Einfluss der Biegung auf die radiale Verteilungsdichte, MFA und MOE von gebogenem Bambus

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8610 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine der hervorragenden Eigenschaften von Bambus ist die Verformungsstabilität. Allerdings sind die Gründe für die gute Biegestabilität von Bambus noch nicht ausreichend erforscht. In dieser Studie haben wir die Wege untersucht, die die Biegeverformung in Bambus steuern. Ein handgebogenes Phyllostachys iridescens-Element wurde ausgewählt, um die kontinuierliche Dichteverteilung, den Mikrofibrillenwinkel (MFA) und den Elastizitätsmodul (MOE) entlang der radialen Richtung mithilfe der SilviScan-Analyse zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei gebogenem Bambus die MFA bei der Zugprobe geringer und bei der Druckprobe höher ist als bei der neutralen Probe. Es besteht eine starke lineare positive Korrelation zwischen Dichte und MOE, während eine negative lineare Korrelation zwischen MOE und MFA und keine offensichtliche lineare Korrelation zwischen MFA und Dichte besteht. Eine stärkere Biegung hatte vor allem Einfluss auf die Änderung des MOE, während sie gleichzeitig auch die Dichteverteilung und den MFA veränderte. Unsere Ergebnisse zeigen Variationen in der Dichte, MOE- und MFA-Verteilung entlang der radialen Richtung der Zug-, Neutral- und Druckproben, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Biegeeigenschaften von Bambus spielen.

Biegeelemente werden häufig in Bauwerken wie Gebäuden, Brücken, Möbeln und anderen Bereichen eingesetzt. Biegehölzer werden in der Regel aus geradem Schnittholz hergestellt, das bei verändertem Originalzustand wieder zurückfedern kann. Allerdings können Biegefehler wie Faltenbildung1,2, Querschnittsverformungen3,4,5 und Wandstärkenschwankungen6 negative Auswirkungen auf den Biegeprozess7 und die Sicherheit und Lebensdauer der Biegekomponenten haben. Daher spielen die Prüfung, Bewertung und Analyse von Biegefehlern eine wichtige Rolle bei der Anwendung gebogener Elemente.

Obwohl umfangreiche Untersuchungen zur Beseitigung von Biegefehlern8, zur Genauigkeit der Formbiegung9 und zur Kristallstruktur im Biegebereich10, insbesondere bei Metallen, durchgeführt wurden, gibt es derzeit nur wenige Forschungsergebnisse zu den Biegeeigenschaften von Bambus. Dies liegt vor allem daran, dass die praktische Anwendung von Bambus sehr begrenzt ist. Aufgrund zunehmender Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Stahlproduktion werden in jüngster Zeit weitere Untersuchungen durchgeführt, um die potenzielle Verwendung von Bambus zu untersuchen. Bambus wurde nach und nach in der modernen Architektur11 verwendet, beispielsweise im Restaurant Roc Von in Hanoi, Vietnam, und für andere Dinge des täglichen Bedarfs12, beispielsweise Bambusbecher. Biegeelemente können jedoch die hervorragenden Biegeeigenschaften von Bambus voll ausnutzen; Die Forschung zu den Biegeeigenschaften von Bambus ist sehr begrenzt, um die Mechanisierung und Industrialisierung von Bambus als Biegematerial zu unterstützen. Die Rückfederungseigenschaften von Biomassematerialien galten als universeller als Metalle und/oder Kunststoffe, da Hohlräume und hydrophile Hydroxylgruppen die Wasseraufnahme- und Expansionsfähigkeit fördern können13. Während Bambus in der Praxis auch eine gute Biegeform und Stabilität aufweist, wurden nur wenige Untersuchungen durchgeführt, um sein volles Potenzial als Ersatz oder Ergänzung für Biomassematerialien zu ermitteln. Aufgrund der hohlen Struktur haben Bambusrohre eine bessere Biegeform, die eine höhere Stabilität ermöglicht als massive Rohre aus Stahl. Allerdings ist die Hohlstruktur nicht das einzige Merkmal, das die Stabilität beeinflusst, und es gibt große Unterschiede in anderen Eigenschaften zwischen Bambus und Stahl. Bambus hat eine hierarchische und anisotrope Struktur, die in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften aufweist14,15. Darüber hinaus entwickelt Bambus ungleichmäßige Eigenschaften, da sich die Dichteverteilung radial von der Außenhaut zur Innenhaut ändert16, was die Verwendung von Bambus als Biegematerial im Vergleich zu Metallen weiter erschwert.

Bambus sollte eine wünschenswerte Wahl für die Herstellung von Biegeelementen sein, wenn die industrielle Verarbeitung und großtechnische kommerzielle Anwendungen gefördert werden. Angesichts des schnellen Wachstums und des geringen Energieverbrauchs kann Bambus wahrscheinlich Metalle und andere Biomasseprodukte als Biegeelement für großtechnische kommerzielle Anwendungen ersetzen. In dieser Studie verwendeten wir Bambus, der durch manuelles Erhitzen mit Feuer gebogen wurde, um das Rückfederungsverhalten von Bambus unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen zu untersuchen. Wir haben auch das Rückfederungsverhalten von gebogenem Bambus bewertet, indem wir Änderungen in der radialen Dichteverteilung sowie den Mikrofibrillenwinkel (MFA) und den Elastizitätsmodul (MOE) der Innen-, Mittel- und Außenseite des Querschnitts untersucht haben. Unser Hauptziel ist es, zu untersuchen, wie sich Biegen auf Bambus auswirkt, und wichtige Richtlinien für die Umsetzung der Bambus-Industrialisierung bereitzustellen.

In dieser Studie verwendeten wir Phyllostachys iridescens von Suoshi Bamboo Inc. Bei der in dieser Studie verwendeten Pflanze Phyllostachys iridescens handelt es sich um eine sehr verbreitete kommerzielle Bambusart. Die Sammlung dieser Pflanze entspricht den einschlägigen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen, einschließlich der IUCN Grundsatzerklärung zur Forschung zu Arten, die vom Aussterben bedroht sind, und zum Übereinkommen über den Handel mit gefährdeten Arten freilebender Tiere und Pflanzen.

Der Bambus war drei Jahre alt und hatte eine Halmwandstärke von etwa 4 mm. Er stammte aus dem Kreis Guangde in der Provinz Anhui in China. Der Phyllostachys iridescens wurde mit einem Krümmungsradius von etwa 270 mm (Abb. 1a) verarbeitet, indem er nach dem Halten in der Hand über einer Flüssiggasflamme erhitzt wurde.

Probenahme: (a) gebogener Bambus; (b) Proben- und Dimensionsmessung des Rückfederungsverhaltens: cl-Sehnenlänge, dl1, dl2, dl3 langer Durchmesser am linken, mittleren und rechten Rand; und (c) Probenahme für die SilviScan-Analyse.

Gebogener Bambus wurde unter Verwendung der gesättigten Salzlösungen unter drei verschiedenen Bedingungen der relativen Luftfeuchtigkeit in versiegelte Exsikkatoren gegeben (Tabelle 1). Die Exsikkatoren wurden in der Klimakammer bei 25 °C aufbewahrt, um eine konstante relative Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Die Abmessungen des gebogenen Bambus (Abb. 2) wurden 15 Mal alle 24 Stunden, dann 5 Mal alle 96 Stunden und schließlich 2 Mal alle 192 Stunden gemessen, was insgesamt 47 Tage dauerte. Dabei wurde sichergestellt, dass sich die Dimension in den letzten beiden Fällen nicht um mehr als 0,5 % geändert hat.

Probenvorbereitung und Prüfung: (a) Probenahmeschritte beim Biegen des Bambusabschnitts, (b) Halten der Proben während der Prüfung.

Die in Abb. 1b definierte Abmessung wurde gemessen. Das Rückfederungsverhalten von gebogenem Bambus wurde wie folgt berechnet:

wobei \(R{c}_{l}\), \(R{d}_{l/s}\) das Verhältnis der Änderung der Sehnenlänge und das Verhältnis von langem zu kurzem Durchmesser mit der Zeit sind; jeweils. Der Index \(n\) steht für die Messzahl, nachdem der gebogene Bambus im Exsikkator mit gesättigter Salzlösung aufbewahrt wurde, während \(0\) der ursprüngliche Wert ist.

Für den Test wurden drei Proben von der Innen-, Mittel- und Außenseite des gebogenen Bambus hergestellt. Basierend auf dem Spannungsgleichgewichtszustand im Bambusring erfuhren die Innen-, Mittel- und Außenseite gebogener Bambusproben Druck-, Neutral- und Zugspannungen (Abb. 1c, 2a). Die drei Stellen wurden farblich markiert und ein Abschnitt von 12 mm in Längsrichtung und etwa 4/5 des Umfangs wurde aus dem Halm extrahiert (Abb. 2a). An jeder farblich markierten Stelle wurde mit einer scharfen, dünnen Klinge ein 6 mm großes Stück (tangential) abgeschnitten. Die Proben umfassten die Druckseite (C), die neutrale Seite (N) und die Zugseite (T). Die Stücke wurden dann mit Doppelblattsägen in Streifen von 2 mm (tangential) × 7 mm (längs) × tatsächlicher Dicke (radial) geschnitten.

Zur Messung der radialen Dichteverteilung wurde die SilviScan-Analyse verwendet. An der Längsoberfläche der Streifen wurde Densitometrie durchgeführt, um eine Dichte mit einer Auflösung von 25 μm zu ermitteln. Die Bambusdichte für jeden Streifen wurde mithilfe der Röntgendensitometrie gescannt. Die densitometrische Messung folgt dem Beerschen Gesetz, das besagt, dass die Intensität eines Röntgenstrahls, der eine Probe durchdringt, exponentiell mit der Probendicke abnimmt und das Ausmaß der Schwächung mit der Dichte der Probe zusammenhängt (Gleichung 3):

wobei \({I}_{0}\) und \(I\) die Intensität des einfallenden und durchgelassenen Röntgenstrahls sind; \(D\) und \(T\) sind jeweils die Dichte und Dicke (dh die Entfernung, die der Röntgenstrahl zurücklegt) der Probe; bzw. und \({\mathrm{\alpha }}_{m}\) ist der Massenabsorptionskoeffizient.

Zur Messung der radialen MFA-Verteilung wurde die SilviScan-Analyse verwendet. Die Diffraktometrie wurde an der Längsfläche mit einer Auflösung von 0,1 mm durchgeführt. Jeder Streifen wurde mittels Röntgendiffraktometrie auf MFA gescannt. Der MFA wird anhand der Beziehung zwischen der Varianz des azimutalen (Cellulose I (002))-Beugungsprofils und der Mikrofibrillen-Orientierungsverteilung geschätzt. Die (002)-Beugungsmuster werden aus den Ebenen erhalten, deren Normale senkrecht zur Mikrofibrillenachse steht. Das hat sich gezeigt Die Varianz (\({S}^{2}\)) des (002)-azimutalen Beugungsprofils hängt mit dem MFA (\(\mu \)) und der Varianz (\({\sigma }^{2}) zusammen. \)) der Mikrofibrillenorientierungsverteilung wie unten angegeben17:

Die Gesamtvarianz des Profils (Gleichung 4) wird als Funktion des durchschnittlichen MFA und der Streuung der Mikrofibrillenorientierung geschätzt. Die MFA wurde im Integralmodus erfasst, wobei die MFA innerhalb von Segmenten entlang der Probe mit einem 0,1-mm-Segment gemittelt wird.

Die Dichte (D) aus der Röntgendichtemessung und der Variationskoeffizient der Intensität des Röntgenbeugungsprofils (ICV) werden kombiniert, um das Faser-MOE18 zu berechnen:

Der \({I}_{CV}\) ist die Streuung von Zellwandbestandteilen. Das Modell enthält zwei statistisch ermittelte Kalibrierungskonstanten (\(A\) und \(B\)), die unempfindlich gegenüber Spezies sind und sich auf die zur Kalibrierung verwendete Schallresonanzmethode beziehen18. Dies impliziert, dass der berechnete MOE SilviScan einen dynamischen Zustand darstellt.

Die zeitliche Änderung von Rdl/s und Rcl bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit ist in Abb. 3 dargestellt. Sehnenlänge und Verhältnis von langem Durchmesser zu kurzem Durchmesser änderten sich innerhalb von 2 % nach 47 Tagen unter 33 % relativer Luftfeuchtigkeit, 59 % rF, 98 % rF. Dies deutet darauf hin, dass gebogener Bambus bei niedriger oder hoher Luftfeuchtigkeit wenig zurückspringt und eine hohe Dimensionsstabilität aufweist.

Änderungen im Verhältnis mit der Zeit für unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeit: (a) Verhältnis von langem Durchmesser zu kurzem Durchmesser (Rdl/s) und (b) Sehnenlänge (Rcl).

Bambus enthält große Mengen an Siliziumverbindungen19 und verfügt über eine glatte und stark hydrophobe Oberfläche20, wodurch die Biegestabilität des Bambus erhalten bleibt. Wir fanden begrenzte Dimensionsänderungen von Rdl/s und Rcl mit der Zeit aufgrund der Erholung der Viskoseverformung bei hoher Luftfeuchtigkeit im Biomaterial Bambus21.

Die radiale Verteilung der Dichte, des MFA und des MOE auf C, N und T des gebogenen Bambusabschnitts ist in Abb. 4 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verteilung der Dichte, des MOE und des MFA entlang des Radials ähnlich ist, wobei der MOE ab der gelben Bambusschicht (YL) zunahm ) zur Bambusgrünschicht (GL), während MFA in YL im Vergleich zu GL für alle drei Proben viel höher ist.

Radiale Verteilung der Dichte, MFA und MOE von YL bis GL auf (a) C-Probe, (b) N-Probe und (c) T-Probe.

Die Dichteverteilungen entlang der radialen Richtung von YL nach GL für C-, N- und T-Proben in gebogenem Bambus sind in Abb. 5a dargestellt. Eine ähnliche Tendenz der zunehmenden Dichte von YL zu GL lässt sich bei allen drei Proben feststellen, wobei die Dichteverteilung der C-Probe niedriger ist als die der N-Probe. Die arithmetischen mittleren Dichtewerte für C-, N- und T-Proben werden separat zu 720,38 kg/m3, 775,97 kg/m3 und 742,75 kg/m3 berechnet, was darauf hindeutet, dass die mittlere Dichte der C- und T-Proben im Vergleich zur N-Probe in gebogenem Bambus abnahm. Auch die mittlere Dichte von Druck- und Zugholz unterschied sich von der von Zugholz, was eine positive Korrelation zwischen Dichte und Zugholzfaseranteil zeigte22,23. Die Dichte korreliert im Allgemeinen stark mit der Holzschwindung24. Die Verringerung der Dichte im Druck- und Zugbereich trug zur Verbesserung der Dimensionsstabilität von gebogenem Bambus bei.

Dichte- (a), MFA- (b) und MOE-Verteilung (c) entlang der radialen Richtung von Bambusgelb nach Bambusgrün verschiedener Bambusquerschnittsteile.

Die Belastung würde mit zunehmender Belastung einhergehen, wenn das Material irgendeiner Art von äußerer Kraft ausgesetzt wäre. In manchen Fällen ist die Spannung nicht groß genug, um eine offensichtliche Verformung hervorzurufen, es ist jedoch schwierig, Spannung und Dehnung im Inneren von Holz, Bambus oder anderen Materialien genau zu messen. Im Allgemeinen ist bei großer Spannung die Dehnung sichtbar und kann genauer gemessen werden. Beim Biegen handelt es sich um eine Art offensichtliche Belastung, bei der das Material einer Biegebelastung ausgesetzt ist, was letztendlich zu einer Verformung des Biegeabschnitts führt25,26. Der Rohrquerschnitt würde sich nach dem Biegen von kreisförmig zu elliptisch ändern27, was eine Funktion unterschiedlicher Grade und Formen der Porenverformung ist. Nach der Porenverformung kommt es zu einer Umverteilung der Abschnittsdichte (Abb. 5a), was zu einer Spannungsumverteilung im Biegeabschnitt der Innen-, Mittel- und Außenseite führt28.

MFA ist definiert als Neigung von Mikrofibrillen gegenüber der Längsachse, die eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der endgültigen mechanischen Eigenschaften von Bambus29 und Holz30 spielen. Es gibt viele Faktoren, die die MFA in Holz oder Bambus beeinflussen können, wie zum Beispiel das Alter29,31, die Art32 und die Standorte im Querschnitt. 31. Obwohl frühere Untersuchungen zur MFA-Verteilung entlang der radialen Richtung durchgeführt wurden, indem einige Punkte im Querschnitt ausgewählt wurden31, wurden nur wenige Untersuchungen zur Untersuchung der kontinuierlichen Verteilung der MFA entlang der radialen Richtung durchgeführt.

MFA-Verteilungen entlang der radialen Richtung mit einer Auflösung von 0,1 mm für die Proben C, N und T sind in Abb. 5b dargestellt. Die MFA war am höchsten (38° ~ 48°) in etwa 0,2 ~ 0,5 mm in der Nähe von YL, gefolgt von einem starken Abfall (10° ~ 4°) in einem Abstand von 0,5 ~ 1,8 mm von YL. Auf den letzten 1 mm war für C und N mit Ausnahme von T ein kleiner Anstieg zu beobachten. Die arithmetischen mittleren MFA-Werte für C, N und T werden mit 12,5°, 8,3° und 8,3° für die gesamte Bambuswandstärke berechnet. Obwohl MFA in den Proben N und T nahezu den gleichen arithmetischen Mittelwert aufwies, zeigte der Wert der äußeren Hälfte der Bambuswand in der Nähe des grünen Teils die größte Tragkraft32. Die C-, N- und T-Werte in der Nähe des GL wurden mit 11,0°, 7,5° und 5,0° berechnet, wobei der Abstand zwischen den drei MFA-Verteilungen größer ist.

MFA spielt eine wichtige Rolle bei physikalischen Eigenschaften wie Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul29 und ist auch ein wirksames Zeichen, um Veränderungen der inneren Spannung von Bambus anzuzeigen. Frühere Studien haben eine Abnahme der MFA mit zunehmender Zugspannung32 und eine Zunahme der MFA mit zunehmender Kompression33 gezeigt. Dies stimmt mit dem Ergebnis dieser Studie überein, die zeigt, dass diese Veränderungen hauptsächlich in der halben äußeren Bambuswand auftraten. Eine Verringerung des MFA wird durch eine bessere Ausrichtung der Zellulose entlang der Achsenrichtung dargestellt, was zu einer höheren Zugfestigkeit führt34. Ebenso wird eine Erhöhung der MFA durch eine erhöhte Längskompression dargestellt, was zu einer besseren Biegbarkeit führte35. Diese sich ändernde Tendenz des MFA in der äußeren T- und C-Wandhälfte weist darauf hin, dass Bambus eine gute Biegestabilität aufweist.

Wenn das Biegen mit einer äußeren Belastungskraft durchgeführt wird, erleiden Materialien innere Spannungen. Wenn jedoch die äußere Kraft entfernt wird, würde das Biegematerial aufgrund der inneren Spannung zu einer Rückfederung neigen. Diese Biegerückfederungseigenschaft kann durch den Krümmungsradius36,37, die Biegemethode37 und die mechanischen Eigenschaften des Biegematerials38,39 verändert werden. Als eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften weist MOE eine negative Korrelation mit der Biegerückfederungseigenschaft für Biegeelemente auf40,41.

Die ungleichmäßige MOE-Verteilung für C-, N- und T-Teile entlang der radialen Richtung ist in Abb. 5c dargestellt. Das MOE steigt für diese drei Proben mit zunehmendem Abstand von YL zu GL. Die MOE-Änderungen sind zunächst relativ gering, gefolgt von großen Änderungen in der Mitte und fallen schließlich in den letzten 0,2 mm wieder ab. Der MOE-Wert unterscheidet sich in der Reihenfolge T > N > C, wobei der arithmetische Mittelwert mit 15,72 GPa, 13,58 GPa bzw. 10,14 GPa berechnet wird. Die arithmetischen Mittelwerte von T, N und C betrugen 6,73 GPa, 6,13 GPa und 4,22 GPa für die erste Hälfte der Rohrwand (nahe YL), während sie für die zweite Hälfte (nahe GL) 24,44 GPa, 20,81 GPa und 15,90 GPa betrugen. Es gibt einen größeren Unterschied an der Wand der zweiten Rohrhälfte als an der Wand der ersten Rohrhälfte, während die Wand der zweiten Rohrhälfte beim Biegen einer höheren Belastung ausgesetzt ist als die Wand der ersten Rohrhälfte.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass Biegung einen Einfluss auf das MOE des Biegeabschnitts hat. Der MOE-Wert verschiebt sich sowohl für Zug- als auch für Druckteile im Vergleich zum neutralen Teil (Abb. 5c), was wahrscheinlich auf mikrostrukturelle Veränderungen unter Biegebeanspruchung zurückzuführen ist. Beispielsweise würden die Faserorientierung und der Grad der kristallinen Orientierung während der Zugphase zunehmen, während sie während der Kompression abnehmen34,42, was einer Zunahme bzw. Abnahme des MOE während der Zug- bzw. Kompressionsphase43,44 ähnelt. Die Rückfederung bei Bambus wird durch mehrere Faktoren verursacht: (1) ungleichmäßige Spannungsverteilung entlang des Querschnitts (in der äußeren Halbrohrwand herrscht eine höhere Spannung als in der Innenseite)41; (2) das höhere MOE in der Außenwand des Rohrs als im Inneren; und (3) das höhere MOE in der ersten Hälfte der Bambusrohrwand als in der zweiten Hälfte. Diese Eigenschaften können hilfreich sein, um die Rückfederung des gebogenen Bambus zu verringern.

Die Korrelation zwischen Position, Dichte, MFA und MOE der Kompressions- (Abb. 6), Neutral- (Abb. 7) und Spannungsteile (Abb. 8) wird ermittelt. Es zeigt eine hohe Korrelation zwischen Position und Dichte (R2 = 0,85514 für C, 0,75553 für N und 0,79239 für T), Position und MOE (R2 = 0,82656 für C, 0,85549 für N und 0,85815 für T), MOE und Dichte (R2 = 0,9202 für C, 0,84819 für N und 0,92819 für T). Die hohe Korrelation zwischen Position und Dichte, Position und MOE wird durch die radiale Dichteverteilung verursacht (Abb. 5a). Die Dichte ist ein wichtiger Faktor für die Festigkeit von Bambus oder Holz18,45, weshalb eine hohe Korrelation mit MOE besteht.

Korrelation zwischen Position, Dichte, MFA und MOE des Kompressionsteils.

Korrelation zwischen Position, Dichte, MFA und MOE des neutralen Teils.

Korrelation zwischen Position, Dichte, MFA und MOE des Spannungsteils.

MOE ist eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften für Biegeanwendungen, die von der Dichte46, MFA47,48 beeinflusst wird. MFA und Dichte können unterschiedliche Auswirkungen auf MOE haben und sind eine Funktion des Artentyps. Beispielsweise machen MFA und Dichte gemeinsam 96 % der longitudinalen MOE-Variation bei Eucalyptus Deletensis aus,49 während MFA und Dichte getrennt jeweils 87 % und 81 % der Variation ausmachen50. Die Analyse der Beziehung zwischen MFA und Dichte ergab eine negative Korrelation (− 0,59) bei Pinus taeda L.51. Ebenso zeigten MFA und MOE eine größere Variation entlang der radialen Richtung (400 kg/m3 ~ 1400 kg/m3 für die Dichte, 5° ~ 48° für MFA und 2 GPa ~ 40 GPa für MOE (Abb. 6, 7 und 8) als Holz , was darauf hinweist, dass die Korrelationen zwischen Dichte, MFA und MOE für den C-, N- und T-Anteil beim Biegen von Bambus bei Holz unterschiedlich sein können.

Wir fanden eine gute Linienkorrelation zwischen MOE und Dichte, wie in den Abbildungen dargestellt. 6n, 7n, 8n und 9a, mit einem Varianzverhältnis von R2 = 0,9202, 0,84819 und 0,92819 für C-, N- und N-Teil (Abb. 6, 7, 8, 9). Dieser Varianzanteil ist höher als R2 = 0,54 bei Moso-Bambus, wo Dichte und MOE mithilfe der Bohrwiderstandstechnik und des statischen Biegetests geschätzt wurden; jeweils52. Ebenso zeigt es R2 = 0,47 in Weißeiche, wo Dichte und MOE mit SilviScan analysiert wurden, und R2 = 0,70 in E. delegensis, wo Dichte und MOE mit SilviScan bzw. Vibrationstests geschätzt wurden49. Die Steigung des MOE zur Dichte beträgt 0,03202, 0,04097 und 0,04501 für den Kompressions-, Neutral- und Zugteil; Dies deutet darauf hin, dass MOE bei Zug stärker auf die Dichte als bei Druck reagiert.

Korrelation zwischen (a) MOE und Dichte, (b) MOE und MFA und (c) MFA und Dichte verschiedener Bambusquerschnittsteile.

Während wir eine starke lineare Korrelation zwischen MOE und Dichte fanden, gab es eine negative Korrelation zwischen MOE und MFA, wie in Abb. 9b dargestellt. Unsere Ergebnisse zeigen R2 = 0,42835 für den Spannungsteil, wenn die expdec1-Funktion verwendet wurde. Allerdings war die Korrelation in neutralen (R2 = − 0,00937) und Kompressionsproben (R2 = 0,04631) gering bis bedeutungslos, was darauf hindeutet, dass MOE empfindlicher auf die Dichte im Spannungsteil reagiert als im Neutral- und Kompressionsteil.

Wir haben auch einen „wirkungsmindernden“ Punkt gefunden, an dem MOE nicht weiter über den bestimmten Punkt von MFA hinaus abnimmt. Der „wirkungsverringernde“ Punkt scheint bei drei Arten von Eukalyptusarten (plantagenangebauter E. globulus, E. nitens und E. regnans) bei 16° zu liegen50. In dieser Studie variierte der „stoßmindernde“ Punkt des gebogenen Bambus mit der Änderung der Position des Abschnitts. Die „aufprallmindernden“ Punkte betrugen 17,2°, 16,8° und 13,8° für Zug-, Neutral- und Druckteil getrennt.

Eine frühere Studie hat eine negative Korrelation zwischen MFA und Dichte bei Ineucalyptus globulus (r = − 0,66) und Pinus taeda L. (r = − 0,59)53 gezeigt. In dieser Studie gab es keinen offensichtlichen linearen Zusammenhang zwischen MFA und Dichte, wie in den Abbildungen dargestellt. 6j, 7j, 8j und 9c. Bei einigen spezifischen hohen MFA-Wertpunkten bei einer Dichte unter 800 kg/m3 nähert sich der MFA einem konstanten Wert, wenn sich die Dichte ändert. Nach Entfernen der Punkte „Schlagverminderung“ und oben betrug der MFA-Algebra-Durchschnittswert 6,0°, 6,9° bzw. 8,5° für den Spannungs-, Neutral- und Kompressionsteil. Dies zeigt, dass MFA unter Spannung abnimmt und unter Druck ansteigt, was mit der Änderungstendenz von MFA bei Zug und Druck im Vergleich zu normalem Holz übereinstimmt54,55.

In dieser Studie haben wir die Dichteverteilung, MFA und MOE analysiert, um die Biegestabilität von Bambus zu bewerten. Wir fanden heraus, dass die Dichte hauptsächlich von YL zu GL zunahm. Unsere Ergebnisse zeigten auch einen Rückgang der mittleren Dichte für den Druck- (720,38 kg/m3) und Zugteil (742,75 kg/m3) im Vergleich zum neutralen Teil (775,97 kg/m3). Die Analyse der MFA ergab eine Variation von 4° bis 48° entlang der radialen Richtung, wobei der höchste Wert (38° ~ 48°) bei etwa 0,2 mm ~ 0,5 mm in der Nähe von gelbem Bambus lag. Der MFA nahm in etwa 0,5 mm bis 1,8 mm auf 4° bis 10° ab. Darüber hinaus stellten wir einen Anstieg des MFA unter der Zugprobe fest, während der MFA unter der Druckprobe abnahm (11,0°, 7,5° und 5,0° für C-, N- und T-Teil getrennt). MOE stieg ebenfalls von YL zu GL in der Reihenfolge T > N > C. Die Unterschiede im MOE-Wert wurden immer größer von 6,73 GPa, 6,13 GPa und 4,22 GPa in der inneren Halbwand auf 24,44 GPa, 20,81 GPa und 15,90 GPa in der äußeren Hälfte jeweils für Zug-, Neutral- und Druckprobe.

Die Analyse der Beziehung zwischen MOE und Dichte ergab eine starke positive Korrelation mit R2 = 0,9202, 0,84819 und 0,92819 für den Spannungs-, Neutral- und Kompressionsteil getrennt. Wir fanden auch eine umgekehrte Beziehung zwischen MFA und MOE mit einem „aufprallmindernden“ Punkt von 17,2°, 16,8° und 13,8° für den Spannungs-, Neutral- und Kompressionsteil getrennt, danach gab es keine Verringerung des MOE. Es gab keinen offensichtlichen linearen Zusammenhang zwischen MFA und Dichte. Nachdem jedoch einige spezifische Punkte mit hohen MFA-Werten entfernt wurden, wenn die Dichte unter 800 kg/m3 liegt, blieben die MFA-Werte statisch mit einem Mittelwert von 6,0°, 6,9° bzw. 8,5° für den Zug-, Neutral- und Druckteil.

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Referenzen herunterladen

Wir danken Xiaoming Suo von Suoshi Bamboo Industry Co. Ltd für die Bereitstellung des Bambusbiegeelements, wir danken Tessie Tong von Forestry Products Innovations für die SilviScan-Analyse der Proben.

Diese Forschung wurde von der Natural Science Foundation of China, Grant-Nummer 31800471, und den Fundamental Research Funds des International Center for Bamboo and Rattan, Grant N0.1632020016, finanziert.

Hochschule für Einrichtungsgegenstände und Industriedesign, Nanjing Forestry University, Nanjing, China

Xuehua Wang, Jingwen Ma, Wei Xu und Caiping Lian

Internationales Zentrum für Bambus und Rattan, Peking, China

Benhua Fei & Fengbo Sun

Jiangsu Co-Innovation Center für effiziente Verarbeitung und Nutzung von Waldressourcen, Nanjing, China

Xuehua Wang & Wei Xu

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Konzeptualisierung, BF; Experimenteller Betrieb, JM; Datenkuration, XW; Fördermittelakquise, XW, FS; Schreiben – Originalentwurf, XW; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, XW, CL, WX

Korrespondenz mit Caiping Lian oder Fengbo Sun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, X., Ma, J., Xu, W. et al. Einfluss der Biegung auf die radiale Verteilungsdichte, MFA und MOE von gebogenem Bambus. Sci Rep 12, 8610 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12675-7

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Eingegangen: 27. Dezember 2021

Angenommen: 04. April 2022

Veröffentlicht: 21. Mai 2022

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

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