微波加熱軟化竹片彎曲工藝研究

郝睿敏，劉文金，陳新義

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙410004）

微波加熱軟化竹片彎曲工藝研究

郝睿敏，劉文金，陳新義

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙410004）

采用微波對5 mm厚的楠竹竹片進(jìn)行軟化實驗，研究了微波功率、微波處理時間、試件初含水率等因素對軟化效果的影響，并采用正交實驗對竹片微波軟化進(jìn)行了工藝優(yōu)化。研究結(jié)果表明：微波加熱對竹片有良好的軟化作用，當(dāng)微波功率為500 W，微波處理時間為4 min，試件初含水率為90%時楠竹竹片軟化效果最好，其彎曲半徑可達(dá)5 cm。

楠竹；竹片；微波軟化； 彎曲工藝

竹材具有良好的彎曲性能，利用其可以制作豐富的曲線型竹材家具。傳統(tǒng)的曲竹家具都以手工火烤水煮的方法為主[1]，生產(chǎn)速度慢，不能滿足批量化生產(chǎn)的要求。彎曲竹構(gòu)件是曲竹家具的主要部件。研究表明：將竹剖切成一定厚度的竹片，對竹片進(jìn)行軟化、彎曲干燥處理即可以制成彎曲構(gòu)件[2]，該方法簡便快速便于工業(yè)化生產(chǎn)。

同實木彎曲工藝一樣，在竹片彎曲工藝中，軟化是極其重要的一道工序。本研究采用微波軟化的方法對竹片進(jìn)行軟化，探討微波功率、微波時間以及竹片初含水率對竹片軟化效果的影響規(guī)律，并運(yùn)用正交實驗法，分析得出竹片軟化的優(yōu)化工藝參數(shù)，以期為竹片微波軟化工藝研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

4～5年生楠竹Phyllostachys pubescens，取自湖南益陽，自然陳放30 d，含水率約為13%。經(jīng)鋸截、開條、粗刨、壓刨等工序，將竹條去節(jié)、去青、去黃[3-4]，得到竹片試件，規(guī)格為180 mm（長）×27 mm（寬）×5 mm（厚）。

1.2 實驗設(shè)備

微波爐（Galanz，WP8007L23-K3）。最大輸出功率800 W，頻率2 450 MHz。實驗中用于竹片軟化處理；

微機(jī)控制電子式木材力學(xué)試驗機(jī)（KHQ-002H），加載速度設(shè)置為10 mm/min，實驗中用于試件的彈性模量的測試；

電子天平（PL203），游標(biāo)卡尺，卷尺等。

1.3 實驗方法

將竹片試件放入清水中浸泡至預(yù)定含水率后取出，然后利用微波爐對試件進(jìn)行軟化，軟化過程中為了防止水分過分蒸發(fā)，將竹片置于微波爐專用容器中后再一同放入微波爐。軟化結(jié)束后立即用微機(jī)控制電子式木材力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行彈性模量測試。測試方法參考GB/T15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實驗方法》。需要指出的是：因本課題是研究竹片徑向彎曲，因此這里的彈性模量測定為徑向彈性模量測試，本實驗只對竹青側(cè)受拉情況進(jìn)行測試。另外，經(jīng)預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)竹片在軟化后形變大，容易從兩支座間滑移，因此本實驗中將彈性模量測試的支座距離縮小為60 mm。

1.4 軟化效果評定依據(jù)

由于飽水材的半纖維素和木素易發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，同時隨著溫度升高，纖維素、半纖維素、木素復(fù)合物中的氫鍵受到破壞，減弱了分子間的結(jié)合力，熱作用下分子能充分運(yùn)動，細(xì)胞壁軟化，彈性模量值降低[5-6]，故以軟化后材料的彈性模量值為軟化效果的評定指標(biāo)，彈性模量越小軟化效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

在探索性試驗基礎(chǔ)上，將微波功率、微波時間以及試件初含水率作為實驗因素進(jìn)行單因素實驗，對竹片軟化后彈性模量值進(jìn)行考察，分析各因素對軟化效果的影響。

（1）微波功率的影響

當(dāng)試件初含水率為70%，微波處理時間為4 min時，經(jīng)過不同微波功率處理后試件的彈性模量如圖1所示。

圖1 微波功率與彈性模量的關(guān)系Fig. 1 Relation between microwave power and MOE

由圖1可知，當(dāng)微波處理功率從200 W增大到500 W時，試件彈性模量逐漸減小，功率為500 W時，竹片的彈性模量值降到最低僅為1 469 MPa。這是由于在微波磁場作用下使得竹材內(nèi)部的極性分子如水和有關(guān)官能團(tuán)，產(chǎn)生擺動，摩擦生熱，在微波時間一定的情況下隨著功率增大，分子運(yùn)動加劇，竹片溫度升高，竹材內(nèi)部的非結(jié)晶態(tài)高聚物纖維素和木素的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)在此作用下明顯下降[7-9]，竹片塑性增強(qiáng)。而當(dāng)功率由500 W增大到700 W時，試件彈性模量升高，這是由于隨著功率過大，試件在短時間內(nèi)溫度急劇上升，竹片內(nèi)部水分蒸發(fā)加劇，失去了水的潤脹使得竹片塑性降低?？梢娢⒉üβ蕿?00 W時，竹片達(dá)到較好的軟化效果。

（2）微波時間的影響

當(dāng)試件初含水率為70%，微波功率為400 W時，經(jīng)過不同時間處理后試件的彈性模量如圖2所示。

圖2 微波處理時間與彈性模量的關(guān)系Fig. 2 Relation of microwave processing time and MOE

由圖2可知，在2～7 min的微波處理時間內(nèi)，試件彈性模量先降低后增大，微波處理時間為4 min時彈性模量最低，其值為1 810 MPa。分析產(chǎn)生其現(xiàn)象的原因是，當(dāng)微波功率一定時，隨著微波時間的增加，竹片內(nèi)分子得到充分運(yùn)動，試件溫度升高，達(dá)到部分纖維素、半纖維素和木素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，竹片塑性增強(qiáng)[10-12]，彈性模量降低；但微波處理時間繼續(xù)增大，則竹片內(nèi)水分大量蒸發(fā)，失去水分潤脹竹片塑性降低，則彈性模量增大。可見微波處理時間為4 min時，竹片達(dá)到較好的軟化效果。

（3）試件初含水率的影響

當(dāng)微波功率為400 W，處理時間為4 min時，初含水率不同的試件經(jīng)微波處理后彈性模量如圖3所示。

圖3 試件初含水率與彈性模量的關(guān)系Fig. 3 Relation between specimen initial moisture content and MOE

由圖3可知，隨著試件初含水率增加，軟化后彈性模量逐漸降低。這是由于水作為塑化劑，可以對竹材內(nèi)部有良好的潤脹作用[13]，為分子劇烈運(yùn)動提供了自由體積空間，隨著含水率增大，自由體積空間增大，分子間熱運(yùn)動更加容易[14]，故含水率升高，竹片彈性模量降低，軟化效果漸佳。可見試件初含水率越高竹片的軟化效果越好，當(dāng)含水率約為90%時，其軟化后彈性模量最低。

2.2 正交實驗分析

2.2.1 正交實驗安排

在單因素實驗基礎(chǔ)上，以微波功率、微波處理時間和試件初含水率為影響因素，按照L9(34)正交實驗表進(jìn)行實驗設(shè)計,因素水平表見表1，正交實驗結(jié)果見表2。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

2.2.2 結(jié)果分析

正交實驗極差分析結(jié)果見表3。結(jié)果顯示：影響竹片軟化后彈性模量值的因素順序為Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ，最佳工藝組合為Ⅰ3Ⅱ2Ⅲ3，即：各因素對軟化效果的影響程度依次為試件初含水率、微波時間、微波功率，最優(yōu)方案為軟化時間4 min，微波功率500 W，試件含水率90%。

表3 極差分析結(jié)果Table 3 Results of range analysis

2.2.3 工藝驗證

按照分析得出的理論最優(yōu)方案進(jìn)行驗證實驗，實驗重復(fù)3次，得到處理后試件的彈性模量均值為1 374 MPa，比未軟化處理竹片的彈性模量低80%，大大提高了竹片的塑性，達(dá)到良好的軟化效果。經(jīng)上模彎曲，竹片在竹青方向受拉時的彎曲半徑可達(dá)5 cm，達(dá)到較好的彎曲效果。

3 結(jié) 論

采用微波加熱可以有效使竹片軟化，并且其效果顯著。微波功率、微波時間及試件初含水率等因素對其軟化效果均有影響，影響顯著性為：試件初含水率＞微波時間＞微波功率。在本實驗條件下最佳工藝為：試件初含水率90%，微波處理時間4 min，微波功率500 W。經(jīng)優(yōu)化工藝處理，5 mm厚無節(jié)竹片竹青方向受拉時彎曲半徑達(dá)5 cm。

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Investigation on bamboo chip bending process by microwave-heating softening

HAO Rui-min, LIU Wen-jin, CHEN Xin-yi
(School of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Phyllostachys pubescenschips of 5 mm-thick were soften by microwave-heating in order to study the effects of microwave power, time, initial moisture content of specimens on the softening process. An orthogonal experiment method was employed to analyze and optimize the softening process. The results show that microwave-heating improved the softening effect of the chips, and the bending radius reached 5 cm when the microwave power was 500 W, processing time was 4 min, the initial moisture content of specimens was 90%.

Phyllostachys pubescensMazel; bamboo chip; microwave softening; bending process

S795

A

1673-923X(2014)08-0111-03

2013-12-26

叢生竹高附加值建筑制品制造關(guān)鍵技術(shù)研究 （201004005）

郝睿敏（1988-），女，山西忻州人，碩士研究生，主要從事家具與室內(nèi)工程方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]