Research on FSP of Dendrocalamus Membranaceus
According to its Shrinkage

Guan Mingjie Zhu Yixin Zhang Qisheng
(Bamboo Industry Research Center of Nanjing Forestry University Nanjing 210037)

Abstract The paper tests shrinkage rates of radial and tangential dimension in D. rnerabracaceus under different moisture content. With the curve fit model method, the cubic equation is adopted to fit the experiment data resulting in good effect. According to the equation and testing figure, the critical point in the curve is found out and is further defined as fiber saturation point (FSP). The paper illustrates the FSP values derived from the radial and tangential dimension in D. Membranaceus are 24. 64% and 29.65% respectively.
Key words D. Membranaceus; Curve fit model method; Fiber saturation point

干缩法测定黄竹纤维饱和点的研究

关明杰 朱一辛 张齐生
(南京林业大学竹材工程研究中心 南京210037)

摘 要 以黄竹为研究对象，测定了不同含水率下黄竹的径向和弦向干缩率。采用曲线拟合建模法，用三次曲线对试验数据进行拟合，经检验拟合效果较好。根据曲线性质和试验数据的特点，找出曲线上变化的关键点，定义为竹材纤维饱和点。由弦向和径向干缩得出的黄竹纤维饱和点分别为24．64％和29．65％。
关键词 黄竹；曲线拟合建模法；纤维饱和点

同木材加工工业相比，竹材加工利用起步较晚，竹材材性的基础研究在深度及广度上尚不能与木材的基础理论研究相比。就木材纤维饱和点(Fiber Saturation Point，FSP)而言，Tiemann早在1906年就发现在干燥湿材时，达到一定的含水率以前，当含水率一直下降时，木材的力学性质保持不变；在这个含水率以下时，随着含水率的降低，木材力学性能值提高。并把描述这种关系曲线与直线部分的交叉点所对应的含水率定义为FSP。1944年Tiemann又把木材为水饱和而吸热差为零时这一点状态时的含水率定为FSP。后来，进一步把这个定义扩大为众所周知的，当木材为结合水饱和而毛细管内不含自由水的状态时木材的含水率为FSP。直到现在，关于如何定义和测量纤维饱和点的讨论仍在继续，而竹材纤维饱和点的研究尚处于起步阶段。本研究以黄竹(Dendrocalamus membranaceus)为研究对象，测定了竹材干缩性与含水率的变化关系，用曲线拟合建模法对试验数据进行分析，从数学的角度确定了黄竹的纤维饱和点。

1材料和方法
1．1 试材采集及制样
1．1．1 试材采集
黄竹是丛生竹的一种，目前是国内天然丛生竹竹林中面积最大者。本研究试材采自西双版纳，竹龄为4年，采伐时间1998年8月，共伐4株。

1．1．2 试件制作
依据《竹材物理力学性质试验方法》(GB／T 15780-1995)，将每株约1．0～1．2m长的竹段中，选择无明显缺陷及竹青无损伤、节间长度在200mm以上的竹筒，用于制作干缩性试样。劈制的竹材试样，先浸泡于室温清水中至尺寸基本稳定后才可制成规格为10mm×l0mm×t(竹壁厚度)mm试件。试件量：25。

1．2 试验仪器设备
(1)DL-302A型恒温恒湿箱，调温范围：室温升10～70℃，调湿范围：室温升≤95％。
(2)JA5003型千分天平，准确至0．001g。
(3)101-1型干燥箱。
(4)玻璃干燥器、称量瓶。
(5)百分表测量装置，准确至0．01 mm。

2 试验方法
2．1 试验过程
将黄竹湿饱和材试件按以下步骤进行试验：
湿饱和材试件中取3个试件，分别测出初含水率作样片。将试件置于调温调湿箱，分阶段从高向低调整调温调湿箱的湿度，温度从低向高调节，调节幅度以预设的含水率梯度为依据。
测定含水率样片各阶段的质量以确定试件含水率所处的大致状态。当试件含水率与预设的含水率大致相同时，测定整组试件在当时状态下的径、弦向尺寸及重量。当达到最大温度和最低湿度时，将试件放人烘箱，在(100±2)℃下进行干燥，以预设的含水率梯度为依据，分阶段测定含水率样片各阶段的质量以确定试件含水率所处的大致状态，直到绝干状态。同时测定整组试件在当时状态下的径、弦向尺寸及重量。

2．2 数据分析方法
按GB／T 15780-1995计算黄竹的含水率和径、弦向干缩率(某含水率下的竹材干缩率指试件从当时含水率干燥至绝干时的干缩率)。结果计算的修约符合GB8170《数值修约规则》的规定。试验数据采用曲线拟合法建模进行分析。

3 试验结果及分析
3．1 黄竹干缩率的测试结果
根据黄竹径、弦向干缩率见图1。
3．2 曲线拟合及检验
根据图1曲线形状判断，三次多项式曲线与图形较为吻合。采用三次曲线拟合求出黄竹弦向干缩率与含水率变化关系的经验公式如下：
y=0.0002x3-0.0211x2+0.6755x+1.6842
R2=0.9268
方程检验结果见表2

3．3 纤维饱和点的确定
从图1看，含水率与弦向干缩率的关系曲线为平滑曲线，干缩率急剧变化的部分与缓慢变-化部分无明显的转折点，而是曲率半径较大的弧线。从方程检验结果表可以看出，含水率值在(1．02，51．57)区间上与方程拟合很好，若此区间内存在纤维饱和点x，则在(1．02，x)上随着含水率的增大，干缩率也相应增加。在(x，51．57)上则随着含水率的变化，干缩率变化较小。那么则可以通过研究拟合曲线的性质，求出此区间上曲线的增长的关键点(极值点、拐点)即为纤维饱和点。

由弦向干缩率的拟合方程(1)得：
y'=0.0006x2-0.0422x+0.6755
y''=0.0012x-0.0422
求解得，x＝35．17为曲线的拐点，在(1．02，35．17)上有，当x=24．64时，上述方程在(1．02，51．57)上取得极大值，y＝8．51。在(1．02，24．64)，随着含水率的增长，黄竹的干缩率呈三次曲线增长，当含水率达到24．64%时达到极大值；接着，随着含水率的增长，干缩率的增长变缓。则由纤维饱和点定义用弦向干缩率求得黄竹的FSP。＝24．64%。
同理，对黄竹的径向干缩率与含水率的关系图进行拟合得如下经验方程：
Y=0.0003x3-0.0277x2+0.8514x+2.5873
R2=0.8599
对上述方程时行检验得表3。

对方程（2）求导得：
y'=0.0009x2-0.0544x+0.8514
y''=0.0018x-0.0544
当y'=0,y''=0,时示得拐点为x=30.78,驻点分别为x=29.65,x=31.91.则在（1.02,30.78）上有x=29.65方程取得极大值。因此，由径向干缩率得出的FSPj=29.65%。

4 结 论
(1)本研究中黄竹的径向干缩率均略大于弦向干缩率。黄竹干缩率随含水率变化呈连续恤线变化，当含水率在一定范围内(纤维饱和点以下)时，随含水率的增加，黄竹干缩率急剧增大，尔后增长趋势变缓。
(2)采用三次曲线对试验数据进行拟合，拟合检验证明，曲线拟合效果较好。说明三次曲线能较好描述黄竹干缩率与含水率变化关系。
(3)通过对三次曲线上急剧变化与缓慢变化过渡区内极值点的求解，确定了黄竹的纤维饱和点。由黄竹弦向干缩率求得黄竹的FSPx为24．26％，由径向干缩率求得FSPj为29．65％。