基于玻璃化转变理论的稻谷干燥裂纹产生机理研究

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针对稻谷高温干燥后容易产生裂纹这一现象,以单个稻谷籽粒作为研究对象,围绕使籽粒产生裂纹的各种可能因素,进行了模拟仿真,与声发射实验结果对比,得到了干燥裂纹产生的机理;在此基础上提出了降低干燥裂纹的调控策略,优化了高温干燥缓苏工艺,实验证明优化后的工艺可有效降低干燥裂纹。
  首先采用实验方法研究了稻谷的干燥特性,得到了籽粒内部的有效水分扩散系数;测定了稻谷的破裂载荷并进行了统计分析,以消除籽粒个体差异带来的影响。在籽粒三维适体几何模型的基础上,对干燥过程中籽粒内部的温度、含水率分布进行了模拟计算,结果表明:温度梯度仅存在干燥初始阶段;水分梯度存在于整个干燥过程中,呈先增大后减小的趋势,到干燥结束时维持在较高值;干燥温度越高,籽粒内部同一位置的最大水分梯度越大。基于文献中的玻璃化转变方程对籽粒干燥过程中的玻璃化转变过程进行了模拟:对初始含水率为22%(w.b.)的糙米,干燥温度低于34.39℃时,籽粒不会发生玻璃化转变,始终在玻璃态下进行干燥;干燥温度在34.39℃-42.19℃,籽粒在升温阶段发生玻璃态向橡胶态的转变,在干燥阶段发生橡胶态向玻璃态的转变;当干燥温度高于42.19℃时,仅在升温阶段发生玻璃态向橡胶态的转变。缓苏过程对玻璃化转变影响不大,影响的只是籽粒内部的水分分布。采用声发射技术对干燥过程中籽粒内部的声发射信号进行了采集和分析,升温阶段声发射信号少,强度低;干燥阶段声发射信号强度大;60℃干燥条件下的声发射信号强度大于40℃干燥条件下信号强度。
  其次,综合分析以上研究结果探究了稻谷干燥裂纹产生的机理:干燥过程中籽粒内部的水分梯度是裂纹产生的主要原因。高温干燥时,在干燥阶段,籽粒内部会因水分梯度引起的湿应力导致微裂纹产生,干燥结束后,微裂纹主要受湿应力作用扩展到籽粒表面形成宏观裂纹,升温和降温阶段的温度梯度、玻璃化转变对裂纹产生和扩展的影响很小。
  最后,通过分析缓苏过程中籽粒内部的水分梯度,结合干燥裂纹产生机理提出了稻谷干燥的控制策略:在籽粒内部水分梯度较高的干燥阶段和干燥结束后对稻谷进行缓苏,其它阶段连续干燥,可有效降低籽粒内部的最大水分梯度,降低裂纹增率。并通过实验对策略指导下的优化干燥工艺进行了验证。
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