常壓高溫?zé)崽幚韺?duì)紅竹竹材物理力學(xué)性能的影響

夏 雨， 牛帥紅， 李延軍,3， 夏 俐， 馬俊敏， 王 麗， 余肖紅

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.中融科創(chuàng)信息技術(shù)河北有限公司，河北 石家莊050000；3.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；4.杭州和恩竹材有限公司，浙江杭州311251；5.浙江慶元縣永青國(guó)有林場(chǎng)，浙江 慶元323800）

中國(guó)是世界竹資源第一大國(guó)，竹子栽培和竹材利用歷史悠久，在品種、面積、蓄積量、竹制品產(chǎn)量和出口額方面均居世界第一，素有 “竹子王國(guó)”美譽(yù)。中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)90年代開始發(fā)展以來，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于車輛、建筑、家具、裝飾等各個(gè)領(lǐng)域［1-3］。中國(guó)竹家具的歷史悠久，風(fēng)格獨(dú)特，造型美觀，是傳統(tǒng)家具的一個(gè)重要分支［4-5］。原竹家具是竹家具的重要組成部分，主要使用紅竹Phyllostachys iridescins作為加工材料。在實(shí)際生產(chǎn)加工中，由于竹材含有較高的纖維素、半纖維素、淀粉、糖類及蛋白質(zhì)等有機(jī)物，原竹家具在儲(chǔ)存、加工和使用過程中容易產(chǎn)生蟲蛀、霉變和開裂等問題，因此原竹家具用材需進(jìn)行必要的改性處理［6-7］。竹材高溫?zé)崽幚硎墙梃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)量的一種改性方法［8-11］。高溫?zé)崽幚碛欣诟纳浦癫牟牧系某叽绶€(wěn)定性、耐腐性、耐候性等性能，實(shí)現(xiàn)竹材的高效利用，增加產(chǎn)品種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量［10］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于竹材熱處理的研究多集中于毛竹Phyllostachys edulis［3，6-7，12］，對(duì)于紅竹熱處理研究較少，紅竹分布于浙江、江蘇、上海、四川和安徽等地，產(chǎn)量豐富，是具有代表性的小徑級(jí)竹材，筆者對(duì)紅竹竹材進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)，為原竹家具原料的改性處理和小徑級(jí)竹的研究提供一定的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為3年生紅竹，采伐自安徽省寧國(guó)市。選取表面光滑，無明顯缺陷的紅竹，距地50 cm處采伐，往上1.5 m為試件原料，采伐12組，15根·組-1，共計(jì)180根。分別制作試件，參照GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》［13］和 ISO 22157-1-2004Specifies Test Methods for Evaluating the Following Characteristic Physical and Strength Properties for Bamboo［14］。 制成 10 mm × 10 mm ×tmm（t為壁厚）竹片材試件，測(cè)基本密度、干縮率；20 mm×20 mm×tmm竹片材試件，測(cè)順紋抗壓強(qiáng)度；160 mm×10 mm×tmm竹片材試件，測(cè)抗彎強(qiáng)度；35 mm×20 mm×tmm竹片材試件，測(cè)凸型順紋抗剪強(qiáng)度；280 mm×10 mm×tmm竹片材試件，測(cè)凹型順紋抗拉強(qiáng)度；dmm （d為直徑）×40 mm的圓竹材試件，測(cè)順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪前度、徑向環(huán)剛度；dmm×60 cm（測(cè)試點(diǎn)無竹節(jié)）圓竹材試件，測(cè)抗彎強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微機(jī)控制電子式木材萬能試驗(yàn)機(jī)（DNS50），高低交變濕熱試驗(yàn)箱（ER-10AGP），烘箱（SEG-021），電子分析天平（AB204-N），干燥碳化窯，游標(biāo)卡尺，螺旋測(cè)微器等。

1.3 熱處理試驗(yàn)

將試件放置于干燥箱中，初始溫度為40℃，隔2 h溫度升高5℃，直至103℃，竹材干燥至絕干；將絕干試件分別以溫度為110，130，150，170℃，時(shí)間分別為1，2，3 h進(jìn)行常壓高溫?zé)崽幚?。熱處理過程中為防止竹材及圓竹材開裂，采用蒸汽高溫?zé)崽幚?，試件放入干燥窯后，開始通蒸汽，進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，試件共?jì)12組。熱處理后試件放入高低交變濕熱試驗(yàn)箱中，以溫度（20±2）℃，濕度（65±5）%進(jìn)行水分調(diào)節(jié)，待含水率穩(wěn)定后，進(jìn)行試驗(yàn)，竹材經(jīng)過熱處理后，其含水率處于穩(wěn)定狀態(tài)下為5.5%，因未處理竹材試驗(yàn)時(shí)含水率為12%，為了方便對(duì)比，將熱處理竹材均計(jì)為含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝對(duì)竹片材物理性能影響

由圖1可見：熱處理對(duì)竹材基本密度、徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率均有影響，根據(jù)各性能的方差分析，處理溫度和時(shí)間對(duì)基本密度的影響不顯著（P＞0.05），對(duì)各項(xiàng)干縮性能的影響顯著（P＜0.05），其中溫度為主影響因素；未處理竹材（對(duì)照）基本密度為0.60 g·cm－3，熱處理竹材基本密度最小值為 170℃，3 h時(shí)的 0.64 g·cm－3， 最大值為 150℃，3 h時(shí)的 0.68 g·cm－3， 比對(duì)照增加了 6.9%～13.9%；130和150℃竹材基本密度趨勢(shì)差異較小，110～150℃呈現(xiàn)隨溫度升高、時(shí)間延長(zhǎng)，基本密度增大趨勢(shì)，170℃則呈相反趨勢(shì)。徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率隨熱處理溫度增加，數(shù)值下降；同一熱處理溫度下，時(shí)間延長(zhǎng)，數(shù)值也有所下降；170℃時(shí)各項(xiàng)干縮率數(shù)值差異均較??；未處理竹材徑向干縮率為2.2%，弦向干縮率為5.0%，體積干縮率為14.6%，熱處理竹材徑向干縮率最大為2.3%，數(shù)值最小為1.9%，比對(duì)未處理竹材變化率為4.55%～13.64%，弦向干縮率最大為4.8%，最小為3.2%，比對(duì)變化率為4.00%～36.00%，體積干縮率最大為12.2%，最小為11.0%，比對(duì)變化率16.44%～24.66%。

圖1 熱處理竹材變化Figure 1 Heat-treaded bamboo’s physical properties

2.2 熱處理工藝對(duì)竹片材力學(xué)性能影響

由圖2可見：熱處理工藝對(duì)竹片材順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度有明顯的影響，竹片材各力學(xué)強(qiáng)度方差分析顯示：處理溫度為影響力學(xué)強(qiáng)度的極顯著因素（P＜0.01），處理時(shí)間影響不顯著（P＞0.05）；力學(xué)強(qiáng)度隨熱處理溫度升高整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；未處理竹片材的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較170℃處理竹材高，這表明熱處理溫度過高，其力學(xué)性能反而有下降趨勢(shì)；熱處理溫度為110，130，150℃時(shí)，隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，力學(xué)強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，而170℃則呈相反趨勢(shì)。未處理竹片材順紋抗壓強(qiáng)度為51.6 MPa，熱處理后最小值為69.3 MPa，最大值為72.4 MPa，比對(duì)變化率為32.17%～39.72%；未處理竹片材順紋抗剪強(qiáng)度為19.6 MPa，熱處理后最小值為17.5 MPa，最大值為24 MPa，比對(duì)變化率為－12.24%～20.91%；未處理竹片材的抗彎強(qiáng)度為142.7 MPa，熱處理后最小值為162.3 MPa，最大值為196.6 MPa，比對(duì)變化率為13.52%～37.56%；未處理竹片材的順紋抗拉強(qiáng)度為225.8 MPa，熱處理后最小值為156.7 MPa，最大值為250.4 MPa，比對(duì)變化率為－30.73%～10.76%。

2.3 熱處理工藝對(duì)圓竹材力學(xué)性能的影響

圖3反映了熱處理工藝對(duì)圓竹材順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、徑向環(huán)剛度［15］的影響，圓竹材各力學(xué)性能方差分析可見，溫度是影響各力學(xué)強(qiáng)度變化的主要因素（P＜0.01），時(shí)間影響不顯著（P＞0.1）；熱處理后圓竹材的力學(xué)強(qiáng)度均大于未處理圓竹材；熱處理溫度為110，130，150℃時(shí)，圓竹材的力學(xué)強(qiáng)度隨溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)；110，130，150℃的溫度條件時(shí)，圓竹順紋抗壓強(qiáng)度總體趨勢(shì)從低到高依次為110，130，150℃，其中110℃與130，150℃差異較大；圓竹材順紋抗剪強(qiáng)度增幅較緩，10，130，150℃溫度之間抗剪強(qiáng)度差異較??；圓竹材抗彎強(qiáng)度3種溫度條件差距不明顯，時(shí)間因素影響較明顯；圓竹材徑向環(huán)剛度增幅較緩，110，130，150℃溫度之間強(qiáng)度差異??；在170℃的溫度條件下，圓竹材順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及徑向環(huán)剛度等4個(gè)力學(xué)性能均呈隨時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。未處理圓竹材順紋抗壓強(qiáng)度為29.8 MPa，熱處理后最小值為40.8 MPa，最大值45.6 MPa，比對(duì)變化率為35.90%～52.01%；未處理圓竹材順紋抗剪強(qiáng)度為11.1 MPa，熱處理后最小值為16.2 MPa，最大值為21.6 MPa，比對(duì)變化率為43.24%～90.99%；未處理竹圓竹材抗彎強(qiáng)度為18.6 MPa，熱處理后最小值為26.8 MPa，最大值為41.7 MPa，比對(duì)變化率為42.47%～122.58%；未處理圓竹材徑向環(huán)剛度為98 kPa，熱處理后最小值為100.4 kPa，最大值為159.8 kPa，比對(duì)變化率為2.14%～52.55%?？梢钥闯?，熱處理后圓竹材的力學(xué)強(qiáng)度提升較大，這對(duì)于制作原竹家具是適合的改性方式。

圖2 熱處理工藝對(duì)竹片材力學(xué)性能影響Figure 2 Heat-treaded bamboo sheet’s mechanical properties

3 結(jié)論

根據(jù)木材學(xué)理論及木材碳化機(jī)制［16］，竹材在熱處理過程中纖維素，尤其是半纖維素發(fā)生分解，含量降低，同時(shí)竹材內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致氫鍵濃度降低，或氫鍵被非親水性基團(tuán)所取代，引起竹材干縮；在溫度為110～150℃時(shí)，溫度相對(duì)較低，竹材內(nèi)部的纖維素、半纖維素分解緩慢，竹材內(nèi)部自由水蒸發(fā)較多，體積干縮較大，竹材基本密度相對(duì)增加，力學(xué)性能增加；隨著熱處理溫度的升高，竹材的胞壁物質(zhì)、半纖維素、纖維素分解劇烈，竹材的胞壁物質(zhì)減少，而體積基本不變，竹材基本密度相對(duì)降低，其力學(xué)性能降低。

圖3 熱處理工藝對(duì)圓竹材力學(xué)性能的影響Figure 3 Heat-treaded round bamboo’s mechanical properties

由以上分析可知，溫度是影響熱處理后竹材物理力學(xué)性能的顯著因素；110℃和170℃時(shí)的竹材力學(xué)性能較弱，而130℃與150℃的竹材其各項(xiàng)力學(xué)性能均相似，因此，首先排除110℃和170℃作為生產(chǎn)中熱處理工藝溫度；實(shí)際生產(chǎn)和熱處理過程中，安全、環(huán)保、成本等均是需要綜合考慮的因素，150℃熱處理溫度，其消耗燃料、有害氣體排放均較多，溫度較高，安全隱患較大。因此，最適宜生產(chǎn)的熱處理工藝為溫度130℃，時(shí)間2 h。

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