高溫?zé)崽幚韺χ亟M竹物理力學(xué)性能的影響

侯瑞光，劉 元，李賢軍，孫潤鶴，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 長沙 410004)

高溫?zé)崽幚韺χ亟M竹物理力學(xué)性能的影響

侯瑞光，劉 元，李賢軍，孫潤鶴，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 長沙 410004)

在4個不同的溫度和時間水平下，對新鮮毛竹竹束進(jìn)行了高溫干燥-熱處理，利用冷壓熱固化方法壓制重組竹，研究了熱處理溫度和時間對重組竹物理力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：經(jīng)過干燥-熱處理后，重組竹的耐水性能有所提高，24 h吸水率（RWA）和吸水厚度膨脹率（RTS）下降幅度分別達(dá)6.31%～30.09%和3.96%～40.26%；重組竹的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(SIB)和靜曲強(qiáng)度(SMOR)呈逐漸降低趨勢，在本研究范圍內(nèi)，分別降低14.34%～60.96%和21.54%～64.48%。但重組竹的彈性模量(EMOE)與熱處理溫度的提高和時間的延長沒有明顯變化。

毛竹竹束；重組竹材；干燥-熱處理；物理力學(xué)性能

近年來，重組竹系列產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，已成為竹產(chǎn)品系列當(dāng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ闹癞a(chǎn)品之一。它具有原材料利用率高、生產(chǎn)工藝簡單和良好的物理力學(xué)性能等特點(diǎn)，是制造家裝材料和工程材料的理想原料[1-4]。但是竹束（重組竹基本單元）含有豐富的淀粉和糖類物質(zhì)，致使重組竹在生產(chǎn)和使用過程中極易受到細(xì)菌（如霉菌、腐朽菌）和害蟲（如白蟻、木蠹蟲）的破壞，嚴(yán)重影響了其裝飾效果和使用壽命[5]。為減少細(xì)菌和害蟲對重組竹的危害，提高重組竹的理化性能，在壓制重組竹板材之前，一般需要對竹束分別進(jìn)行干燥和熱處理，其工藝流程為：在溫度為120～140℃，壓力為0.3～0.5 MPa的熱處理罐內(nèi)，以飽和水蒸汽為傳熱介質(zhì)，對竹束處理1～4 h，然后采用風(fēng)機(jī)再將炭化后的竹束迅速冷卻后重新堆垛，送入常規(guī)干燥室將其干燥至含水率12%以下[6-7]。該工藝存在著勞動強(qiáng)度大（需要兩次堆垛、兩次拆垛）、能耗高（炭化后需冷卻再加熱）、操作繁瑣、工作效率低等缺陷。本研究在業(yè)已成熟的木材熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，將竹束的干燥與熱處理合二為一，系統(tǒng)研究干燥-熱處理對重組竹物理力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期為簡化重組竹生產(chǎn)工序、降低成本提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材 料

毛竹疏解竹束，尺寸為400 mm×100 mm×20 mm；酚醛樹脂膠粘劑（PF）：固體含量40%，購自太爾膠粘劑（廣東）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

高溫?zé)崽幚硐洌ㄩL沙市金來木業(yè)有限公司，型號：Ф325×650）；冷壓機(jī)（青島國森機(jī)械有限公司，型號：LY200*95-180/5）；電子式萬能試驗機(jī)(濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司，型號：MWD-W10)；電子天平（上海光正醫(yī)療儀器有限公司，型號：YP10001）。

1.3 方法與步驟

重組竹制造工藝流程：竹束→干燥-熱處理→浸膠→干燥→組坯→冷壓→熱固化→成品。

分別在溫度為140、160、180、200℃和時間為0.5、1、2、3 h的水平下將新鮮竹束于油浴型熱處理箱內(nèi)進(jìn)行干燥-熱處理，共計16組處理試件。熱處理結(jié)束后將竹束放置7 d使其充分平衡，再將熱處理竹束連同干燥后的新鮮竹束（含水率在12%以下）在固體含量為28%的浸膠池中浸漬15 min，瀝干后使用干燥箱在63℃的條件下將竹束的含水率干燥至12%以下。將干燥好的竹束稱重縱向放入模具中，在約60 MPa的壓力下高壓成型，將模具鎖定后送入溫度為120℃的固化室內(nèi)固化10 h。固化結(jié)束后用風(fēng)機(jī)吹冷，去銷，取出重組竹，去頭，刨光。將重組竹在室內(nèi)放置7 d后用于測量重組竹的物理力學(xué)性能。根據(jù)GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，分別測量各處理水平下重組竹的吸水率（RWA）、吸水厚度膨脹率（RTS）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（SIB）、靜曲強(qiáng)度（SMOR）和彈性模量（EMOE）[8]。因重組竹板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度較大，因此在測量時用鋸機(jī)在試件厚度中間開一周深為15 mm的小槽，寬度為鋸片的寬度（約3 mm）。

重組竹試驗設(shè)計密度為1.2 g/cm3，實(shí)際板材的密度為0.93 g/cm3～1.11 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫?zé)崽幚韺χ亟M竹物理性能的影響

圖1和圖2分別表示不同干燥-熱處理條件下重組竹材的24 h吸水率（RWA）和吸水厚度膨脹率（RTS）。從圖中可以看出，隨著處理溫度的升高和時間的延長，重組竹板材的吸濕性和吸水厚度膨脹率逐漸降低，表明干燥-熱熱處理對提高重組竹的尺寸穩(wěn)定性起到了十分積極的作用。

圖1 熱處理對重組竹吸水率的影響Fig. 1 Effects of different thermal treatment on 24 hours RWA of reconstituted bamboo lumber

圖2 熱處理對重組竹吸水厚度膨脹率的影響Fig. 2 Effects of different thermal treatment on 24 hours RTS of reconstituted bamboo lumber

由 圖 1可 知， 溫 度 為 140、160、180和200℃時吸水率分別為7.94%～8.47%、7.35%～8.03%、6.64%～7.45%和6.32%～6.85%，與對照重組竹（吸水率9.54%）相比，在本研究范圍內(nèi)，通過干燥-熱處理可以使重組竹的吸水率降低6.31%～30.09%；從圖1中還可以看出，在相同處理溫度下，隨著處理時間的延長，重組竹的吸水率略微下降，但下降幅度不大，說明熱處理溫度對重組竹吸水率的影響程度要大于處理時間對重組竹吸水率的影響程度。

由圖2可知，各組重組竹試件的吸水厚度膨脹率均比較小。從圖上可以看出，溫度為140、160、180和200℃時24 h吸水厚度膨脹率分別為 2.36%～ 3.27%、1.52%～ 2.68%、1.45%～2.09%和1.11%～1.83%，與對照重組竹（RTS為3.03%）相比，在本研究范圍內(nèi)，通過干燥-熱處理可以使重組竹的吸水厚度膨脹率降低幅度可達(dá)到3.96%～40.26%；且熱處理溫度對吸水厚度膨脹率的影響程度比處理時間的影響程度更為顯著，當(dāng)溫度在160℃以上時，1～3 h處理時間對吸水厚度膨脹率的影響極小。

經(jīng)過不同條件的干燥-熱處理后，重組竹24 h吸水率和吸水厚度膨脹率降低的主要原因是因為竹材細(xì)胞壁內(nèi)無定形區(qū)內(nèi)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)致微纖絲的排列更加有序，向結(jié)晶區(qū)靠攏，使游離羥基的數(shù)量明顯減少，從而使重組竹的耐水性能得到提高[9-12]。對竹束紅外特征分析也表明（見圖3），干燥-熱處理能夠使竹材羥基的吸收峰強(qiáng)度降低，表明竹材內(nèi)部自由羥基含量的減少，從而在理論上驗證了干燥-熱處理能使重組竹的耐水性能得到提高。

圖3 不同熱處理溫度竹束的紅外光譜圖Fig.3 HTIR of bamboo bundles with different thermal treatment temperature

圖4 一體化處理對重組竹彈性模量的影響Fig. 4 Effects of thermal treatment on EMOE of reconstituted bamboo lumber

圖5 干燥-熱處理對重組竹靜曲強(qiáng)度的影響Fig. 5 Effects of thermal treatment on 24 hours SMOR of reconstituted bamboo lumber

2.2 高溫?zé)崽幚韺χ亟M竹力學(xué)性能的影響

圖4～圖6分別表示不同干燥-熱處理條件對重組竹彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖4可以得出，竹束經(jīng)過干燥-熱處理后，重組竹的彈性模量變化不大，即熱處理溫度和時間對重組竹的彈性模量無顯著影響；各熱處理后重組竹的彈性模量主要集中在10 500 MPa～12 000 MPa，呈現(xiàn)無規(guī)律變化。由圖5可知，隨著熱處理溫度的升高和處理時間的延長，熱處理重組竹的靜曲強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢。在本研究范圍內(nèi)，相對于對照重組竹，干燥-熱處理使重組竹的靜曲強(qiáng)度降低21.54%～64.48%。從圖中可知，處理溫度對重組竹靜曲強(qiáng)度的影響程度要比處理時間對靜曲強(qiáng)度的影響程度要大，且隨著處理溫度的增加，處理時間對重組竹靜曲強(qiáng)度的影響程度逐漸減弱。如在140℃處理條件下，0.5 h～3 h重組竹靜曲強(qiáng)度最大相差22.67%；在200℃處理條件下，0.5 h～3 h重組竹靜曲強(qiáng)度最大16.84%。從圖6可以看出，隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，重組竹內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也呈逐漸降低的趨勢。在本研究范圍內(nèi)，與對照重組竹相比（內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度2.81 MPa），干燥-熱處理使重組竹的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低14.34%～60.96%；熱處理溫度對重組竹內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響程度要比處理時間對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響程度要大。靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度是評價人造板理化性能的兩個重要指標(biāo)，在本研究范圍內(nèi)，當(dāng)處理溫度達(dá)到180℃，靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度相對于對照重組竹最低已下降40.64%和46.10%，因此在當(dāng)重組竹用于結(jié)構(gòu)件時，采用干燥-熱處理工藝處理竹束時，溫度盡量控制在180℃以內(nèi)。

經(jīng)過干燥-熱處理后的竹束，特別是180℃和200℃兩個溫度水平下，竹束韌性變差，竹束內(nèi)部三大素發(fā)生熱降解等一系列復(fù)雜反應(yīng)，導(dǎo)致重組竹的靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有較大的下降，這和前人對高溫?zé)崽幚碇癫暮湍静牡牧W(xué)性能的研究成果一致[13-16]，但是下降幅度較大，具體原因可能是與飽和水蒸氣熱處理工藝相比，干燥-熱處理工藝使重組竹的降解更為劇烈。且處理溫度越高，時間越長，竹束韌性越差，并在約60 MPa的壓力下，竹束壓潰嚴(yán)重。熱處理溫度對重組竹靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響程度比處理時間的影響程度要大，主要是因為溫度是竹材三大組成成分降解的主要因素，而熱處理時間對竹材三大組成成分的降解貢獻(xiàn)不大。干燥-熱處理工藝對重組竹的彈性模量的變化不明顯也與前人的科研成果相一致[17-20]。這主要是因為，竹材三大素當(dāng)中，纖維素賦予竹材硬度和剛性，木素填充其中起硬固物質(zhì)的作用。而纖維素和木素的熱穩(wěn)定性比較高，在本研究范圍內(nèi)，纖維素和木素在高溫?zé)崽幚磉^程中可認(rèn)為只是部分發(fā)生了分解，因此，干燥-熱處理后重組竹的彈性模量沒有發(fā)生明顯的變化。

圖6 干燥-熱處理對重組竹內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig. 6 Effects of thermal treatment on SIB of reconstituted bamboo lumber

3 結(jié) 論

本課題采用冷壓-高溫固化法將高溫干燥-熱處理后竹束壓制成重組竹。對不同處理條件的重組竹進(jìn)行物理力學(xué)性能測試，結(jié)論如下：

（1）經(jīng)過干燥-熱處理后，重組竹的耐水性能有所提高。隨著高溫?zé)崽幚頊囟鹊奶岣吆蜁r間的延長，重組竹24 h 吸水率（RWA）和吸水厚度膨脹率（RTS）呈逐漸降低的趨勢。其中，吸水厚度膨脹率下降較為明顯。在溫度200℃，3h處理條件下，重組竹的吸水厚度膨脹率下降近40%。

（2）經(jīng)過干燥-熱處理后，重組竹的靜曲強(qiáng)度（SMOR）和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(SIB)不同程度的降低。隨著高溫?zé)崽幚頊囟鹊奶岣吆蜁r間的延長，重組竹的靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別降低21.54%～64.48%和14.34%～60.96%。但重組竹的彈性模量隨著處理處理溫度的提高和時間的延長沒有明顯變化。

（3）熱處理溫度對重組竹的24吸水率（RWA）、吸水厚度膨脹率（RTS）、靜曲強(qiáng)度（EMOE）和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（SIB）的影響程度比熱處理時間的影響程度顯著。

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Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of reconstituted bamboo lumber (RBL)

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

The experiments of fresh bamboo bundles heat treatment were conducted with four different temperatures and four different duration time, and the reconstituted bamboo lumber (RBL) was made from the bamboo bundles by adopting cold heat-curing method.The effects of treatment temperature and duration time on physical-mechanical properties were investigated. The results show that the heat treatment obviously strengthened the 24 hours water proof property and the water absorption(RWA) rate and thickness swelling rate after water absorption(RTS) declined by 6.31% ～ 30.09% and 3.96% ～ 40.26% respectively, in contrast to the untreated bamboo lumber;and the internal bond strength(SIB) and static bending strength(SMOR) signif i cantly decreased with increasing temperature and duration time; in contrast to the untreated lumber, the heat treatment made the values of SIBand SMORdecreased from 14% to 40% and 22% to 64%, respectively. While the EMOEof RBL didn’t markedly varied as the heat treatment temperature raised and treating time prolonged.

bamboo bundles; reconstituted bamboo lumber; dry and heat treatment; physical-mechanical properties

S781.7；S795

A

1673-923X(2013)02-0101-04

2012-11-07

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

侯瑞光（1988-），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：木材功能性改良；E-mail：452883852@qq.com

劉 元（1960-），湖南衡陽人，博士，教授，博導(dǎo)，研究方向：竹材、木材功能性改良；E-mail：liuyuan601220@163.com

[本文編校：邱德勇]