中低溫?zé)崽幚韺?duì)竹材材性的影響

劉煬，曹琳，李金朋

（北京林業(yè)大學(xué)，北京　100083）

中低溫?zé)崽幚韺?duì)竹材材性的影響

劉煬，曹琳，李金朋

（北京林業(yè)大學(xué)，北京100083）

采用溫度為75、105、135益，時(shí)間為30min的熱處理工藝對(duì)毛竹（Phyllostachys edulis）材進(jìn)行處理，分析不同熱處理溫度對(duì)毛竹材性能的影響。研究表明：隨著熱處理溫度的升高，纖維素含量先上升后下降，綜纖維素含量下降，木質(zhì)素含量變化不大，略有下降。密度先上升后下降，干縮率呈下降趨勢(shì)。順紋靜曲強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，抗彎彈性模量變化較少。

熱處理；竹材；化學(xué)成分；力學(xué)性能；物理性質(zhì)

我國(guó)竹資源十分豐富，竹林面積居世界第一位，其中經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值較高、集中成片分布的毛竹林面積占總竹林面積的70%左右[1]。這使得我國(guó)近些年來的竹材加工行業(yè)得到了極大的發(fā)展。竹材高溫?zé)崽幚碜鳛榻梃b木材熱處理技術(shù)而提出的改善竹材性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一種方法，其對(duì)竹材材性的影響已經(jīng)有一定的研究成果。經(jīng)熱處理的木竹包裝在國(guó)際上被更為廣泛地認(rèn)可和接受[2]。已有研究表明[3]，熱處理溫度對(duì)竹材性能的影響比時(shí)間更為顯著。且根據(jù)ISPM15號(hào)規(guī)定的木包裝處理溫度56益處理時(shí)間30min以上肯定能達(dá)到殺死有害生物的效果。本文選取現(xiàn)在研究中空白的中低溫段進(jìn)行研究，對(duì)比同時(shí)間（30min）不同溫度條件下（75、105、135益）毛竹（Phyllostachys edulis）材的主化學(xué)成分含量變化，物理性質(zhì)主要包括（密度、干縮性）以及力學(xué)性質(zhì)（順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度）的變化，對(duì)比結(jié)果，并分析變化原因。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用毛竹條（Phyllostachys pubescens）購(gòu)自浙江某公司，產(chǎn)地為福建南平，竹齡4a生，尺寸為80mm伊10mm伊3mm。經(jīng)熱處理（處理前經(jīng)過80益水進(jìn)行軟化和展平）后，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法》加工成試樣尺寸為10mm伊10mm伊3mm（竹壁厚），供干縮率及密度測(cè)試；試樣尺寸為20mm伊20mm伊3mm供順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試樣尺寸為160mm伊10mm伊3mm供抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量測(cè)試，共計(jì)432個(gè)試樣。

電鏡試樣：制作試樣尺寸為10mm伊10mm伊1mm的試樣供電鏡實(shí)驗(yàn)使用。

毛竹粉：熱處理過的試樣用粉碎機(jī)粉碎，選取40～60目間的竹粉用作化學(xué)成分分析。

1.1.2熱處理方法

將制備好的毛竹竹材試樣放在熱處理機(jī)中，采用溫度為75、105、135益進(jìn)行熱處理，處理時(shí)間皆為30min，然后將處理過的不同溫度的試樣標(biāo)記好，在室溫條件下水分調(diào)置到平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)選用瑞士Xorella公司CONTEXXOR PLUS HT-0型熱處理機(jī)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1化學(xué)成分含量的測(cè)量

將未處理毛竹竹材與熱處理毛竹竹材分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。綜纖維素和酸不溶木素含量的測(cè)定，分別按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2677.10—1995《造紙?jiān)暇C纖維素含量的測(cè)定》、GB/T2677.8—94《造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》[4]中規(guī)定的方法進(jìn)行。因國(guó)標(biāo)中無竹材纖維素的測(cè)定方法，只有琢-纖維素的測(cè)定方法，所以選用了硝酸—乙醇纖維素的測(cè)定方法來測(cè)定竹材中纖維素的含量。

1.2.2顯微構(gòu)造方面

將未處理毛竹竹材與熱處理毛竹竹材分別加工成1mm厚的薄片，長(zhǎng)、寬約為10mm的試樣，噴金處理后用掃描電鏡觀察試樣的三切面。實(shí)驗(yàn)選用日立公司S-3400型掃描電子顯微鏡。

1.2.3物理性質(zhì)方面

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法》中的試件尺寸以及實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)試。

1.2.4力學(xué)性質(zhì)方面

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。

2　結(jié)果與分析

2.1熱處理毛竹竹材的化學(xué)成分分析

未處理竹材纖維素的含量為381.1g/kg，綜纖維素的含量為587.2g/kg，木質(zhì)素的含量為204.1g/kg。經(jīng)過熱處理后，毛竹竹材的化學(xué)成分大致變化趨勢(shì)為：隨著熱處理溫度的升高，木質(zhì)素的含量上升，綜纖維素的含量下降，纖維素含量先上升后下降。

熱處理后毛竹竹材的綜纖維素、纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的含量變化見圖1。由圖1可知，熱處理溫度的升高使竹材纖維素含量呈現(xiàn)先上升后降低的狀態(tài)，下降幅值為6.4%。熱處理后竹材纖維素先上升，是由于處理溫度較低，水分開始蒸發(fā)，但纖維素還未分解，相對(duì)含量增大，105益后含量呈下降趨勢(shì)，但變化值僅為6.4%，這是由于在加熱的作用下纖維素內(nèi)部發(fā)生了熱解反應(yīng)，但因?yàn)闊崽幚頊囟炔桓卟]有達(dá)到破壞纖維素大分子的程度[5]，所以變化幅度不劇烈。

綜纖維素含量隨熱處理溫度的升高而降低，變化值為3.4%。因?yàn)榫C纖維素在高溫條件下容易發(fā)生裂解，隨著溫度的升高裂解加劇[6]。

熱處理溫度為75和105益時(shí)，毛竹材綜纖維素的含量較未處理材略高，其原因主要為熱處理過程中水分蒸發(fā)以及部分易揮發(fā)性物質(zhì)損失[5]。當(dāng)溫度為135益以上時(shí)，其含量低于未處理材，其原因可能是綜纖維素基團(tuán)受熱，分子內(nèi)部脫水，其活性增強(qiáng)，生成少量鏈，生成的鏈?zhǔn)沟么龠M(jìn)基團(tuán)大量分解，從而使其含量低于未處理材[7]。

毛竹竹材木質(zhì)素含量隨熱處理溫度的升高變化不大，略呈下降趨勢(shì)。這是由于木質(zhì)素主要是由苯基丙烷等單元組成，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)為典型的化學(xué)鍵結(jié)合，非常穩(wěn)定，當(dāng)溫度達(dá)到200益時(shí)才開始分解，所以在200益以下時(shí)木質(zhì)素的變化僅僅是由于纖維素和半纖維素的分解而導(dǎo)致的變化[8]。

圖1　溫度對(duì)主要化學(xué)成分含量的影響

對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過比較溫度對(duì)綜纖維素、纖維素和木質(zhì)素的變異系數(shù)可知，溫度對(duì)它們的含量均有一定影響。但相較而言，溫度對(duì)纖維素的變異程度為4.341%，大于對(duì)綜纖維素的變異系數(shù)1.428%和木質(zhì)素的變異程度2.80%。

2.2熱處理毛竹竹材的物理性能結(jié)果分析

物理性質(zhì)主要針對(duì)密度（氣干密度、全干密度和基本密度）、干縮性（弦向全干干縮率、徑向全干干縮率、體積全干干縮率）進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

從表1可以看出：熱處理溫度從75益到135益竹材的氣干密度先上升后下降，下降了14.6%；竹材的全干密度先上升后下降，下降了13.9%；竹材的基本密度先上升后下降，下降了14.3%。變化趨勢(shì)與林勇等人對(duì)毛竹密度的研究一致[10]。當(dāng)溫度低于105益，隨著熱處理溫度的升高，竹材內(nèi)部水分減少，而且由于竹材體積減少幅度大于竹材的質(zhì)量減少幅度，從而導(dǎo)致竹材的密度升高。而當(dāng)溫度大于105益，隨著溫度的上升，竹材的密度減小，主要是因?yàn)橹癫膬?nèi)部發(fā)生了降解反應(yīng)[10]。

表1　溫度對(duì)密度和全干干縮率的影響

徑向全干干縮率隨著熱處理溫度的升高而下降，下降了13.3%；弦向全干干縮率隨著熱處理溫度的升高而下降，下降了14.3%；熱處理溫度的升高使得體積全干干縮率下降，變化幅值為6.3%。竹材干縮率的降低是因?yàn)槔w維素和半纖維素由于受熱含量下降，可能有一定的分解，導(dǎo)致羥基的濃度下降，從而干縮性減小[8]。這與余立琴等對(duì)毛竹干縮率的研究結(jié)果一致[11]。

2.3熱處理毛竹竹材的力學(xué)性能結(jié)果分析

竹材的力學(xué)性質(zhì)是影響竹材最終如何利用的重要指標(biāo)之一，對(duì)于出口的竹制品更是如此。本實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件下，75、105、135益（30min）的含水率分別為6.3%、6.2%、5.7%，未處理材的含水率為6.9%，力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2　溫度對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響

由表2可知：竹材的MOR（靜曲強(qiáng)度）隨熱處理溫度呈下降趨勢(shì)，而MOE（彈性模量）隨著溫度的升高先上升后下降。熱處理竹材MOR減少了2.54%，MOE增大了3.26%。由于熱處理溫度的升高使竹材內(nèi)部化學(xué)成分降解，從而導(dǎo)致了竹材力學(xué)性能降低。彈性模量的大小受密度的影響，隨著溫度的升高，在135益變化范圍以下，由表1可知，竹材全干密度先增大后減小，從而導(dǎo)致竹材彈性模量也隨之發(fā)生改變。

由表2可知：熱處理對(duì)竹材的順紋抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著，隨著溫度的升高，竹材的順紋抗拉強(qiáng)度大幅度下降。與未處理材相比135益熱處理竹材的抗拉強(qiáng)度減少了53.23%；相比之下其對(duì)竹材順紋抗壓強(qiáng)度的影響則不明顯，僅下降了7.80%。

3　結(jié)論

本研究選用了4a生毛竹作為試材，以熱處理溫度為因素開展實(shí)驗(yàn)。研究在不同熱處理溫度下竹材主要化學(xué)成分變化及物理、力學(xué)性能的變化。主要得出以下結(jié)論：

（1）化學(xué)成分。隨著熱處理溫度的升高，纖維素含量先上升后下降，下降了6.4%，綜纖維素含量下降，變化值為3.4%，木質(zhì)素變化不大略有下降。熱處理溫度對(duì)竹材主要化學(xué)成分含量的影響顯著。

（2）物理性質(zhì)。隨著熱處理溫度的升高，密度先上升后下降，干縮率呈下降趨勢(shì)，但幅值較小。

（3）力學(xué)性質(zhì)。隨著熱處理溫度的升高，順紋靜曲強(qiáng)度下降，抗彎彈性模量則呈先上升后下降趨勢(shì)，分別變化了2.54%、3.26%。順紋抗拉強(qiáng)度大幅度下降，順紋抗壓強(qiáng)度變化并不明顯。

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［4］國(guó)家輕工業(yè)局行業(yè)管理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)處援GB/T2677.8—94.造紙?jiān)牧纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定［S］援北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999援

［5］張亞梅，余養(yǎng)倫，于文吉，等援熱處理對(duì)毛竹化學(xué)成分變化的影響［J］援中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2011，26（2）：6原10.

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Effect of Heat Treatment in Middle and Low Temperature on the Quarantine of Bamboo

LIU Yang，CAO Lin，LI Jin-peng
（Beijing Forestry University，Beijng 100083）

Heat treatments of 75益、105益and 135益for 30min were applied to bamboo to analyze the impact of different heat treatment temperature on the performance of bamboo.Studies showed that:with the increase of temperature，cellulose content increased and then decreased；whereas holo-cellulose content decreased；lignin content rose.Density rose at first and then decreased，but shrinkage rate declined.MOR parallel to grain and compressive strength parallel to the grain decreased，but shearing strength parallel to grain was less variable.Tear duct internal situation in line with changes in physical pits mechanics. Key words：Heat treatment；Bamboo；Chemicalcomponents；Mechanical properties；Physical properties

S781.9

A

1002-3356（2016）03-0014-03

2016-05-17

北京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目-質(zhì)檢處理對(duì)竹木材材性的影響（x201510022049）

劉煬（1995-），女，在讀本科生，E-mail：nolekobe@sina.com

曹琳（1972-），女，講師，E-mail：20062008c@163.com