竹材熱解過(guò)程

羅威

我國(guó)是世界竹子分布最為廣泛的國(guó)家，不但竹材資源豐富，且種類眾多，這使得我國(guó)成為竹材工業(yè)化利用最廣泛的國(guó)家。現(xiàn)階段，強(qiáng)化對(duì)竹材特點(diǎn)、性能的研究成為擴(kuò)大竹材利用規(guī)模，提升竹材制品質(zhì)量的重要途徑。

竹材在工業(yè)與生活中的應(yīng)用價(jià)值

首先，在將竹材經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后制成各種竹質(zhì)人造板和竹材制品替代木材的領(lǐng)域內(nèi)，先后開(kāi)發(fā)了竹材膠合板、竹材膠合水泥模板、竹材地板、竹木復(fù)合膠合板、竹材集成材、竹家具和各種竹質(zhì)生活用品等產(chǎn)品，為產(chǎn)竹區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和增加竹農(nóng)收入做出了重要的貢獻(xiàn)。在當(dāng)前中國(guó)木材價(jià)格高于國(guó)際市場(chǎng)、工資水平大大低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的情況下，竹材工業(yè)化利用的產(chǎn)品尚有一定的競(jìng)爭(zhēng)能力。利用竹材優(yōu)良的生物學(xué)特性和特殊的微觀結(jié)構(gòu)，重視和開(kāi)發(fā)竹材的化學(xué)利用，進(jìn)行深入的研究，開(kāi)發(fā)新的竹產(chǎn)品，尋找合理的生產(chǎn)工藝，增加產(chǎn)品附加值，也是當(dāng)前竹材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。

特別是全竹的家具，業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè)在全球木材資源缺乏的情況下全竹家具將成為未來(lái)家具的一個(gè)重要分支。處理后的竹材板材防蟲(chóng)蛀，不會(huì)開(kāi)裂、變形、脫膠。由于竹子的天然特性，其吸濕、吸熱性能高于其它木材，竹質(zhì)家具具有冬暖夏涼，純竹質(zhì)高檔家具還具有相當(dāng)?shù)挠^賞性。可以預(yù)見(jiàn)，全竹家具在國(guó)際市場(chǎng)也是大有可為的。

竹材熱解過(guò)程國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

生物質(zhì)的熱解已然成為一個(gè)新興的熱門(mén)研究領(lǐng)域，國(guó)外關(guān)于生物質(zhì)熱解過(guò)程的研究報(bào)道大量涌現(xiàn)，相關(guān)理論體系逐漸完善起來(lái)，現(xiàn)將其中較有代表性的研究成果綜述如下：

Xiao Gang等利用熱分析儀對(duì)竹子進(jìn)行了熱解研究，指出在竹子的熱解過(guò)程有三個(gè)階段：竹子外邊面的裂解，竹子內(nèi)部的裂解和二次裂解重焦油。

Rajulu等把巨龍竹在惰性氣氛下利用熱分析儀在加熱速率為10℃/min做了熱解的實(shí)驗(yàn)，并利用FreemanandCarrollmethod法計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

Mingliang DU等對(duì)有老化行為的聚丙烯（PP）和埃洛碳納米管（HNT）等納米復(fù)合材料進(jìn)行了熱解特性分析。

Marta Krzesinska等運(yùn)用元素分析，差示掃描量熱法（DSC）等方法，以鐵竹為例，研究了熱解溫度對(duì)單片多孔碳材料物理性能的影響。

WG Weng等人提出了一種一維綜合模型，用來(lái)測(cè)試碳化材料受到恒定輻射熱通量而被熱解的過(guò)程。測(cè)試到了整體碳層厚度，熱穿透深度，表面溫度和質(zhì)量損失率之間的關(guān)系。

上世紀(jì)90年代日本掀起一場(chǎng)“竹炭熱”引發(fā)日本各地關(guān)于竹材熱解炭化過(guò)程的研究，田島次郎等用炭化爐進(jìn)行竹材熱解炭化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)竹炭產(chǎn)率與排煙溫度110—150℃之間的溫升有關(guān)；巖田磨治對(duì)不同竹材炭化品質(zhì)進(jìn)行了研究，認(rèn)為炭化指標(biāo)精煉度與表面積、比表面積、亞甲基藍(lán)吸附率等因素有關(guān)。

竹材熱解過(guò)程國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

由于國(guó)內(nèi)竹材分布廣泛，種類眾多，且我國(guó)對(duì)竹材的加工運(yùn)用水平較高，因而國(guó)內(nèi)關(guān)于竹材熱解過(guò)程的研究成果較為豐富，現(xiàn)將其中較有代表性的研究成果綜述如下：

鄧天異采用高精度熱重分析儀（TG，DTG和DSC），在高純氮的氣氛下，在40—500℃溫度范圍內(nèi)，考查了不同部位的竹材樣品（分為外、中、里三層）的熱解過(guò)程，進(jìn)行了小樣品竹材在不同加熱速率和樣品狀態(tài)下的熱解動(dòng)力學(xué)分析、產(chǎn)率分析及熱解過(guò)程中的焙變分析。

徐明綜述了幾類（非）木質(zhì)植物原料熱解及液化的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上以小型同竹齡毛竹材為樣品，對(duì)其在不同升溫速率下進(jìn)行熱分析，并計(jì)算了表觀活化能。為便于分析還應(yīng)用綜合熱分析儀等，研究了毛竹材的微觀構(gòu)造及小型同竹齡毛竹材的化學(xué)特性差異。

曾凱斌，蔣斌波，陳紀(jì)忠在不同升溫速率（5、10、20、30K·min-1）下，對(duì)竹材進(jìn)行TG分析。在313—650K的溫度范圍內(nèi)，試樣經(jīng)歷了水分析出、第一步熱解和第二步熱解過(guò)程。用Lev-enberg-Marquardt方法對(duì)非等溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程求解熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

邵千鉤，彭錦等人在研究竹質(zhì)材料熱解失重行為及其動(dòng)力學(xué)研究中利用熱重分析儀在氮?dú)鈿夥障聦?duì)兩種竹質(zhì)材料（毛竹和孝順竹）的熱解失重行為進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明竹質(zhì)材料在熱解過(guò)程中可分為失水干燥、預(yù)熱解、快速熱解和殘余物緩慢分解等4個(gè)階段。

王威崗等研究了木質(zhì)纖維素的熱解特性，并對(duì)其熱解過(guò)程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，纖維素在不同升溫速率下的熱解分為3個(gè)階段：水分的析出、揮發(fā)分的析出以及固定炭的生成。并根據(jù)積分法中的Coats和Redfem法求解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（活化能E，頻率因子A）。

文麗華等選取杉木、花梨木和水曲柳為樣品，對(duì)其在不同升溫速率下進(jìn)行了熱分析并將木材的熱解過(guò)程分為四個(gè)階段，分析了每個(gè)階段的化學(xué)物理變化以及熱效應(yīng)的變化，研究了不同升溫速率對(duì)熱解過(guò)程的影Ⅱ向，并建立了試樣的熱解模型，求出其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

齊國(guó)利等用綜合熱分析儀研究了在氮?dú)饣蚨趸甲鳛檩d氣的條件下，生物質(zhì)（稻殼、玉米秸稈和木屑）熱解的TG/DTG曲線。依據(jù)熱重曲線，將熱解反應(yīng)分為兩個(gè)主導(dǎo)反應(yīng)區(qū)，其拐點(diǎn)溫度為T(mén)f，并利用改良的Coats-Redfern法和常用的46種機(jī)理函數(shù)，計(jì)算出生物質(zhì)熱分解反應(yīng)的表觀活化能、反應(yīng)級(jí)數(shù)及頻率因子。并利用這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算出生物質(zhì)熱解的動(dòng)力學(xué)特征值——反應(yīng)速率常數(shù)k，活化熵AS，活化焓AH，Gibbs自由能AG，以及空間位阻因子P。

施海云，方夢(mèng)祥等對(duì)建筑裝璜中幾種常用板材的熱解行為進(jìn)行了熱重分析。通過(guò)對(duì)TG和DTG曲線的分析，深入研究了影響樣品熱解過(guò)程的幾個(gè)重要因素：升溫速率、樣品粒徑和試樣量對(duì)熱解過(guò)程的影響。通過(guò)對(duì)十種模型的比較，發(fā)現(xiàn)熱解過(guò)程符合兩階段一級(jí)反應(yīng)模型。并得出了各階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、表觀活化能和頻率因子。

崔亞兵，陳曉平等在常壓熱重分析儀和自行研制的加壓熱重分析儀上進(jìn)行了生物質(zhì)熱解特性的系統(tǒng)研究，得到了升溫速率、壓力等因素對(duì)生物質(zhì)熱解過(guò)程的影響規(guī)律。對(duì)不同試驗(yàn)條件下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了求解和比較，并作了機(jī)理分析。

胡云楚等用TG—DTA熱分析聯(lián)用技術(shù)測(cè)定了4種常用木材的TG—DTA曲線，并用熱動(dòng)力學(xué)方法處理了TG曲線，獲得了相應(yīng)的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)各種木材在干燥階段和煅燒階段的熱性質(zhì)大致相似，而炭化階段的熱性質(zhì)則因木材的化學(xué)組成不同而有較大差異。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于竹材熱解過(guò)程的研究成果不斷豐富，而隨著竹材應(yīng)用領(lǐng)域的日趨廣泛，國(guó)內(nèi)外關(guān)于竹材加工設(shè)計(jì)、防火、助燃、火災(zāi)危險(xiǎn)性等問(wèn)題的研究需要越來(lái)越強(qiáng)烈，因而，深化竹材熱解過(guò)程的研究，是提升竹材應(yīng)用價(jià)值和拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。