高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束顏色和平衡含水率的影響

孫潤(rùn)鶴，劉 元，李賢軍，侯瑞光，喬建政

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束顏色和平衡含水率的影響

孫潤(rùn)鶴，劉 元，李賢軍，侯瑞光，喬建政

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

在4個(gè)不同的溫度和時(shí)間水平下，對(duì)新鮮毛竹竹束進(jìn)行了高溫?zé)崽幚?，研究了處理溫度和時(shí)間對(duì)竹束顏色和平衡含水率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：熱處理能使竹束顏色均勻加深，獲得不同的裝飾效果；隨著處理溫度和時(shí)間的增加，竹束的明度和黃藍(lán)色品指數(shù)顯著降低；竹材的平衡含水率呈逐漸降低的趨勢(shì)。在本研究范圍內(nèi)，與對(duì)照件相比，通過(guò)高溫?zé)崽幚碜畲罂墒怪袷鞫取ⅫS藍(lán)色品指數(shù)分別降低66.28%、63.36%，平衡含水率降低41.94%。

毛竹竹束；熱處理；顏色；平衡含水率

我國(guó)竹林面積、蓄積量、竹業(yè)產(chǎn)值均居世界首位，素有“竹子王國(guó)”之稱[1-4]。與木材相比，竹材具有強(qiáng)度與硬度大、韌性好、紋理優(yōu)雅美觀等特點(diǎn)，是制造工程結(jié)構(gòu)和家裝材料的理想原料[5-10]。但與此同時(shí)，竹材內(nèi)淀粉、糖類物質(zhì)含量豐富，使得其在加工和使用過(guò)程中極易受到細(xì)菌（如霉菌、腐朽菌）和害蟲(chóng)（如白蟻、木蠹蟲(chóng)）的侵襲，嚴(yán)重影響了其裝飾效果和使用壽命[11]。為減少細(xì)菌和害蟲(chóng)對(duì)竹材和竹制品的危害，提高竹制品的耐腐、抗蟲(chóng)和尺寸穩(wěn)定性，在竹制品生產(chǎn)過(guò)程中，一般需要對(duì)竹材進(jìn)行高溫炭化和干燥處理，其工藝過(guò)程一般為：在溫度為120～140℃的高溫處理罐內(nèi)，采用鍋爐供給的飽和水蒸汽對(duì)竹材炭化處理1～4 h，將竹材炭化為咖啡色，然后再將炭化后的竹材重新

堆垛，送入常規(guī)干燥室將其干燥至含水率在12%以下[12-15]。該工藝存在著操作繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度較大（需要兩次堆垛、兩次拆垛）、工作效率低、處理時(shí)間較長(zhǎng)的缺陷。本研究在借鑒業(yè)已成熟的木材炭化處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，將竹材的干燥與炭化處理工序合二為一，系統(tǒng)研究熱處理對(duì)重組竹制造用竹束顏色和平衡含水率的影響規(guī)律，以期為簡(jiǎn)化重組竹生產(chǎn)工序、降低成本提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材 料

疏解新鮮毛竹Phyllostachys pubescens竹束，購(gòu)自湖南益陽(yáng)桃江縣，竹齡4年。竹束含水率大于50%，長(zhǎng)度為450 mm。竹束試件要求無(wú)變色、霉變等可見(jiàn)缺陷。

1.2 儀器與設(shè)備

高溫?zé)崽幚硐洌ㄩL(zhǎng)沙市金來(lái)林業(yè)有限公司，型號(hào):Ф325×650）；WCS-色差儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司，型號(hào):WSC-S）；全自動(dòng)電腦恒溫干燥箱(杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠，型號(hào)：DHG-9203C )。

1.3 方法與步驟

對(duì)竹束進(jìn)行干燥和高溫?zé)崽幚頃r(shí)，干燥溫度恒定為120℃，熱處理溫度（140、160、180和200℃）和時(shí)間（0.5、1、2和3h）均為4個(gè)水平，總共進(jìn)行16組干燥-熱處理試驗(yàn)。在干燥-熱處理的初期升溫段，從室溫升高到120℃，升溫速度控制在20℃/h，在120℃附近保溫至竹束含水率干燥到12%以下。當(dāng)竹束含水率降低到12%以內(nèi)后，再將高溫?zé)崽幚硐鋬?nèi)溫度升高到試驗(yàn)設(shè)定值（140、160、180和200℃），并保持相應(yīng)時(shí)間（0.5、1、2和3h）。干燥-熱處理結(jié)束后，關(guān)閉加熱器，使高溫?zé)崽幚硐錅囟戎饾u降低到80℃，再打開(kāi)蒸汽發(fā)生器對(duì)竹束進(jìn)行調(diào)濕處理(約10 min)。調(diào)濕結(jié)束后，將高溫?zé)崽幚硐錅囟冉抵潦覝?，再取出竹束，在室?nèi)放置30 d后用于顏色和平衡含水率的測(cè)量。木材顏色的測(cè)量和計(jì)算采用國(guó)際照明委員會(huì)推薦的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)（L*a*b*）進(jìn)行。測(cè)量熱處理竹和對(duì)照件的平衡含水率時(shí)，先稱取在室內(nèi)放置30 d后的竹束初始質(zhì)量，再將其烘至絕干，稱取絕干質(zhì)量,反算出不同處理?xiàng)l件下竹束的平衡含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束顏色的影響

圖1顯示了干燥-熱處理竹束與對(duì)照竹束的外觀顏色對(duì)比。在圖中，除了對(duì)照竹束外，每1行中的4個(gè)熱處理試件具有相同的處理溫度（溫度標(biāo)在圖右邊），每1列具有相同的處理時(shí)間（時(shí)間標(biāo)在圖下邊）。從圖中可以看出，處理溫度達(dá)到160 ℃以上，與對(duì)照竹束相比，竹束呈現(xiàn)出明顯的裝飾性咖啡色，溫度越高，竹束顏色變化越大。在同一熱處理溫度條件下，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹束顏色略呈增加趨勢(shì)；溫度越高，處理時(shí)間對(duì)竹束顏色變化的影響越不顯著。除了定性觀察干燥-熱處理處理前后竹束顏色的直觀變化外，本研究還使用色差計(jì)定量分析了干燥-熱處理對(duì)竹束明度（L*）和黃藍(lán)色品指數(shù)（b*）的影響規(guī)律。

圖1高溫?zé)崽幚硖幚碇袷c對(duì)照竹束顏色對(duì)比Fig. 1Color comparison of thermal treated and untreated bamboo bundles

圖2 和圖3分別表示了干燥-熱處理對(duì)竹束明度和黃藍(lán)色品指數(shù)的影響規(guī)律。由圖2可知，隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，竹束的明度L*逐漸降低。與對(duì)照件（L*=71.74）相比，在本研究范圍內(nèi)，通過(guò)熱處理可以使竹束的明度降低13.71%～66.28%。當(dāng)處理溫度高于140 ℃時(shí)，提高處理溫度和延長(zhǎng)處理時(shí)間能顯著降低竹束的黃藍(lán)色品指數(shù)，但溫度在140 ℃時(shí)，高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束黃藍(lán)色品指數(shù)的影響不明顯（見(jiàn)圖3）。與對(duì)照件（b*=20.4）相比，在本研究范圍內(nèi)，通過(guò)熱處理可以使竹束的黃藍(lán)色品指數(shù)最多下降63.36%。在上述兩個(gè)色度學(xué)參數(shù)中，熱處理對(duì)竹材明度的影響最為顯著，對(duì)黃藍(lán)色品指數(shù)的影響次之。方差分析表明，熱處理溫度和熱處理時(shí)間對(duì)竹束明度和黃藍(lán)色品指數(shù)有顯著影響，但熱處理溫度對(duì)竹束顏色的影響程度比熱處理時(shí)間對(duì)竹束顏色的影響程度要大。

高溫?zé)崽幚碇癫念伾母淖冎饕獨(dú)w因于熱處理過(guò)程中竹材細(xì)胞壁內(nèi)主要成分的降解，尤其是半纖維素中戊聚糖的降解[16-18]。另外一個(gè)造成竹材顏色改變的重要原因是竹材抽提物，特別是是酚類物質(zhì)含量的改變。需要指出的是，與染色不同，高溫?zé)崽幚砀淖冾伾哂姓w性和均勻性，不會(huì)出現(xiàn)染色處理過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的著色不均勻和易脫色的情況。因此，當(dāng)需要獲得比竹材本色深的裝飾性顏色時(shí)，高溫?zé)崽幚聿皇橐环N環(huán)保、可行、經(jīng)濟(jì)的竹材調(diào)色方法。

圖2 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束L*的影響Fig.2Effect of heat treatment on L＊ of bamboo bundles

圖3高溫處理對(duì)竹束b*的影響Fig.3Effect of heat treatment on b＊ of bamboo bundles

2.2 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束平衡含水率的影響

圖4 表示了在熱處理時(shí)間均為4 h時(shí)，熱處理溫度對(duì)竹束平衡含水率的影響規(guī)律。從圖中可以看出，所有熱處理竹束的平衡含水率都明顯低于對(duì)照竹束的平衡含水率，且隨著熱處理溫度的提高，竹束的平衡含水率逐漸降低。當(dāng)熱處理溫度為140、160、180和200℃時(shí)，竹束的平衡含水率分別為15.32%、15.08%、13.00%和10.80%，與對(duì)照竹束（EMC為 18.60%）相比，其平衡含水率分別降低了17.63%、18.92%、30.11%和41.94%。方差分析也表明了在140～200℃范圍內(nèi)，熱處理溫度對(duì)竹材平衡含水率的影響非常顯著。

圖5表示了熱處理溫度均為200℃時(shí),熱處理時(shí)間對(duì)竹束平衡含水率的影響規(guī)律。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的高溫?zé)崽幚砗?，所有熱處理竹束的平衡含水率都低于?duì)照竹束，且隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹材的平衡含水率逐漸降低。當(dāng)熱處理時(shí)間為0.5、1、2、3h時(shí)，竹束的平衡含水率分別為14.95%、12.45%、11.66%、10.80%。與對(duì)照竹束相比，其平衡含水率分別降低了19.62%、33.06%、37.31%、41.94%。方差分析表明熱處理時(shí)間介于0.5～3h時(shí)，熱處理時(shí)間對(duì)竹材平衡含水率的影響顯著。但與熱處理溫度對(duì)竹材平衡含水率的影響程度相比，熱處理時(shí)間對(duì)竹材平衡含水率的影響程度要小。

圖4 熱處理溫度對(duì)EMC的影響Fig.4 Effect of heat treatment on EMC with different temperature

圖5 熱處理時(shí)間對(duì)EMC的影響Fig.5 Effect of heat treatment on EMC with different time

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)竹束進(jìn)行干燥-熱處理處理可以顯著降低竹束的平衡含水率，且隨著熱處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹束平衡含水率降低越大。其原因可能是：在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，竹材細(xì)胞壁纖維素非結(jié)晶無(wú)定形區(qū)內(nèi)的纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生架橋反應(yīng)，脫出水分，產(chǎn)生醚鍵，導(dǎo)致無(wú)定形區(qū)內(nèi)微纖絲的排列更加有序，纖維素游離羥基的數(shù)量減少，吸濕性能下降；另外，竹材內(nèi)半纖維素多聚糖分子鏈上的乙?；l(fā)生水解而生成醋酸，使得吸水性較強(qiáng)的羰基數(shù)量減少，半纖維素的吸濕性能下降；最后，在熱處理過(guò)程中，細(xì)胞壁3大成分物質(zhì)中具有很強(qiáng)吸濕性的半纖維素含量降低，使得吸濕性整體下降[19-22]。以上3大因素共同作用，使得高溫?zé)崽幚砗笾袷鼭裥阅芙档?，從而使以竹束為?gòu)成單元的重組竹的尺寸穩(wěn)定性得到提高。最后，需要指出的是，與現(xiàn)有的竹材高溫高壓飽和水蒸氣高溫?zé)崽幚砉に囅啾?，采用本研究所發(fā)明的常壓干燥-熱處理工藝可以簡(jiǎn)化工序，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少處理時(shí)間，提高勞動(dòng)效率，但其處理溫度要提高近70℃，竹材的脆性有所增加。

3 結(jié)論

本研究在4個(gè)溫度水平（140、160、180和200℃）和4個(gè)時(shí)間水平（0.5、1、2和3h）下對(duì)毛竹竹束進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚芯苛颂幚頊囟群吞幚頃r(shí)間對(duì)竹束顏色的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）在本研究范圍內(nèi)，通過(guò)高溫?zé)崽幚砜梢允怪袷念伾鶆蚣由?，從而使重組竹板材的裝飾性增強(qiáng)；干燥-熱處理可以使竹束明度（L*）降低13.71%～66.28%，黃藍(lán)色品指數(shù)（b*）最高可降低63.36%；熱處理對(duì)竹材明度影響最顯著，對(duì)黃藍(lán)指數(shù)的影響次之。

（2）隨著熱處理溫度和時(shí)間的延長(zhǎng)，竹束的平衡含水率（EMC）逐漸降低，其最高降低幅度可達(dá)10.80%。

（3）熱處理溫度對(duì)竹束的明度（L*）、黃藍(lán)色品指數(shù)（b*）和平衡含水率（EMC）的影響程度比熱處理時(shí)間的影響程度顯著。

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Effects of heat treatment on color and equilibrium moisture content of mao-bamboo bundles

SUN Run-he, LIU Yuan, LI Xian-jun, HOU Rui-guang, QIAO Jian-zheng
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The experiments of heat treatment for bamboo bundles were conducted at 4 varying temperatures and 4 varying durations,and the effects of treatment temperature and duration time on the color and equilibrium moisture content(EMC) were investigated. The results show that heat treatment can make the color of mao-bamboo bundles uniformity darken and thus get different decoration effects;and the lightness and yellow-blue value of bamboo bundles signif i cantly decreased with increasing temperature and duration time，while the red-green value varied irregularly, EMC also became lower; and thermal treatment can decrease the lightness yellow-blue value and EMC of bamboo bundles went up to 66.28%, 63.36% and 41.94%.

bamboo bundles of Phyllostachys pubescens; heat treatment; color; equilibrium moisture content

S784

A

1673-923X(2012)09-0138-04

2012-05-17

湖南省科技重大專項(xiàng)（2011FJ1006），教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目；湖南省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目( 2010NK3039)

孫潤(rùn)鶴(1987)，男，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟静牟男耘c功能性改良；E-mail: sunrh_mu@163.com

劉 元(1960-)，男，湖南衡陽(yáng)人，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方程為木材功能性改良；E-mail:liuyuan60@hotmail.com

[本文編校：歐陽(yáng)欽]