6-2-2 竹の特性　２

　このページは工事中であり暫定版です。

　計画している実験・データ整理がまだ未完了であり、各データとも今後変更する可能性がありますが、
　とりあえず公開します。

■火入れ実験データ

　ここでいう「火入れ温度」とは、火入れ前のオーブン温度（安定時）であり、竹の温度ではありません。

　私のオーブンは、長時間の火入れではオーブン温度と竹の温度がほぼ同じになりますが、短時間では、
　大きな温度差があります。
　また、パイプヒーター式のオーブンや和竿式の火入れ方法では、あまり参考にならないかも知れません

　下図は実験に使用したオーブンの特性です。図１は、オーブン温度が安定後、竹投入時からの
　オーブン内空気温度（竹の近傍）の変化です。図２は、竹の投入時からの竹の中心温度変化です。
　（対面幅８mmのサンプルの中心を熱電対で測定）
 
図１　オーブン内温度変化　 図２　竹の中心部温度変化　
 
１　火入れ温度・時間と竹の色変化（トンキン）

　　図３の左側は、火入れ時間を一定（１２０分）にし、温度を変えたものです。（図２が、この時の温度）
　　右側は、火入れ温度を一定（１７０℃）にし、加熱時間を変化させたものです。

　　焼き色だけからの判断では、（好みによりますが）
　　火入れ温度は１８０〜１９０℃程度が上限で、火入れ時間は１〜２時間と思われる。
　　また、文献によれば、強度低下しない加熱温度は１５０〜１８０℃位以下なので、１６０〜１７０℃が
　　最適かも知れない。
 

  

 図３　火入れ温度・時間と竹（トンキン）の色変化

　

   参考１　この実験結果は和竿式の火入れには適用できません。和竿式は高温短時間で竹の表面だけ
　　　　　　火入れです。

   参考２　竹は火入れで茶褐色に変色しますが、これは炭化ではなく、竹の成分である「リグニン」が変色
　　　　　　しているだけと思われます。例えば、紙は木からできていますが、木材にも紫外線に反応しやす
　　　　　　い「リグニン」含まれており、 日光によって退色・変色します。
　　　　　　ただし、火入れ温度が高い場合（２００〜２５０度以上）は炭化がはじまる。

２　火入れ時間と重量・寸法変化（トンキン）

　　図４は、火入れ時間と重量変化率（脱水・乾燥）の関係です。
　　図５は、火入れ時間と収縮率（結合水減少）の関係です（自由水は除去しても収縮しない）。
　　重量低下・対面幅の収縮とも３０分でほぼ完了する。長さの変化は認められない（対面幅：８mmで測定）
  

図４　火入れ時間と重量変化　

図５　火入れ時間と寸法変化　　


３　火入れによる疎水化の確認（トンキン）

　　火入れを行っても、時間経過に伴い空気中の水分を吸収し、重量（含水率）が増加します。
　　但し、再吸水するのは自由水（H2O）でだけであり、結合水（水酸基-OH）は増えないので火入れ前の
　　重量には戻らないはずであるので、火入れ後の重量変化の確認をおこなう。

　　図６，７では、データ（重量）の変動がありますが、これは、天候（湿度）の影響で雨の日に重量増加して
　　います。（自由水の吸水なので、湿度が下がれば元に戻る）


　３．１　火入れ温度と再吸水の関係（火入れ時間：１２０分）　

　　図６は、火入れ温度と再吸水率の関係です。確実に疎水化する火入れ温度は１６０℃以上の様です。
　　２００℃以上では再吸水が非常に少なが、火入れ直後の重量減少が大きいので成分（ヘミセルロース）
　　の分解が始まっている可能性もある。（但し、時間が短ければ問題ないかも）
 

                           　　 　　　　　　　　

図６　火入れ温度と再吸水率


３．２　火入れ時間と再吸水の関係（火入れ温度：１７０℃）

　　図７は、火入れ時間と再吸水率の関係です。確実に疎水化する火入れ時間は３０分以上の様です。
  　 　           　　　 　　

図７　火入れ時間と再吸水率


４　火入れによる強度変化の確認（トンキン）

  実験１

　　試験条件、部位による硬さの違いの影響を避ける為、根本側より３節目から８節までの各節間から採取
　　した子割６本で対面幅＝８mmのテストピースを作成、ヤング率は△形で測定。
　　

　実験結果１−１　火入れ温度と弾性（ヤング率）の関係  
   図８は、火入れ温度とヤング率の関係です。
（火入れ時間は、１２０分一定）
１６０℃以下では、ヤング率の変化がありません。
１６０℃以上では、ヤング率が急激に低下し、火入れ
前より小さくなります。

　また、竹の部位では先端側より根本側のがヤング率が大きい大きい事が解ります。（竹は根元側の方が硬い）

グラフの 2.4E+5 とは、2.4×10５ ＝ 240000 の事です。 
図８　火入れ温度とヤング率　
  
　実験結果１−２　火入れ時間と弾性（ヤング率）の関係　　　　　　　　　　　　　　

　　図９、１０は、火入れ時間（火入れ温度１４０℃、１７０℃）とヤング率の関係です。
　　火入れ温度が１４０℃では、１５分でヤング率がピークとなり、３０分以上では、根本側は火入れ前と
　　ほぼ同じになるが、先端側はやや大きくなる（測定誤差？）。
　　火入れ温度が１７０℃では、１５分でヤング率がピークとなり、３０分以上では、根本側・先端側とも
　　火入れ前より低下します。
   　　　　
図９　火入れ時間とヤング率 図１０　火入れ時間とヤング率
  
　実験結果１−３　火入れと曲げ強度の関係

　　工事中（データが少ないので暫定値です）
   図１１、１２は、トンキン（Ｌ＝２００、h＝４の三角）の片側を固定し、他方の先端に錘を付けた時のたわみ量（折れるまで測定）と錘を除いた時の塑性変形量（曲がり癖）を測定したグラフです。
曲線の終わりが折れた点です。

図１１より、火入れを行うことで、弾性変形する範囲（直線的に変化している部分）が約２０％位拡大する事がわかります

ただし、火入れが強すぎると破断点が低くなり,折れやすくなってしまう事がわかります。
したがって、適度に火入れした竹竿は、竿に掛かるストレスの許容負荷範囲が拡大するとともに曲がり癖が付き難くなる事を意味してしています。
　　　
また、図１２より、火入れを行っても弾性限界を超え れば塑性変形（永久変形＝曲がり癖）は発生してしまう事がわかります。（ただし、限界点は上昇）

つまり、局部的に大きなストレスの掛かるファースト
アクションのロッドより、全体にストレスを分散している
スローアクションの方が曲がり癖が付き難いといえます。
（弾性変形の範囲では、塑性変形しない）

以上より、遠投しない・大きな魚を釣らない等でロッドに過大な負荷が掛からない条件で使用するのであれば、
火入れは不要かも知れない？（乾燥は必要）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 　

　

　
図１１　火入れとたわみ量
 
図１２　火入れと塑性変形量　

  実験２

　　試験条件、部位による硬さの違いの影響を避ける為、同一節間（根本側）から採取したトンキンで測定
　　試験方法 ： 三点曲げ試験　（支点間隔 = ３０　、中央集中荷重）、テストピースは△形で　h=3.5



　実験結果２−１　火入条件と破断強度

図１３は、上記条件で力を加えた時、竹（トンキン）が折れた荷重の比較です。（火入なしを、1.0　とした比較）
数値が大きい程、折れにくい事を示す。

火入れにより、強度が約３０％向上する。
しかし、１６０℃以上では、３０分を超えると強度が低下する。
特に、２００℃以上では火入れ前より低下する。

また、温度が高い程、ひ入れ時間の許容範囲が短くなり、
２００℃以上では数分間しかないため。
確実に火入れを行う温度は、１５０℃が良い。　

  

図１３　破断強度

　実験結果２−２　火入条件とヤング率（弾性）
  図１４は、上記条件で測定した時のヤング率の比較です。
（火入なしを、1.0　とした比較）
数値が大きい程、弾性（バネ性）が大きい事を示す。

火入れにより、弾性（バネ性）が約２０％向上し、
１５０℃、６０分で最大となる。
但し、１８０℃以上では、３０分を超えると火入れ前より低下してしまう。

また、強度と同様に温度が高い程、火入れ時間の許容範囲が短くなる。

確実に火入れを行う温度は、１５０℃が良い。
図１４　ヤング率　
  
　実験結果２−３　火入条件とたわみ量（弾性限界）
 
   図１５は、上記条件で力を加えた時、竹が折れた時の
たわみ量の比較です。（火入なしを、1.0　とした比較）
数値が大きい程、大きく曲げても折れない事を示す。

火入れで、たわみ量が約１５〜２０％向上するが、
１８０℃以上では、火入れ前より低下してしまう。強度と同様で、温度が高い程ひ入れ時間の許容範囲が短くなる

確実に火入れを行う温度は、１５０℃が良い。
 
図１５　たわみ量 　
   
　　実験結果２−４　火入条件と焼き色
  図１６は、上記実験で使用した竹の焼き色の比較です。
（０分が火入れを行っていない状態）

明らかに焼き色付く火入では、上記データから見て釣竿に必要な特性が、火入前より劣化してしまう事が解ります。

つまり、放射熱（赤外線）の影響がないオーブンを使用した火入れでは、焼き色が付いたら失敗である。

焼き色を付けたい場合は、フレーミングで表面のみ着色
（焦がす）のが良い。

図１６　火入れによる焼き色

 この実験での結論

　　オーブンを使用した火入れでは、１５０〜２１０℃の範囲では、どの温度でも火入れは可能であるが、
　　確実な火入を行うには１５０℃、６０分が最適である。

　　なぜならば、１６０℃以上では火入れ時間の許容範囲が短く、数分となってしまうが、
　　火入れ前の竹の乾燥状態（含水率）により竹の温度上昇時間が数分異なる。
　　（水分が残っている間は１００℃以上にはならない）
　　また、この実験データは火入れ時の寸法がｈ≒５の時の値であり、太さにより適正時間が数分異なる。
　　更に、竹投入後のオーブン内温度上昇特性により、オーブン毎に適正時間が異なる可能性が大きい。
　　
　　その為、火入温度は許容時間の長い（６０〜１２０分）１５０℃　が最適である。

　　また、火入れとは、一般的には竹の強度を上げる事と言われていますが、この実験からいえることは、
　　適切な火入れは、弾力性（バネ性）・強度（折れにくい）・たわみ限界（大きく曲げられる）が向上し、
　　火入をしないロッドより細くて（軽い）、丈夫なロッドにする事である。

　　ただ、今回の実験では曲がり癖については未確認であるので、
　　テストロッドを制作し、確認予定です。
  
 課題

　　工事中

　　(1) 火入れと曲がり癖の関係がわからない　・・・　火入れとは関係ないという説もある
　　　　考えられる原因
　　　　　・火入れと弾性限界の関係・・・弾性限界を超えると塑性変形する。火入れと竹の降伏点の関係？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　竹は脆性材料？であり、降伏点≒破断点かも？

　　　　　・火入れとヒステリシスの関係・・・火入れでヒステリシスが小さくなる？
　　　　　　　　　　　　　ヒステリシスであれば、反対側に曲げると直る・・・材料の特性であり曲がり癖ではない

　　　　　・疲労による劣化・・・繰り返しあるいは長時間の曲げによる、繊維の断裂、接着剤の割れ・剥がれ
　　　　　　　　　　　　　　　　　（いわゆる“へたり・腰が抜ける”）・・・弾性限界内でも発生。竹のＳ-Ｎ曲線？
　　　　　

　　(2) 微量成分のケイ素の影響がわからない　・・・　火入れの影響の有無は不明？
　　　　　　　SiO2（二酸化ケイ素）が硬くなる（ガラス化）するのは１０５０℃らしい。・・・火入れには無関係？

■密度・ヤング率の測定

　　工事中

　　テストピース ：　根本側より３節目から８節までの各節間から採取した子割６本で作成
　　竹の種類　： トンキン　マダケ（真竹）　ハチク（淡竹）
              　　　　　　 真竹、淡竹は、群馬県桐生市の中村雨舟さんに提供して頂きました。
             　　　　　　  トンキンは、レオン(株)で購入したものです。
   　火入れ条件： １６０℃　３０分

   １　対面幅と密度

　　工事中

　　図１７,１８,,１９に密度の測定結果を示します。対面幅の太さに比例して密度が低下する事がわかります。
　　これは、繊維（維管束）が表皮付近に密集しているため、太くなるほど重い繊維の割合が減るためです。
　　また、マダケはトンキンに比べて１５％位軽い事がわかります。
  　

　図１７　対面幅と密度１

　

 図１８　対面幅と密度２
  ギャリソンが測定したデータ（トンキン）と比べるとグラフの傾斜が異なりますが、（図１8参照）

これは、図１7、１8は各節間の平均値を示しているが、実際には、根本側と先端側では密度が異なります。
（根本側の方が大きい）

そこで、バット側は根元を、ティップ側は先端の値を採用し線を引き直すと破線（図１9）の様になりギャリソンが測定したデータとほぼ一致します。
したがって、ギャリソン氏はロッドテーパーに応じて試験サンプルの採取位置を変えていたと思われます。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

   
図１９　対面幅と密度 ３　


　２　対面幅とヤング率

　　工事中

　　図２０、２１にヤング率の測定結果を示します。（ヤング率は値が大きい程曲がり難い）
　　火入れ実験（対面幅一定）では、竹の先端側の方がヤング率小さくなりましたが、対面幅で比較すると、
　　密度と同様に太さに比例して低下しており、対面幅が小さい先端側の方がヤング率が大きくなります。
　　これは、繊維（維管束）が表皮付近に密集しているためです。
　　また、密度と同様に竹は部位によりヤング率も異なるので、実際にはグラフの傾斜が若干緩やかに
　　なります。
　　いずれにしても、マダケのヤング率はトンキンに比べて２０％位小さい事がわかります。
図２０　対面幅とヤング率 １  図２１　対面幅とヤング率２　
   

　　通常、マダケ製ロッドは、トンキンより１番手位低くなりますが、ヤング率から見てもトンキンよりマダケの
　　方が曲がり易い事が説明できます。
　　
　　また。このことから、文献にもあるが密度と強度には相関があることがわります。つまり、重い竹の方が
　　強度があるという事です。（あくまでも乾燥状態で）

　３　トンキンに対する真竹の密度・ヤング率比較

　　　工事中
 

 マダケ製のブランクは、同じテーパーのトンキン製のブランクより１５％位軽くなる。
また、グリップ・リールシートを加えた重量で比較すと、重量差は１５％以下になる。
ただし、マダケはヤング率が小さい為、トンキンより少ない負荷しか掛けられないので、 １番手位低いロッドになってしまう。
したがって、真竹を使用する場合は、トンキンのテーパーをそのまま使用することはできない。
番手が変わるだけでなく、アクションも変わってしまう。
（トンキンのテーパーを使用する場合は、やや太めに修正する必要があります）

   　
図２２　マダケの密度・ヤング率比較


　４　トンキンと真竹の断面比較

　　工事中
  マダケの密度・ヤング率が小さい理由

トンキンとマダケを比較すると維管束数は大差 ないが、
維管束の太さはトンキンの方が圧倒的に太いためです。


密度・ヤング率が一定でない理由

図の様に、ティップ側は維管束が密集している 部分を使用できるが、バット側は維管束の 密集度がティップ側より小さくなるためです。
（単位面積当たりの維管束が少なくなる）　　

  
 
  図２３　トンキン・マダケの断面
   以上から、表皮付近の繊維を削らなくても表面を平らにできる太い竹（特にマダケは）の方がで有利です。
（表皮を平に削らなければ細くてもＯＫ・・・きれいな六角にはならないが）