渗 透 性 和 浸 注 性 大 幅 提 高 ;G. Torgovnikov 和 P. Vinden [20] 认 为 微 波 辐 射 也 有 利 于 斜 叶 桉 蓝 桉 亮 果 桉 等 木 材 生 长 应 力 和 干 燥 应 力 的 释 放 [21] Piotr Zielonka 等 通 过 试 验 测 定 了 微 波 干 燥 对 云 杉 内 部

2 278 农 业 工 程 学 报 ( 年 的 温 度 和 含 水 率 分 布, 研 究 表 明 : 直 接 面 向 微 波 辐 射 源 的 木 材 表 面 吸 收 的 微 波 能 量 最 多, 水 分 降 低 速 率 最 快, 但 最 高 温 度 出 现 在 离 外 表 面 几 毫 米 的 木 材 内 [22-23] Torgovnikov 等 研 究 了 微 波 干 燥 对 辐 射 松 花 旗 松 心 材 白 桃 花 心 桉 和 斜 叶 桉 木 材 渗 透 性 的 影 响, 发 现 微 波 干 燥 后, 材 料 渗 透 性 显 著 改 善 国 内 外 已 经 研 究 了 微 波 干 燥 对 桉 木 杨 木 以 及 松 木 等 木 材 的 影 响, 但 是, 目 前 的 相 关 研 究 报 道 中 还 未 见 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 力 学 性 能 及 微 观 测 试 相 关 的 报 道 [14] 依 据 文 献 分 析, 微 波 干 燥 后 蒿 草 茎 秆 的 微 观 结 构 及 力 学 性 能 是 判 断 蒿 草 茎 秆 能 否 有 效 用 于 一 次 性 筷 子 加 工 的 基 础 为 此, 本 文 选 取 东 北 地 区 常 见 的 蒿 草 茎 秆, 进 行 微 波 干 燥 前 后 微 观 结 构 及 弯 曲 径 向 压 缩 性 能 分 析 及 试 验, 以 揭 示 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 性 能 的 影 响, 为 实 现 草 本 筷 子 的 加 工 和 应 用 提 供 理 论 参 考 1 材 料 与 方 法 1.1 材 料 及 仪 器 蒿 草 是 一 年 生 植 物, 其 茎 秆 的 横 断 面 由 外 向 内 为 表 皮 ( 青 皮 ) 韧 皮 纤 维 层 木 质 部 和 骨 髓 部 等 获 取 蒿 草 的 目 的 主 要 是 获 取 其 木 质 部, 将 其 加 工 成 一 次 性 筷 子 本 文 试 验 样 本 来 自 大 连 庄 河 市 2014 年 11 月 成 熟 期 的 30 根 蒿 草 茎 秆, 要 求 通 直 无 虫 害, 含 水 率 为 25%~40%, 整 株 平 均 可 达 76~90 个 侧 枝, 手 工 去 叶 和 侧 枝, 株 高 为 1.3~1.5 m, 分 别 在 梢 部 ( 长 度 区 间 1.1~1.5 m), 中 部 ( 长 度 区 间 0.4~1.1 m) 与 底 部 ( 长 度 区 间 0~0.4 m) 截 取 3 段 长 度 为 210 mm 茎 秆, 制 成 待 测 试 样, 存 放 于 通 风 阴 凉 处, 温 度 为 15 具 体 的 试 样 规 格 如 表 1 所 示, 由 表 中 可 以 看 出, 整 批 蒿 草 茎 秆 从 底 部 到 梢 部, 直 径 范 围 逐 渐 变 小, 梢 部 处 直 径 为 4~5 mm 左 右, 由 于 蒿 草 茎 秆 原 料 需 经 磨 削 等 工 艺 去 除 部 分 余 量, 所 以, 对 比 日 常 使 用 的 直 径 5~6 mm 左 右 的 筷 子 可 知, 蒿 草 茎 秆 的 梢 部 直 径 偏 小, 不 宜 加 工 筷 子, 中 部 为 筷 子 最 佳 加 工 位 置, 底 部 次 之 含 水 率 的 测 量 采 用 希 玛 AR971 型 水 分 测 试 仪 ( 东 莞 万 创 电 子 制 品 有 限 公 司 生 产 ), 该 仪 器 测 量 误 差 为 ±2%, 反 应 时 间 为 1 s 微 波 干 燥 装 置 采 用 格 兰 仕 G70F20N2L-DG 型 微 波 炉 ( 广 东 格 兰 仕 生 活 电 器 商 业 有 限 公 司 ), 为 了 提 高 干 燥 能 力 和 速 度, 试 验 中 使 用 功 率 为 700W 表 1 试 样 性 状 及 规 格 Table 1 Properties and specifications of sample 试 样 部 位 Sample position 直 径 范 围 Diameter range/mm 含 水 率 范 围 Moisture content range/% 底 部 6.93~ ~32 中 部 5.32~ ~36 梢 部 4.21~ ~ 测 定 内 容 及 方 法 为 揭 示 微 波 干 燥 前 后 蒿 草 茎 秆 力 学 特 性 的 变 化 情 况, 判 断 以 蒿 草 茎 秆 为 原 料 的 一 次 性 筷 子 加 工 使 用 可 行 性, 从 以 下 几 方 面 分 析 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 力 学 性 能 的 影 响 :1) 应 用 MTS Test Suite MP2.3 型 万 能 试 验 机 ( 美 特 斯 工 业 系 统 中 国 深 圳 有 限 公 司 生 产 ) 测 试 微 波 干 燥 前 后 蒿 草 茎 秆 径 向 受 压 特 性, 判 断 其 加 工 可 行 性 ;2) 为 获 得 应 用 环 境 下 筷 子 的 受 力 情 况, 测 试 微 波 干 燥 前 后 蒿 草 茎 秆 抗 弯 特 性, 以 判 断 草 本 筷 子 应 用 可 行 性 试 验 选 取 30 根 蒿 草 茎 秆, 将 其 中 部 与 底 部 ( 湿 基 ) 作 为 试 样, 去 除 表 皮 后 直 径 约 6 mm 长 度 为 210 mm, 浸 水 至 含 水 率 55%, 采 用 美 国 MTS 万 能 试 验 机 分 别 测 试 自 然 干 燥, 微 波 干 燥 及 300 s 蒿 草 茎 秆 的 径 向 压 缩 力 学 特 征 自 然 干 燥 是 在 室 外 无 风 状 态 下 进 行, 温 度 变 化 范 围 (12±3), 平 均 温 度 14.3, 相 对 湿 度 变 化 范 围 为 25%~ 45%, 置 于 非 阳 光 直 射 处 经 2.5 h 晾 晒 至 含 水 率 10% 以 下 为 了 探 究 蒿 草 茎 秆 含 水 率 与 干 燥 速 率 的 关 系, 同 时 将 含 水 率 为 55% 的 10 根 ( 约 40g) 蒿 草 茎 秆 试 样 顺 序 分 散 在 700 W 的 微 波 炉 中 进 行 干 燥, 分 时 间 段 在 蒿 草 茎 秆 的 不 同 位 置 依 次 将 水 分 测 试 仪 的 2 根 探 针 插 入 1.5 mm 进 行 含 水 率 测 量, 取 其 平 均 值 作 为 试 验 数 据 2 结 果 与 分 析 2.1 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 材 性 影 响 分 析 微 波 干 燥 过 程 含 水 率 变 化 微 波 干 燥 过 程 中, 微 波 渗 透 到 蒿 草 茎 秆 内 部, 茎 秆 内 的 自 由 水 及 吸 着 水 以 渗 透 流 方 式 向 外 迁 移, 渗 透 流 的 形 成 导 致 干 燥 速 度 进 一 步 加 快 [24-25] 通 过 微 波 干 燥 方 式 进 行 蒿 草 茎 秆 干 燥 处 理, 含 水 率 变 化 过 程 主 要 表 现 为 降 速 干 燥 阶 段, 如 图 1a 所 示, 该 试 验 中 蒿 草 茎 秆 升 速 干 燥 阶 段 约 为 120 s, 该 阶 段 含 水 率 下 降 16%, 预 热 阶 段 较 短, 这 主 要 因 为 蒿 草 茎 秆 微 波 干 燥 主 要 由 内 部 水 分 的 扩 散 控 制 引 起 [26], 蒿 草 茎 秆 微 波 干 燥 恒 速 干 燥 阶 段 表 现 不 明 显, 主 要 集 中 在 降 速 干 燥 阶 段 同 时, 如 图 1b 所 示, 由 于 微 波 干 燥 是 从 内 到 外 进 行, 这 a. 蒿 草 茎 秆 干 燥 速 率 曲 线 a. Drying rate curve of wormwood stem b. 蒿 草 茎 秆 干 燥 曲 线 b. Drying curve of wormwood stem 图 1 蒿 草 茎 秆 微 波 干 燥 速 率 曲 线 及 干 燥 曲 线 Fig.1 Microwave drying rate curve and drying curve of wormwood stem

3 第 10 期 孙 伟等 微波干燥对蒿草茎秆力学性能的影响 里给出蒿草茎秆由外层到内层含水率变化均值的干燥曲 线图 从图中看出 随着微波时间延长 含水率逐渐降 低 且在前 120 s 内 含水率下降较快 在 700 W 功率的 微波炉中 经过 420s 即可将含水率为 55%的 10 根蒿草 茎秆 约 40 g 降低到 10% 420 s 以后含水率下降逐渐 变缓 该过程含水率趋近 5% 随时间递增含水率下降不 大 这表明在干燥后期 蒿草茎秆中的水分已经大部分 排除完毕, 此时 微波能少部分用于蒸发蒿草茎秆中残余 水分, 大部分能量被用来提高蒿草茎秆的温度[27] 干燥速 率逐渐下降 水分迁移对蒿草茎秆纤维组织的影响 相关研究表明 渗透流是微波干燥过程中水分迁移的 主要方式 自由水及吸着水蒸气压力大于细胞壁的连接强 度后 细胞壁破裂形成渗透流[28] 其形成导致干燥速度进 一步加快 同时破坏了细胞壁的纹孔结构 释放了蒿草茎 秆生长应力 避免生长应力释放引起的结构变形 为揭示微波干燥过程中渗透流对蒿草茎秆微观结构 的影响 应用 Ruihoge/睿鸿 XSP x 型电子显微镜 南京南派科技有限公司 测试微波干燥前后蒿草茎秆纤 维组织的变化 图 2a 为微波干燥前的纤维组织 图 2b 为微波干燥 300 s 后的纤维组织 两图均为放大 200 倍观 测 从图中可以看出 微波干燥后 内部纤维细胞组织 由密变稀 未经微波处理的蒿草茎秆纤维组织结构紧密 形成相互交错的网络状结构 其微观组织结构决定了蒿 草茎秆含水率高 生长应力大等特征[29] 微波干燥后 由于自由水及吸着水蒸气压力作用 起承力作用的长条 形纤维结构更加明晰 纤维层稀疏 细胞之间依靠横向 纤维进行连接 茎秆内部细胞会产生不同程度的裂隙 增加了茎秆中的孔隙度 提高流体的迁移能力 a. 微波干燥前 a. Before microwave drying b. 微波干燥 300 s b. Microwave drying of 300 s 图 2 微波干燥前后蒿草茎秆内部纤维组织对比 200 倍 Fig.2 Internal fibrous tissue contrast of wormwood stem before and after microwave drying (200 times) 2.2 微波干燥对蒿草茎秆力学性能影响分析 微波干燥对蒿草茎秆径向压缩性能影响 由于蒿草茎秆是中空结构 与普通木质材料有所区 279 别 为了获得微波干燥对蒿草茎秆径向压缩性能的影响 保证磨削加工可行性 本文对同一含水率为 55%的蒿草 茎秆进行不同微波时间下的径向压缩力学特性测试 测 试结果如图 3 所示 注 A 点为塑性变形节点 蒿草初始含水率为 55% 下同 Note A is the note of plastic deformation the initial moisture content of wormwood stems is 55%, the same below. 图 3 不同微波处理时间蒿草茎秆径向压缩载荷-位移曲线 Fig.3 Radial compression load - displacement curve of different microwave time of wormwood stem 从图 3 中可以看出 微波干燥不同时间对蒿草茎秆 的影响 随着微波时间的延长 茎草茎秆承受的最大载 荷缓慢增大 较微波前蒿草茎秆有小幅增长 变形量显 著增加 说明微波处理增加了蒿草茎秆的韧性 从 0 点 到 A 点 载荷与位移间近似符合线性变化规律 说明在 弹性变形范围 0 点到 A 点 内 微波处理前后 载荷 与位移之间的关系相近 A 点之后材料进入理想塑性变 形状态 即随着压缩位移增大 载荷相对保持不变直至 断裂 微波干燥 300 s 后蒿草茎秆可承担最大径向作用力约 为 630 N 高于自然干燥处理的 550 N 其原因在于微波干 燥过程 水气膨胀及迁移过程改变了茎秆微观结构 如 图 2 所示 承力结构相对集中满足更高径向承载要求 水分迁移过程形成的一系列微小纹孔裂隙未对茎秆径向 承力特性造成较大影响 同时蒿草茎秆韧性增加 这主 要与内部的生长应力一定程度的释放有关[14] 查阅相关 文献[30] 水曲柳及松木等木材磨削时所受到的最大径向 作用力为 382 N 所以蒿草茎秆满足磨削加工要求 微波干燥对蒿草茎秆弯曲性能影响 测试分析微波干燥对蒿草茎秆弯曲特性的影响 可 以为一次性草本筷子的加工质量及应用可行性提供一定 的理论指导 由于筷子在使用过程中 含水率基本要控 制在 10%以下 因此本文主要对蒿草茎秆在含水率 55% 下经微波加热 300 s 以及自然干燥后进行弯曲力学测试 测试结果如图 4 所示 由图 4 所示的试验结果表明 微波干燥 41 N 与 自然干燥 48 N 相比 蒿草茎秆可承受的弯曲载荷降 低了 同时 在相同载荷作用下 微波干燥后茎秆弯曲 变形量变大 从图中可以看出 未经微波干燥的蒿草茎 秆 当位移达到 5 mm 左右 曲线瞬间下降 表明压头的

4 280 农 业 工 程 学 报 ( 年 压 力 超 过 茎 秆 的 强 度 极 限, 茎 秆 发 生 折 断, 然 而 经 微 波 300 s 后 的 蒿 草 茎 秆, 位 移 达 到 7 mm 左 右 才 有 此 现 象 发 生, 发 生 折 断 时 的 位 移 明 显 扩 大, 表 明 经 微 波 干 燥 后, 蒿 草 茎 秆 韧 性 增 加, 同 时, 与 自 然 干 燥 相 比, 蒿 草 茎 秆 的 直 线 度 明 显 改 善, 由 1.1/210 (mm/ mm) 变 为 0.4/210 (mm/mm), 这 主 要 是 因 为 微 波 干 燥 会 使 蒿 草 茎 秆 内 部 产 生 物 理 化 学 应 力 松 弛, 从 而 释 放 蒿 草 茎 秆 内 部 的 生 长 应 力 [31], 另 一 个 原 因 则 是 微 波 干 燥 使 蒿 草 茎 秆 微 观 结 构 发 生 一 些 变 化, 蒿 草 茎 秆 经 微 波 处 理 产 生 微 细 裂 纹 并 进 一 步 扩 展, 从 而 形 成 较 大 的 微 裂 隙, 尤 其 是 胞 间 层 之 间 产 生 的 裂 隙, 对 弯 曲 强 度 冲 击 韧 性 及 直 线 度 都 有 一 定 的 影 响 试 件 在 加 载 过 程 中, 破 坏 容 易 从 已 有 的 微 裂 纹 或 宏 观 裂 纹 处 迅 速 发 展, 使 试 件 在 较 小 的 弯 曲 作 用 力 下 即 产 生 破 坏, 抗 弯 强 度 下 降 [14,32] 表 2 一 次 性 筷 子 与 蒿 草 茎 秆 筷 子 力 学 性 能 对 比 Table 2 Mechanical performance comparison of disposable chopsticks and wormwood stem chopsticks 类 型 Type 一 次 性 木 质 筷 子 Disposable woodiness chopsticks 蒿 草 茎 秆 筷 子 Wormwood stem chopsticks 径 向 压 缩 载 荷 Radial compression load /N 弯 曲 载 荷 Bending load /N 由 表 中 可 以 看 出, 蒿 草 茎 秆 作 为 一 次 性 筷 子 所 受 的 径 向 压 缩 载 荷 和 弯 曲 载 荷 分 别 为 630 和 41 N, 而 日 常 生 活 使 用 的 普 通 一 次 性 筷 子 的 径 向 压 缩 载 荷 和 弯 曲 载 荷 860 和 35 N, 参 照 国 家 标 准 (GB/T ) 中 折 断 试 验 方 法 测 得 筷 子 使 用 过 程 中 受 到 的 弯 曲 载 荷 最 大 约 6~10 N, 对 比 两 者 数 据 可 以 看 出, 以 蒿 草 茎 秆 为 原 料 加 工 一 次 性 筷 子, 满 足 日 常 需 求, 同 时 具 有 经 济 性 和 环 保 的 推 广 价 值 3 结 论 图 4 微 波 干 燥 前 后 蒿 草 茎 秆 弯 曲 载 荷 - 位 移 曲 线 Fig.4 Bending load - displacement curve of wormwood stem before and after microwave drying 筷 子 使 用 过 程 中 相 当 于 一 个 受 集 中 力 的 悬 臂 梁, 抗 弯 计 算 公 式 为 : M = F L (1) 4 πd I = (2) 64 M d σ = (3) 2I 式 中 :F 为 草 本 筷 子 使 用 过 程 中 可 承 受 的 最 大 弯 曲 载 荷,N;L 为 载 荷 作 用 点 到 固 定 端 的 距 离,mm, 取 L=100 mm;d 为 工 件 直 径,mm, 取 d=6 mm; M 为 草 本 筷 子 受 到 的 最 大 弯 矩,N mm; I 为 试 件 横 截 面 对 中 性 轴 的 惯 性 矩,mm 4 ; σ 为 草 本 筷 子 受 到 的 最 大 抗 弯 强 度, MPa 根 据 图 4 测 试 数 据, 微 波 干 燥 后 取 F =41 N, 由 此 可 得, 蒿 草 茎 秆 的 抗 弯 强 度 为 MPa 由 文 献 [33] 可 知, 木 材 和 竹 材 按 同 样 试 验 方 法 所 承 受 的 抗 弯 强 度 分 别 为 和 MPa, 因 此, 用 蒿 草 茎 秆 作 为 一 次 性 筷 子 加 工 原 料 满 足 抗 弯 强 度 要 求 分 析 结 果 对 比 为 了 验 证 蒿 草 茎 秆 代 替 原 有 的 普 通 竹 木 一 次 性 筷 子 的 可 行 性, 这 里 分 别 将 30 根 经 微 波 干 燥 后 蒿 草 茎 秆 筷 子 与 日 常 生 活 中 使 用 的 普 通 木 质 筷 子 的 径 向 压 缩 和 弯 曲 载 荷 取 平 均 值 进 行 对 比, 结 果 如 表 2 所 示 微 波 干 燥 是 以 蒿 草 茎 秆 为 原 料 进 行 一 次 性 筷 子 加 工 的 重 要 工 艺 手 段, 为 揭 示 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 材 性 及 力 学 性 能 的 影 响, 理 论 与 实 验 相 结 合 开 展 研 究, 得 到 如 下 结 论 : 1) 微 波 干 燥 是 有 效 的 蒿 草 茎 秆 干 燥 手 段, 效 率 较 高, 应 用 700 W 干 燥 装 置, 经 420 s 即 可 将 10 根 ( 约 40 g) 蒿 草 茎 秆 含 水 率 从 55% 降 低 到 10% 以 下, 适 合 于 蒿 草 茎 秆 的 干 燥 和 校 直 工 序 的 应 用 2) 微 波 干 燥 300 s 后, 蒿 草 茎 秆 承 受 的 径 向 压 缩 载 荷 为 630 N 高 于 自 然 干 燥 的 550 N, 材 料 呈 现 强 化 塑 性 变 形 特 点, 说 明 微 波 干 燥 改 变 了 茎 秆 微 观 结 构, 承 力 结 构 相 对 集 中, 满 足 更 高 径 向 承 载 要 求, 对 比 木 材 磨 削 过 程 所 受 径 向 压 缩 载 荷 情 况, 蒿 草 茎 秆 用 于 磨 削 加 工 一 次 性 筷 子 是 可 行 的 3) 微 波 处 理 使 蒿 草 茎 秆 的 抗 弯 载 荷 下 降, 与 自 然 干 燥 相 比, 微 波 干 燥 后 茎 秆 可 承 受 的 弯 曲 载 荷 从 48 降 低 到 41 N, 同 时 蒿 秆 的 弯 曲 变 形 量 增 大, 说 明 蒿 秆 韧 性 增 加 微 波 干 燥 后 的 草 本 筷 子 可 承 受 的 最 大 弯 曲 载 荷 和 抗 弯 强 度 分 别 为 41 N 和 MPa, 可 以 满 足 日 常 使 用 需 求 ( 最 大 约 6~10 N) 经 历 微 波 干 燥 的 蒿 草 茎 秆 可 以 作 为 制 作 一 次 性 筷 子 的 原 料, 应 用 前 景 广 阔 [ 参 考 文 献 ] [1] 付 永 民. 筷 子 设 计 研 究 报 告 [J]. 设 计,2014(4): Fu Yongmin. Research report of chopsticks design[j]. Journal of Design, 2014(4): (in Chinese with English [2] 周 建 斌, 张 建, 范 文 翔. 芦 蒿 秆 热 解 产 物 性 能 及 利 用 的 研 究 [J]. 技 术 开 发,2008,22(3): Zhou Jianbin, Zhang Jian, Fan Wenxiang. Study on property and application of pyrolysis productions of artemisia selengensis straw[j]. China Forestry Science and Technology, 2008, 22(3): (in Chinese with English [3] 刘 伟, 董 加 宝. 芦 蒿 的 开 发 利 用 [J]. 中 国 食 物 与 营 养, 2006(7):22-23.

5 第 10 期 孙 伟 等 : 微 波 干 燥 对 蒿 草 茎 秆 力 学 性 能 的 影 响 281 Liu Wei, Dong Jiabao. The development and utilization of artemisia selengensis turoz[j]. Food and Nutrition in China, 2006(7): (in Chinese with English [4] 郑 昕, 曹 金 珍. 木 材 液 体 渗 透 性 的 改 善 方 法 [J]. 林 业 机 械 与 木 工 设 备,2008,36(11): Zheng Xin, Cao Jinzhen. Methods to improve the liquid permeability of wood[j]. Forestry Machinery and Woodworking Equipment, 2008, 36(11): (in Chinese with English [5] Zielonka Piotr, Gierlik. E, Matejak, M, et al. The comparison of experimental and theoretical temperature distribution during microwave wood heating[j]. Holzals Roh-und Werkstoff, 1997, 55(5): [6] Dedic A, Zlatanovie M. Some aspects and comparisons of microwave drying of beech (Fagus moesiaca) and fire wood (Abies Alba)[J]. Holzals Roh-und Werkstoff, 2001, 59(3): [7] Hansson L, Anttl A L. The effect of microwave drying on norway spruce woods strength: a comparison with conventional drying[j]. 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