甘蔗莖外皮機械特性檢測及像素分析

郭鑫等

摘要

[目的]更加精確地表征甘蔗莖外皮的機械特性。[方法]將傳統拉伸試驗與像素分析法相結合，測算出不同組別甘蔗莖外皮試件的拉伸強度及彈性模量，進而進行對比分析。[結果]研究表明，4組試件的拉伸強度整體呈下降趨勢，經堿處理不帶有甘蔗節的試件的拉伸強度最高，而未經堿處理帶有甘蔗節的試件，其拉伸強度相對微弱；較帶有甘蔗節的試件而言，不帶甘蔗節的試件的彈性模量相對較大。[結論]綜合來看，堿處理可在一定程度上提高甘蔗皮的機械性能；甘蔗節對甘蔗皮機械特性有所影響，但影響較小。

關鍵詞像素分析法；機械特性；甘蔗莖外皮；堿處理

中圖分類號S216.2文獻標識碼A文章編號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，甘蔗莖稈作為我國一種重要的農作物秸稈，越來越受到人們的關注。因其具有來源廣泛、價格低廉、可再生且再生周期短等優勢，可作為一種良好的代木纖維加以利用。而長期以來，蔗渣僅僅作為制糖廠本身的燃料或當做飼料使用，雖也有企業用其來造紙，但其利用率依然極低[1-3]。

目前，國內外一些學者致力于研究將玉米、棉稈等農作物秸稈作為一種增強性纖維材料添加到一些熱塑性塑料中，以代替木材材料制備木塑制品[4-9]。甘蔗皮纖維作為一種良好的木質化纖維，在該方面的應用也同樣具有較大的研究價值。因此，檢測甘蔗莖外皮的機械特性對其在該方面的應用具有指導意義。目前，對農作物秸稈的機械特性的檢測，大多數都通過拉伸、彎曲、剪切等試驗測得[10-12]，有一定的局限性。劉逸平等采用DIC法分析了水稻莖稈的軸向應變，并結合Photoshop軟件對水稻莖稈橫截面的幾何特性進行了測算，這種方法較傳統的試驗方法已較為可靠[13]。近年，CCD光學法與二維圖像測量技術越來越多地應用于微細尺寸的精確測量[13-14]，該技術具有非接觸、自掃描、精度高等優勢，已在工業中得到了廣泛的應用。

由于甘蔗具有甘蔗節這一特殊生理結構，其對甘蔗皮的機械性能勢必有所影響；而且甘蔗皮在應用過程中，大多需先經過堿處理[15]工序來去除其內部的果膠、木質素等有機雜質及一些抽提物。因此，為了更加精確地表征甘蔗皮的機械特性，筆者將對經過堿處理和未經堿處理以及帶有甘蔗節和不帶甘蔗節的甘蔗皮進行拉伸試驗，并應用MiVnt2K顯微圖像分析系統進行數據處理，結合像素分析法來測量試件的橫截面積，從而測算出甘蔗皮試件的拉伸強度和彈性模量，進而做出對比性分析。2.2像素分析法測定甘蔗皮試件的橫截面幾何參數

將拉伸試驗后的試件在不同位置截取3段，得到3個橫截面，用細砂紙將橫截面打磨平整，以保證采集圖像時更易識別橫截面的范圍，也可使圖像更加清晰。

試驗時，配以75 mm ZOOM鏡頭的高分辨率CCD相機與計算機相連，由專業軟件控制，圖像以灰度圖的形式顯示。在采集區域內放置水平標尺，并保持標尺與待測的橫截面基本在同一平面內，如圖1a所示。調節CCD相機焦距和光圈直至圖像清晰，并使圖像盡可能充滿控制軟件的圖像顯示區域。之后用MiVnt顯微圖像分析系統對試件的橫截面積進行測算，如圖1b所示。首先對尺寸進行標定，即圖中標注的1 cm的實際長度共有460個像素，如此便得到每個像素代表的實際尺寸為10 mm/460pixel=0.021 7 mm/pixel，用該數據對軟件進行設置后，再選中測算工具勾選圖中的白色區域即可得到橫截面積值。再分別測出每個試樣的寬度和厚度值，對每個試件的3組幾何數值分別求取算數平均值即為該試件的橫截面積、寬度、厚度，如表2所示。

由于甘蔗皮是一種活性的生物材料，所以其拉伸強度及彈性模量的測量結果存在一定的離散性，但從圖2、3中不難看出，這種離散性并不影響數據的整體趨勢。由圖2可以明顯看出，4組甘蔗莖外皮試件的拉伸強度整體呈遞減趨勢，第1組經堿處理且不帶甘蔗節的試件的拉伸強度是最高的，最大值達到95.70 MPa；第4組未經堿處理帶有甘蔗節的試件的拉伸強度相對較差，最大值也只有55.93 MPa。從圖中還可以看出，雖然1、3兩組不帶有甘蔗節的試件分別比2、4兩組帶有甘蔗節的試件的拉伸強度要高，但差距不是很大，其平均值分別相差17.73 MPa和13.25 MPa。由圖3可以看出，1、3兩組試件的彈性模量相對較高，而2、4兩組試件的彈性模量則偏低，且第1、2組，及第3、4組試件間的差距也不是很大，其平均值相差在13 GPa左右。

上述拉伸強度及彈性模量的變化趨勢的出現，可能是由于堿處理不僅將甘蔗皮中的果膠、蠟質、灰分等成分去除，且脫除了部分的木質素及半纖維素，從而使得甘蔗皮的強度得以提高；而甘蔗節中的木質素含量相對最高，雖經過堿處理

有部分脫除，但其含量仍然比其他部位的要高，因此造成節

部的強度下降；在拉伸試驗的過程中，帶有甘蔗節的2組試件的斷裂位置均為甘蔗節處，這也得以驗證上述分析。

綜合各組甘蔗皮試件的拉伸強度及彈性模量來看，第1組經堿處理不帶有甘蔗節的試件的綜合性能最為優異。

3 結論

應用MiVnt顯微圖像分析系統能夠較為精確地測算出甘蔗莖外皮試件的橫截面幾何參數，結合實際的拉伸試驗，可以得到材料相對較準確的機械性能。

堿處理可以在一定程度上提高甘蔗莖外皮的機械性能，可作為一種增強改性方式。

甘蔗節對試件的機械性能有所影響，但影響不是很大，在實際應用過程中可以不作為考慮因素。

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