微波和汽蒸加熱軟化棕櫚藤材抗彎性能及材色的比較研究

曹積微　袁　哲　強(qiáng)明禮

（1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南昆明650224；2.西南林業(yè)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，云南昆明650224）

微波和汽蒸加熱軟化棕櫚藤材抗彎性能及材色的比較研究

曹積微1袁哲2強(qiáng)明禮1

（1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南昆明650224；2.西南林業(yè)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，云南昆明650224）

采用微波和汽蒸加熱的方式對云南省藤、版納省藤、高地鉤葉藤等3種棕櫚藤材的進(jìn)行軟化處理，探討不同軟化方式對藤材彈性模量的影響以及軟化后藤材的材色變異。結(jié)果表明：3種藤材在微波、汽蒸2種加熱軟化方式處理后均可達(dá)到較好的軟化效果，其中以微波加熱軟化效率較高，軟化效果較好；加熱介質(zhì)溫度越高，加熱時間相對較短，如溫度較低，則需延長加熱時間，才能達(dá)到軟化目的；軟化后的藤材色度學(xué)參數(shù)均發(fā)生不同程度變化，明度ΔL*、飽和度ΔC*和色調(diào)角ΔAg*均有所降低，總體色差ΔE*為16～27，但2種軟化處理方式對材色的影響未見明顯差異。

微波；汽蒸；軟化，抗彎強(qiáng)度；抗彎彈性模量；材色；棕櫚藤

棕櫚藤 （Rattan）屬棕櫚科 （Pa1mae）省藤亞科（Ca1amoideae）植物，是亞洲熱帶地區(qū)珍貴的非木質(zhì)資源［1］。藤材軟化點低，適當(dāng)?shù)募訜峥梢蕴岣咛俨牡乃苄裕诓桓淖兤錂C(jī)械特性的情況下可鑄模、彎曲或改變成各種形狀，因而被廣泛用于家具工業(yè)［2］。在軟化過程中，伴隨熱水抽出物的溶出，藤材明度明顯下降，色度學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。因此，材色變化的研究對棕櫚藤表面性質(zhì)和價值評價以及變色防治、染色處理等有重要意義。

目前，多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)制造過程中以汽蒸加熱軟化方式來提高藤材塑性，其生產(chǎn)工藝比較成熟，但汽蒸加熱軟化時間較長、效率低。微波加熱在木材加工中多用于熱軟化、干燥和改性處理等［3-7］，具有加熱均勻，效率高的特點，但少見文獻(xiàn)報道將微波加熱用于棕櫚藤材的熱軟化處理。本研究通過微波和汽蒸2種加熱方式對3種藤材進(jìn)行加熱軟化處理，比較2種軟化處理方式和不同工藝條件下的軟化效果以及軟化后藤材表面材色的變化，為棕櫚藤的綜合加工利用提供理論基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

云南省藤 （Calamus yunnanensis）、版納省藤（Calamus nambaruensis var.χishuangbannaensis）和高地鉤葉藤 （Plectocomia himalayana）采自云南省西雙版納州大勐龍鎮(zhèn)，藤條去除葉鞘后自然氣干。藤材均生長正常，基本信息見表1。

表1　3種藤材基本情況Tab1e 1　Information of three sPecies rattan

1.2試驗設(shè)備

試驗所用加熱設(shè)備為格蘭仕WD900型微波爐，最大輸出功率 900 W，微波頻率為 2 450 MHz；LDZM-80KCS立式壓力蒸汽滅菌器。材色測量采用SC-80C全自動色差計。彈性模量利用日本島津AG-I萬能力學(xué)試驗機(jī)測試。

1.3試驗方法

1.3.1微波、汽蒸加熱軟化試驗

實際生產(chǎn)中，影響軟化質(zhì)量的因素很多，如原材料種類、軟化方法和軟化工藝條件（含水率、加熱條件等）。試驗前先將3種藤材在水中浸泡14 d，使含水率達(dá)到100%。在微波加熱設(shè)備中分別以180、360、540、720 W功率加熱軟化；在汽蒸加熱設(shè)備中，0.15 MPa壓力條件下，分別以 105、115、121、126℃過熱飽和蒸汽加熱軟化。測定軟化后藤材的抗彎彈性模量。

1.3.2抗彎彈性模量測試

國內(nèi)外關(guān)于藤材抗彎彈性模量測試缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗參考國內(nèi)外棕櫚藤力學(xué)性能測試方法進(jìn)行。試樣為160 mm×直徑（D）的整藤試樣，采用中央單點加荷三點彎曲，跨距為120 mm，加荷輥和支承輥直徑均為15 mm，加載速率為20 mm/min，并計算其抗彎彈性模量［8-10］。

1.3.3材色測定

材色測定采用1976年CIE（L*a*b*）標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)表征系統(tǒng)對藤材軟化前后顏色進(jìn)行表征，主要視覺物理參數(shù)為明度（L*）、色差（ΔE*）、色調(diào)角（Ag*）以及色度指數(shù) （a*和b*）。由下列公式計算［11-13］：

式中：ΔL*為明度差；Δa*為紅綠軸色品差；Δb*為黃藍(lán)軸色品差；C*為飽和度；ΔC*為飽和度差；ΔE*為總體綜合色差，簡稱色差；ΔAg*是色相角差，正值表示色相角逆時針變化，負(fù)值表示色相角順時針方向變化。下標(biāo)t表示處理后的參數(shù)測量值；下標(biāo)0表示處理之前的測定值。

2　結(jié)果與分析

2.1軟化處理對藤材抗彎彈性模量的影響

軟化前，3種藤材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量見表2。

表2　3種藤材抗彎性能Tab1e 2　MOR and MOE for three sPecies rattan

抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量從大到小依次為云南省藤＞版納省藤＞高地鉤葉藤。在達(dá)到破壞時，藤材的變形量都很大，與木、竹材相比，藤材塑性良好，易于彎曲定型［14-16］。

飽水處理后的藤材經(jīng)加熱，在溫度和濕度的作用下，一部分半纖維素溶解成流體狀態(tài)，纖維素?zé)o定形區(qū)分子鏈上游離羥基吸附水分，使纖維素間隙中水膜增厚，分子間距離增大，吸引力減小，有利于纖維素分子間的相對移動，從而達(dá)到軟化的目的［17-18］。

微波加熱軟化3種藤材，不同功率、不同軟化時間其抗彎彈性模量見圖1。

圖1　微波軟化后3種藤材的抗彎彈性模量Fig.1　The MOE of microwave heating softening for three sPecies rattan canes

由圖1可知，云南省藤在360 W功率下加熱2 min時MOE最低，為364.14 MPa，約為未軟化云南省藤的18%；版納省藤在360 W功率下加熱3 min時MOE最低，為62.37 MPa，約為未軟化版納省藤的7%；高地鉤葉藤在540 W功率下加熱3 min 時MOE最低，為75.06 MPa，約為未軟化高地鉤葉藤的12%。3種藤材的MOE均隨加熱時間及加熱功率的增加而出現(xiàn)不同程度的增長。在一定范圍內(nèi)，軟化溫度越高及加熱時間越長，軟化效果越好：云南省藤和版納省藤在360～540 W功率下加熱2～3 min，軟化效果相對較好；高地鉤葉藤在360～540 W加熱3～5 min，軟化效果較好。超過這個范圍以后，繼續(xù)升溫或延長加熱時間，會使材料結(jié)構(gòu)找到破壞而降低軟化效果。

微波加熱后藤材彈性模量降低，易于變形，這是由于加熱使藤材溫度升高，雖然未達(dá)到纖維素的熱軟化溫度，但在水熱的共同作用下使半纖維素和木素各自達(dá)到了熱軟化溫度［19-20］。3種藤材的微波軟化試驗表明，藤材在微波中加熱快速均勻，軟化效果好。

汽蒸加熱軟化3種藤材，不同功率、不同軟化時間其抗彎彈性模量見圖2。

圖2　汽蒸軟化后3種藤材的抗彎彈性模量Fig.2　The MOE of steaming heating softening for three sPecies ranttan canes

由圖2可知，云南省藤在115℃條件下加熱軟化80 min后，MOE最低，為506.81 MPa，約為未軟化云南省藤的25%；版納省藤在121℃條件下加熱軟化40 min后，MOE最低，為90.63 MPa，約為未軟化版納省藤的10%；高地鉤葉藤在121℃條件下加熱軟化60 min后，MOE最低，為 135.62 MPa，約為未軟化高地鉤葉藤的22%。汽蒸軟化處理后的試件含有大量水分，因此必須將水分降低到使用狀態(tài)下的含水率。

對比2種軟化處理方式發(fā)現(xiàn)，3種藤材的微波軟化效率明顯高于汽蒸加熱軟化，經(jīng)微博軟化后藤材的MOE也低于汽蒸軟化后該藤種試樣，軟化效果較好。不同藤種的最佳軟化條件有所不同，熱軟化差異程度取決于其半纖維素和木素的含量比例不同。有關(guān)試驗［2］表明，軟化程度取決于熱量提供情況，加熱介質(zhì)溫度越高，加熱時間相對較短；當(dāng)溫度較低時，則需延長加熱時間，才能達(dá)到軟化目的。

2.2軟化處理對藤材材色的影響

將上述最優(yōu)工藝條件下軟化后的3種藤材進(jìn)行材色測定，比較軟化前后藤材變色情況，其色度學(xué)參數(shù)見表3。

表3　微波、汽蒸加熱處理后3種藤材的色度學(xué)參數(shù)Tab1e 3　Effect of microwave and steaming heating on chromatic Parameters of samP1es

由表2可知，3種藤材經(jīng)微波和汽蒸加熱軟化處理后，色度學(xué)參數(shù)均發(fā)生不同程度的變化。處理后藤材的明度均明顯降低，微波處理后的云南省藤、版納省藤、高地鉤葉藤較處理前分別降低了30.60%、35.02%、40.14%；汽蒸加熱軟化處理后的云南省藤、版納省藤、高地鉤葉藤較處理前分別降低了28.87%、42.82%、42.78%。經(jīng)軟化處理后，藤材材色均出現(xiàn)偏紅和偏藍(lán)的現(xiàn)象，以Δb*降低較為明顯，色品偏藍(lán)；藤材飽和度ΔC*降低，其中高地鉤葉藤的汽蒸處理飽和度下降9.29，明顯大于其微波處理材色下降程度；色調(diào)角ΔAg*均降低；總體色差ΔE*為16～27，其中以高地鉤葉藤和版納省藤處理前后色差較大，云南省藤次之。

3種藤材經(jīng)軟化處理，色度學(xué)參數(shù)均發(fā)生不同程度的變化，這可能與藤材受溫度和濕度共同作用有關(guān)，其內(nèi)部可能既有發(fā)色和助色基團(tuán)高溫氧化，也有抽提物揮發(fā)或水解溶出。由于棕櫚藤材質(zhì)變異性大，因此微波、汽蒸處理過程對藤材材色的影響機(jī)理、材色變化的主要因素及材色變化與材性之間的關(guān)系等有待深入研究［21-22］。

3　結(jié)　論

1）微波加熱軟化3種藤材：云南省藤在360 W功率下加熱2 min時MOE為364.14 MPa；版納省藤在360 W功率下加熱3 min時MOE為62.37 MPa；高地鉤葉藤在540 W功率下加熱3 min時MOE為75.06 MPa。汽蒸加熱軟化3種藤材：云南省藤在115℃條件下加熱軟化80 min后，MOE為506.81 MPa；版納省藤在121℃條件下加熱軟化40 min后，MOE為90.63 MPa；高地鉤葉藤在121℃條件下加熱軟化60 min后，MOE為135.62 MPa。2種軟化方式均可以達(dá)到較好的軟化效果，但超過一定范圍以后，繼續(xù)升溫或延長加熱時間，會使材料結(jié)構(gòu)找到破壞而降低軟化效果。

2）微波加熱方式軟化棕櫚藤材高效、均勻，在短時間內(nèi)可以達(dá)到較好的軟化效果，但微波加熱設(shè)備使用局限大，工藝條件難于控制；汽蒸加熱方式軟化棕櫚藤材工藝比較成熟，是目前多數(shù)中小型企業(yè)生產(chǎn)過程中采用的主要熱軟化處理方式，但軟化時間長，效率低。同時，由于不同藤種間的熱軟化差異，生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況對不同材料的不同軟化工藝做出相應(yīng)調(diào)整。

3）經(jīng)微波和汽蒸軟化處理的藤材色度學(xué)參數(shù)均發(fā)生不同程度變化：明度ΔL*、飽和度ΔC*和色調(diào)角ΔAg*均有所降低，總體色差ΔE*為16～27，但2種軟化處理方式對材色的影響未見明顯差異。

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（責(zé)任編輯曹龍）

ComParison on Bending ProPerties and Co1ors of Rattan Canes with Microwave and Steaming Softening Techno1ogy

Cao Jiwei1，Yuan Zhe2，Qiang Ming1i1

（1.Co11ege of Materia1s Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China；2.Co11ege of Art，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

The effect of different softening methods on modu1us of e1asticity（MOE）and chromatic Parameters of three sPecies rattan canes，inc1uding Calamus yunnanensis，Calamus nambaruensis var.χishuangbannaensis，and Plectocomia himalayana was studied with microwave and steaming heating methods.The resu1ts showed that the softening resu1ts of both two methods for three sPecies rattan were good，the softening efficiency and softening resu1ts of microwave softening were better.The higher the heating medium temPerature was，the shorter the heating time was，the heating time wou1d be increased with 1ower temPerature medium in order to achieve better softening resu1ts. Chromatic Parameters of samP1es treated by microwave and steaming heating were changed，1ightness ΔL*，saturation ΔC*and hue ang1e ΔAg*va1ues decreased，tota1 chromatic aberration ΔE*was increased and its range was about 16 to 27.There was no significant different between these two methods on chromatic Parameters.

microwave，steaming，softening，bending strength，modu1us of e1asticity，rattan co1or，rattan

S784

A

2095-1914（2016）04-0158-05

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.04.026

2015-11-12

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目（2012FB167）資助。
第1作者：曹積微（1990—），男，碩士生。研究方向：棕櫚藤材彎曲工藝及機(jī)理。Emai1：caojiwei.mai1@qq.com。

袁哲（1975—），女，博士，副教授。研究方向：家具設(shè)計、家具材料與工藝。Emai1：yuan-zhe@sohu.com。