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曲げ竹の径方向分布密度、MFA、MOEに及ぼす曲げの影響
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曲げ竹の径方向分布密度、MFA、MOEに及ぼす曲げの影響

May 25, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8610 (2022) この記事を引用

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2 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

竹の優れた特徴の一つは変形安定性です。 しかし、竹の曲げ安定性が優れている理由は十分に研究されていません。 本研究では、竹の曲げ変形を制御する経路を調べました。 SilviScan 解析を使用して、半径方向に沿った連続密度分布、ミクロフィブリル角度 (MFA)、および弾性率 (MOE) を検査するために、手で曲げたフィロスタキス 虹彩の部材を選択しました。 我々の結果は、曲がった竹では、中立サンプルよりも引張サンプルではMFAが低く、圧縮サンプルではMFAが高いことを示しています。 密度と MOE の間には強い正の線形相関がありますが、MOE と MFA の間には負の線形相関があり、MFA と密度の間には明らかな線形相関はありません。 曲げの増加は主に MOE の変化に影響を与えましたが、密度分布と MFA も変化しました。 私たちの結果は、引張サンプル、中立サンプル、圧縮サンプルの半径方向に沿った密度、MOE、MFA 分布の変化を示しており、これらは竹の曲げ特性を維持する上で重要な役割を果たしています。

曲げ部材は建築物、橋梁、家具などの構造物に幅広く使用されています。 曲げ材は通常、元の状態が変化すると元に戻る性質を持つ真っ直ぐな材から製造されます。 ただし、しわ 1、2、断面変形 3、4、5、壁厚の変動 6 などの曲げ欠陥は、曲げプロセス 7 や曲げコンポーネントの安全性と耐用年数に悪影響を与える可能性があります。 その結果、曲げ欠陥の試験、評価、分析は、曲げ部材の用途において重要な役割を果たします。

特に金属については、曲げ欠陥の除去8、形状曲げ精度9、曲げ部の結晶構造10などについて多くの研究がなされているが、竹の曲げ特性については、現時点ではほとんど研究が報告されていない。 これは主に、竹の実用化が非常に限られているためです。 最近、鉄鋼生産に伴う環境への懸念が高まっているため、竹の利用可能性を検討するための研究がさらに行われています。 竹は、ベトナムのハノイにあるレストラン Roc Von などの近代建築 11 や、竹カップなどのその他の日用品 12 にも徐々に使用されてきました。 しかし、曲げ部材は竹の優れた曲げ特性を最大限に活かすことができます。 竹の曲げ特性に関する研究は、曲げ材料としての竹の機械化と工業化を支援するには非常に限られています。 バイオマス材料のスプリングバック特性は、空洞および親水性ヒドロキシル基が吸水および膨張能力を促進できるため、金属および/またはプラスチックよりも普遍的であると考えられていました13。 竹も実際には優れた曲げ形状と安定性を示しますが、バイオマス材料に取って代わる、または補完する可能性を最大限に特定するための研究はほとんど行われていません。 竹管は中空構造のため、曲げ形状が優れており、中実の鋼管よりも安定性が高くなります。 ただし、安定性に影響を与えるのは中空構造だけではなく、竹と鋼では他の特性にも大きな違いがあります。 竹は階層的かつ異方性の構造を持ち、異なる方向にわたって異なる特性を示しました14,15。 さらに、竹は密度分布が外皮から内皮まで放射状に変化するため不均一な特性を発現し16、金属と比較して曲げ材料としての竹の使用をさらに複雑にします。

工業化された加工や大規模な商業利用が促進される場合、曲げ部材の製造には竹が望ましい選択肢となるはずです。 急速な成長と低エネルギー消費を考慮すると、竹は大規模商業用途の曲げ部材として金属や他のバイオマス製品に取って代わる可能性があります。 本研究では、手作りの火入れ法で曲げた竹を用いて、異なる湿度条件下での竹の跳ね返り挙動を調べました。 また、曲げ竹のスプリングバック挙動を、径方向の密度分布、断面の内側、中間、外側のミクロフィブリル角度（MFA）と弾性率（MOE）の変化を調べることで評価しました。 私たちの主な目的は、曲げが竹にどのような影響を与えるかを調査し、竹の産業化を実現するための重要なガイドラインを提供することです。

この研究では、Suoshi Bamboo Inc. から入手した Phyllostachys iridescens を使用しました。この研究で使用した植物 phyllostachys iridescens は、非常に一般的な市販の竹の種であり、この植物のコレクションは、関連する制度的、国家的、および国際的なガイドラインおよび法律 (IUCN を含む) に準拠しています。絶滅の危機に瀕している種に関わる研究に関する政策声明および絶滅の危機に瀕している野生動植物の種の取引に関する条約。

竹は中国安徽省広徳県産の稈壁厚さ約4mmの3齢のものでした。 phyllostachys iridescens を手に持った後、液体ガスの炎で加熱することにより、曲率半径約 270 mm で加工しました (図 1a)。

サンプリング: (a) 曲がった竹。 (b) スプリングバック挙動のサンプルと寸法測定: cl 弦の長さ、dl1、dl2、dl3 の左端、中央、右端の長さの直径。 (c) SilviScan 分析用のサンプリング。

曲がった竹を、飽和塩溶液を使用した 3 つの異なる相対湿度条件下で密閉したデシケーターに置きました (表 1)。 安定した相対湿度を維持するために、デシケーターを環境チャンバー内で 25 °C に保ちました。 曲がった竹の寸法 (図 2) は、24 時間ごとに 15 回、次に 96 時間ごとに 5 回、最後に 192 時間ごとに 2 回、合計 47 日間測定されました。 これは、過去 2 回の寸法の変化が 0.5% を超えていないことを確認するために行われました。

サンプルの準備とテスト: (a) 曲げ竹セクションからのサンプリング手順、(b) テスト中のサンプルの保持。

図1bのように定義された寸法が測定されました。 曲がった竹のスプリングバック挙動は次のように計算されました。

ここで、\(R{c}_{l}\)、\(R{d}_{l/s}\) は、時間の経過に伴う弦の長さの変化の比率、および長直径と短直径の比率です。 それぞれ。 添え字 \(n\) は曲げた竹を飽和食塩水の入ったデシケーター中に保管した後の測定値を表し、\(0\) は元の値を表します。

曲げ竹の内側、中央、外側の 3 つのサンプルをテスト用に準備しました。 竹リングの応力平衡状態に基づいて、曲げた竹サンプルの内側、中央、外側はそれぞれ圧縮応力、中立応力、引張応力を受けました（図1c、2a）。 ３箇所をカラーマークし、稈から長さ１２ｍｍ、周囲約４／５の切片を抽出した（図２ａ）。 各色でマークされた位置で、鋭利な薄い刃で 6 mm (接線方向) 片を切り落としました。 サンプルには、圧縮側 (C)、中立側 (N)、および引張側 (T) が含まれていました。 次に、ツインブレード鋸を使用して、断片を 2 mm (接線方向) × 7 mm (縦方向) × 実際の厚さ (半径方向) のストリップに切断しました。

SilviScan 解析を使用して、半径方向の密度分布を測定しました。 濃度測定をストリップの長手方向表面に対して実行して、２５μｍの解像度で濃度を提供した。 各ストリップの竹の密度は、X 線濃度測定を使用してスキャンされました。 濃度測定は、サンプルを通過する X 線ビームの強度がサンプルの厚さとともに指数関数的に減少し、減衰の程度がサンプルの密度に関係するというビールの法則に従います (式 3)。

ここで \({I}_{0}\) と \(I\) は入射 X 線ビームと透過 X 線ビームの強度です。 \(D\) と \(T\) はそれぞれ、サンプルの密度と厚さ (つまり、X 線が進む距離) です。 \({\mathrm{\alpha }}_{m}\) は質量吸収係数です。

SilviScan 分析を使用して、半径方向の MFA 分布を測定しました。 回折測定は、長手方向表面に対して 0.1 mm の解像度で実行されました。 各ストリップを X 線回折法を使用して MFA についてスキャンしました。 MFA は、セルロース I (002) 方位回折プロファイルの分散とミクロフィブリル配向分布との関係を使用して推定されます。(002) 回折パターンは、法線がミクロフィブリル軸に垂直な面から得られます。 (002) 方位角回折プロファイルの分散 (\({S}^{2}\)) は、MFA (\(\mu \)) と分散 (\({\sigma }^{2} \)) 以下に示すミクロフィブリル配向分布の 17:

プロファイルの合計分散 (式 4) は、平均 MFA とミクロフィブリル配向の分散の関数として推定されます。 MFA は積分モードで取得され、MFA はサンプルに沿ったセグメント内 (0.1 mm セグメント) で平均化されます。

X 線濃度測定からの密度 (D) と X 線回折プロファイル (ICV) の強度の変動係数を組み合わせて、ファイバー MOE18 を計算します。

\({I}_{CV}\) は細胞壁の構成要素からの散乱です。 モデルには、統計的に決定された 2 つの校正定数 (\(A\) および \(B\)) が含まれています。これらは種に依存せず、校正に使用される音響共鳴法に関連しています18。 これは、計算された MOE SilviScan がダイナミクス状態を表すことを意味します。

異なる相対湿度下での Rdl/s と Rcl の経時変化を図 3 に示します。 33% RH、59% RH、98% RH、これは、曲げた竹は低湿度または高湿度の条件下でもほとんど戻りにくく、寸法安定性が高いことを示しています。

異なる相対湿度での比率の時間変化: (a) 長径と短径の比 (Rdl/s)、および (b) 弦長 (Rcl)。

竹は多量のシリコン化合物 19 を含むため、滑らかで疎水性の高い表面 20 を持ち、その結果竹の曲げ安定性が維持されます。 我々は、生体材料である竹の高湿度下でのビスコース変形回復により、Rdl/s、Rclの経時的な寸法変化が限定的であることを発見しました21。

曲げ竹断面の C、N、T における密度、MFA、MOE の半径方向の分布を図 4 に示します。結果は、密度、MOE、MFA の半径方向の分布が類似していることを示し、MOE は竹の黄色層 (YL) から増加しました。 ) から竹緑層 (GL) まで、MFA は 3 つのサンプルすべてで GL と比較して YL ではるかに高くなります。

(a) C サンプル、(b) N サンプル、および (c) T サンプルの YL から GL までの密度、MFA、および MOE の放射状分布。

曲げ竹のC、N、TサンプルのYLからGLまでの半径方向に沿った密度分布を図5aに示します。 YL から GL への密度増加の同様の傾向が 3 つのサンプルすべてで見られ、C サンプルの密度分布は N サンプルよりも低くなります。 C、N、T サンプルの算術平均密度値は、720.38 kg/m3、775.97 kg/m3、および 742.75 kg/m3 として個別に計算され、曲げ竹では C サンプルと T サンプルの平均密度が N サンプルと比較して減少したことを示しています。 圧縮木材と引張木材の平均密度も引張木材とは異なり、密度と引張木材の繊維の割合の間に正の相関関係が示されました 22,23。 一般に、密度は木材の収縮と強い相関があります24。 圧縮部分と引張部分の密度の減少は、曲げ竹の寸法安定性の向上に役立ちました。

さまざまな竹断面部分の竹の黄色から竹の緑色までの半径方向に沿った密度 (a)、MFA (b)、および MOE (c) の分布。

材料が何らかの外力を受けると、応力が増加してひずみが生じます。 場合によっては、応力が明らかな変形を引き起こすほど大きくない場合もありますが、木材、竹、その他の材料の内部の応力やひずみを正確に測定することは困難です。 一般に、大きな応力がかかるとひずみが見えるため、より正確に測定できます。 曲げは一種の明白な歪みであり、材料が曲げ荷重を受けると、最終的には曲げ部分の変形が生じます25、26。 チューブの断面は、曲げると円形から楕円形に変化します 27。これは、孔の変形の程度と形態の関数です。 細孔の変形に続いて、断面密度が再分布し（図5a）、その結果、内側、中間、および外側の曲げ部分に応力が再分布します28。

MFA は長手方向軸からのミクロフィブリルの傾きとして定義され、竹 29 と木材 30 の最終的な機械的特性を決定する上で重要な役割を果たします。 木材や竹の MFA に影響を与える可能性のある要因は数多くあります。たとえば、樹齢 29、31、種 32、断面内の場所などです。 31. 断面上のいくつかの点を抽出して半径方向に沿った MFA 分布についての先行研究は行われてきましたが 31、半径方向に沿った MFA の連続的な分布を調べる研究はほとんど行われていません。

サンプルC、N、およびTの0.1 mm解像度での半径方向に沿ったMFA分布を図5bに示します。 MFA は YL 付近約 0.2 ～ 0.5 mm で最も高く (38° ～ 48°)、続いて YL から 0.5 ～ 1.8 mm の距離で急激に減少 (10° ～ 4°) しました。 T を除く C と N については、最後の 1 mm でわずかな増加が見られました。C、N および T の算術平均 MFA 値は、竹壁全体の厚さで 12.5°、8.3°、および 8.3° と計算されます。 MFA はサンプル N とサンプル T でほぼ同じ算術平均値を示しましたが、緑の部分に近い外側半分の竹壁の値が最大の耐力強度を示しました32。 GL 付近の C、N、T は 11.0°、7.5°、5.0° と計算され、3 つの MFA 分布間の距離が大きくなりました。

MFA は、曲げ強さ、ヤング率 29 などの物性において重要な役割を果たし、竹の内部応力の変化を示す効果的な特性でもあります。 以前の研究では、引張応力の増加に伴って MFA が減少し 32、圧縮応力の増加に伴って MFA が増加することが示されています 33。 これは、これらの変化が主に外側の半分の竹壁で起こったことを示すこの研究の結果と一致します。 MFA の減少は、軸方向に沿ったセルロースの配向の向上によって表され、その結果、引張強度が高くなります 34。 同様に、MFA の増加は縦方向の圧縮の増加によって表され、その結果、曲げ性が向上します 35。 この外側半分の T 壁と C 壁における MFA の変化傾向は、竹が良好な曲げ安定性を持っていることを示しています。

材料は、外部から荷重をかけて曲げると内部応力を受けます。 しかし、外力が取り除かれると、内部応力によって曲げ材料にはスプリングバック傾向が生じます。 この曲げスプリングバック特性は、曲率半径 36、37、曲げ方法 37、曲げ材料の機械的特性 38、39 によって変更できます。 最も重要な機械的特性の 1 つとして、MOE は曲げ部材の曲げスプリングバック特性と負の相関関係があります40、41。

半径方向に沿ったC、N、およびT部分の不均一なMOE分布を図5cに示します。 これら 3 つのサンプルでは、​​YL から GL までの距離が増加するにつれて MOE が増加します。 MOE の変化は最初は比較的小さく、その後中間で大きな変化が続き、最終的に最後の 0.2 mm で再び低下します。 MOE 値は T > N > C の順に異なり、算術平均値はそれぞれ 15.72 GPa、13.58 GPa、10.14 GPa と計算されます。 T、N、C の算術平均値は、管壁前半（YL 付近）では 6.73 GPa、6.13 GPa、4.22 GPa であり、後半（GL 付近）では 24.44 GPa、20.81 GPa、15.90 GPa でした。 後半の管壁は前半の管壁に比べて差が大きく、曲げ加工時に後半の管壁は前半の管壁よりも高い応力を負担することになる。

我々の結果は、曲げが曲げ部分の MOE に影響を与えることを示しています。 MOE 値は、中立部分と比較して引張部分と圧縮部分の両方でシフトします (図 5c)。これは、曲げ応力下での微細構造の変化によるものと考えられます。 たとえば、繊維配向と結晶配向度は引張中に増加し、圧縮中に減少します 34,42。これは、それぞれ引張段階と圧縮段階での MOE の増加と減少に似ています 43,44。 竹のスプリングバックは複数の要因によって引き起こされます。(1) 断面に沿った応力の不均一な分布 (半管の外側壁の応力が内側よりも高い)41。 （２）管壁の外側のＭＯＥが内側よりも高い。 (3)前半の竹管壁のMOEが後半よりも高い。 これらの特性は、曲がった竹のスプリングバックを軽減するのに役立つ可能性があります。

圧縮部品（図6）、中立部品（図7）、張力部品（図8）の位置、密度、MFAおよびMOEの間の相関関係がわかります。 位置と密度 (C については R2 = 0.85514、N については 0.75553、T については 0.79239)、位置と MOE (C については R2 = 0.82656、N については 0.85549、T については 0.85815)、MOE と密度 (R2 = C は 0.9202、N は 0.84819、T は 0.92819）。 位置と密度、位置とMOEの間の高い相関関係は、密度の半径方向分布によって引き起こされます（図5a）。 密度は竹や木材の強度の重要な決定要因であり 18,45、MOE と高い相関関係がありました。

圧縮部の位置、密度、MFA、MOEの相関関係。

中立部の位置、密度、MFA、MOEの相関関係。

引張部の位置、密度、MFA、MOEの相関関係。

MOE は曲げ用途にとって最も重要な機械的特性の 1 つであり、密度 46、MFA47、48 の影響を受けます。 MFA と密度は MOE に異なる影響を与える可能性があり、種の種類に応じて異なります。 たとえば、MFA と密度は、ユーカリプタス デレガテンシスの長手方向 MOE 変動の 96% を合わせて占めます 49。一方、MFA と密度は、それぞれ変動の 87% と 81% を個別に占めます 50。 MFA と密度の関係の分析では、Pinus taeda L.51 で負の相関 (-0.59) が示されました。 同様に、MFAとMOEは木材よりも半径方向に沿って大きな変動を示しました（密度は400kg/m3〜1400kg/m3、MFAは5°〜48°、MOEは2GPa〜40GPa（図6、7、8））これは、曲げ竹の C、N、T 部分の密度、MFA、MOE 間の相関関係が木材によって異なる可能性があることを示しています。

図3と図4に示すように、MOEと密度の間に良好な直線相関があることがわかりました。 6n、7n、8n、9a、C、N、N 部分の分散比率 R2 = 0.9202、0.84819、0.92819 (図 6、7、8、9)。 この分散比率は、掘削抵抗技術と静的曲げ試験を使用して密度と MOE を推定した孟宗竹の R2 = 0.54 よりも高くなります。 それぞれ52． 同様に、SilviScan を使用して密度と MOE を分析したホワイト オークでは R2 = 0.47、SilviScan と振動試験を使用して密度と MOE を推定した E. delegatensis では R2 = 0.70 を示しています 49。 密度に対する MOE の傾きは、圧縮部分、中立部分、張力部分で 0.03202、0.04097、0.04501 です。 これは、MOE が圧縮時よりも引張時の密度に対してより敏感であることを示しています。

さまざまな竹断面部分の (a) MOE と密度、(b) MOE と MFA、(c) MFA と密度の相関。

図9bに示すように、MOEと密度の間には強い線形相関があることがわかりましたが、MOEとMFAの間には負の相関がありました。 結果は、expdec1 関数を使用した場合の張力部分の R2 = 0.42835 を示しています。 ただし、中立 (R2 = − 0.00937) および圧縮 (R2 = 0.04631) サンプルでは相関が低いか無意味であり、MOE が中立および圧縮部分と比較して引張部分の密度に対してより敏感であることを示しています。

また、MOE が MFA の特定の点を超えて減少しない「影響減少」点も見つかりました。 3 種類のユーカリ種 (プランテーションで栽培された E. グロブルス、E. ナイテンス、および E. レグナンス) では、「影響減少」点は 16° であると思われます50。 この研究では、曲げられた竹の「衝撃が減少する」ポイントは、セクションの位置が変化するにつれて変化しました。 「衝撃減少」点は、引張部、中立部、圧縮部のそれぞれで 17.2°、16.8°、13.8°でした。

以前の研究では、イニューカリ・グロブルス（r = − 0.66）およびマツ科マツ（r = − 0.59）におけるMFAと密度の間に負の相関があることが示されています53。 この研究では、図2および3に示すように、MFAと密度の間に明らかな線形相関はありませんでした。 6j、7j、8j、9c。 密度が 800 kg/m3 未満の特定の高い MFA 値ポイントでは、密度が変化しても MFA は一定に近づきます。 「衝撃の減少」および上記の点を除いた後の MFA 代数平均値は、引張部、中立部、圧縮部でそれぞれ 6.0°、6.9°、および 8.5°でした。 これは、MFA が引張下で減少し、圧縮下で増加することを示しています。これは、通常の木材と比較して引張および圧縮における MFA の変化傾向と一致しています 54,55。

本研究では竹の曲げ安定性を評価するために密度分布、MFA、MOEを解析しました。 主に YL から GL にかけて密度が増加することがわかりました。 私たちの結果では、中立部分 (775.97 kg/m3) と比較して、圧縮部分 (720.38 kg/m3) および引張部分 (742.75 kg/m3) の平均密度が低下していることもわかりました。 MFA の分析では、半径方向に沿って 4° ～ 48° の変動があり、黄竹付近の約 0.2 mm ～ 0.5 mm で最も高い値 (38° ～ 48°) を示しました。 0.5mm～1.8mm程度でMFAは4°～10°まで低下しました。 さらに、引張サンプルでは MFA が増加する一方、圧縮サンプルでは MFA が減少することがわかりました (C、N、T 部分で個別に 11.0°、7.5°、5.0°)。 MOE も YL から GL まで、T > N > C の順に増加しました。MOE 値の差は、内側半壁の 6.73 GPa、6.13 GPa、4.22 GPa から、24.44 GPa、20.81 GPa、15.90 GPa とますます大きくなりました。外側半分には、それぞれ引張サンプル、中立サンプル、圧縮サンプルが含まれます。

MOE と密度の関係を解析したところ、引張部、中立部、圧縮部のそれぞれで R2 = 0.9202、0.84819、0.92819 という強い正の相関が示されました。 また、MFA と MOE の間には逆相関があり、引張部、中立部、圧縮部の「衝撃減衰」点はそれぞれ 17.2°、16.8°、13.8°であり、その後は MOE の減少は見られませんでした。 MFA と密度の間には明らかな線形関係はありませんでした。 ただし、密度が 800 kg/m3 未満の場合に特定の高い MFA 値ポイントをいくつか削除した後、MFA 値は静的で、引張部、中立部、圧縮部でそれぞれ平均 6.0°、6.9°、および 8.5°でした。

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竹曲げ部材を提供していただいた Suoshi Bamboo Industry Co. Ltd の Xiaoming Suo 氏に感謝します。サンプルの SilviScan 分析については、Forestry Products Innovations の Tessie Tong 氏に感謝します。

この研究は、中国自然科学財団 (助成金番号 31800471) および竹と籐国際センターの基礎研究基金 (助成金番号 0.1632020016) によって資金提供されました。

南京林業大学家具工業デザイン学院（中国、南京）

Xuehua Wang、Jingwen Ma、Wei Xu、Caiping Lian

竹と籐の国際センター、北京、中国

本華飛と孫豊波

森林資源の効率的な加工と利用の江蘇共同イノベーションセンター（中国、南京）

王雪華 & 徐魏

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概念化、BF。 実験的操作、JM; データキュレーション、XW。 資金調達、XW、FS。 執筆—原案、XW。 執筆 - レビューと編集、XW、CL、WX

Caiping Lian または Fengbo Sun に対応します。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Wang、X.、Ma、J.、Xu、W. 他。 曲げ竹の径方向分布密度、MFA、MOEに及ぼす曲げの影響。 Sci Rep 12、8610 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12675-7

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受信日: 2021 年 12 月 27 日

受理日: 2022 年 4 月 4 日

公開日: 2022 年 5 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12675-7

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