高溫?zé)崽幚韺α_竹蒸籠徑向壓力影響的試驗(yàn)研究

劉海慶，姜德龍

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 云浮 527200）

0 引言

我國竹類產(chǎn)品豐富，毛竹是林業(yè)重要的經(jīng)濟(jì)作物，具有分布廣、生長周期短等優(yōu)點(diǎn)[1]，國內(nèi)大部分竹類研究都集中在毛竹領(lǐng)域，對羅竹的研究甚少。羅竹是沙羅單竹的別名，是我國南方地區(qū)重要竹種之一，具有稈壁甚薄的特點(diǎn)，主要用來編織竹器、蒸籠等。廣東省羅定市泗綸鎮(zhèn)是竹蒸籠之鄉(xiāng)，以本地羅竹為原料，生產(chǎn)出來的蒸籠具有天然的羅竹清香，聞則令人心曠神怡，食物經(jīng)羅竹蒸籠蒸熟或炊熟，羅竹的清香和微量元素可通過蒸汽滲透到食物中。羅竹蒸籠遠(yuǎn)銷海外，產(chǎn)品供不應(yīng)求，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，泗綸鎮(zhèn)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從事蒸籠加工1.5萬多戶約2萬余人，年產(chǎn)蒸籠7 000萬只，產(chǎn)值4億多元，創(chuàng)匯近3 000萬美元。因?yàn)橹裾艋\需要在高濕的環(huán)境下炊蒸食物，且竹材內(nèi)富含淀粉、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，容易滋生霉菌，導(dǎo)致竹蒸籠霉變[2,3]，借鑒木材熱處理技術(shù)，對竹材進(jìn)行高溫?zé)崽幚韀4-6]，從而達(dá)到延長竹蒸籠使用壽命，改善竹蒸籠力學(xué)性能的目的[7-9]。本文利用自制的熱處理設(shè)備對羅竹蒸籠進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)，從熱處理溫度和時(shí)間兩方面研究對不同直徑羅竹蒸籠的影響，為以羅竹為原材料的竹材改性處理提供借鑒。

1 羅竹蒸籠加工工藝

羅竹蒸籠按照外徑尺寸分類，主要有130 mm、150 mm、167 mm、178 mm、205 mm、230 mm、260 mm、280 mm、300 mm、330 mm、370 mm、406 mm、460 mm等。

羅竹蒸籠加工有8個(gè)步驟，如圖1所示。一是選料，選取當(dāng)?shù)厣钌椒N植4年以上，竹直、徑長、節(jié)疏的優(yōu)質(zhì)羅竹。二是開料，將砍下來的羅竹削去枝葉，并按照需要加工的蒸籠規(guī)格將羅竹鋸成各種長度，破開、裁好。三是削片，將開好的竹片削去表面竹青，并把竹片刨光滑、大小均勻，同時(shí)做好防腐霉消毒處理。四是焙片，將刨好的竹片放在火上烘焙，使其具有良好的柔韌性，曬干后以待編織。五是定型，將烘好的竹片，按照蒸籠的規(guī)格要求卷成圓形，用銅線穿好固定，做成蒸籠的外圈。六是防霉，對編織好的蒸籠進(jìn)行熱處理和防蟲處理，防止蒸籠發(fā)霉。七是晾曬，將蒸籠曬干。八是打磨，將曬干的蒸籠進(jìn)行打磨，去除毛邊，即成蒸籠。

圖1 竹蒸籠制作工藝流程Fig.1 Bamboo steamer production process

2 羅竹蒸籠熱處理工藝

羅竹高溫?zé)崽幚硌b置如圖2所示，將羅竹蒸籠放置到熱處理室10內(nèi)，擺放整齊，點(diǎn)燃燃燒室7內(nèi)的竹蒸籠加工的廢棄物，加熱后的空氣通過熱循環(huán)換熱器6進(jìn)入豎直布置的導(dǎo)熱管11，溫度控制裝置8調(diào)節(jié)進(jìn)入熱處理室10的空氣量，熱循環(huán)風(fēng)扇12轉(zhuǎn)動，使熱處理室內(nèi)的空氣均勻分布，熱處理室內(nèi)的濕冷空氣由抽濕風(fēng)機(jī)4排放到環(huán)保除塵器3內(nèi)，環(huán)保除塵器3將濕冷空氣內(nèi)的煙塵等有毒有害物質(zhì)處理后，氣體由排氣煙囪2排出，排灰口1取出廢棄物。

圖2 高溫?zé)崽幚硌b置示意圖Fig.2 schematic diagram of high temperature heat treatment device

竹制品加工廢棄物為高溫?zé)崽幚硌b置加熱的能量來源，排灰口取出的廢棄物可作為竹子生長的肥料，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)。

3 方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)方案設(shè)計(jì)

為探索不同竹蒸籠直徑、加熱溫度、時(shí)間等參數(shù)以及其交互作用對羅竹蒸籠可承受的最大徑向壓力（簡稱徑向壓力），獲得最優(yōu)參數(shù)組合，本試驗(yàn)選取正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案。高溫?zé)崽幚頊囟确謩e為130℃、150℃、170℃，高溫?zé)崽幚頃r(shí)間分別為1 h、2 h、3 h。將羅竹蒸籠放置在高溫?zé)崽幚硌b置內(nèi)，先升溫至50℃，然后每小時(shí)均勻升溫10℃，直至實(shí)驗(yàn)溫度，最后將熱處理后的羅竹蒸籠送入恒溫恒濕箱內(nèi)，在溫度（20±2）℃、濕度（65±5）%的條件下進(jìn)行水分調(diào)節(jié)，直至竹蒸籠含水率穩(wěn)定，再測量其徑向力。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與工具

INSTRON5582萬能材料試驗(yàn)機(jī)，高溫?zé)崽幚硌b置，游標(biāo)卡尺，蒸籠試驗(yàn)箱，恒溫恒濕箱等。

3.3 試驗(yàn)材料及方法

羅竹蒸籠為羅定市恒兆蒸籠有限公司生產(chǎn)的羅竹牌蒸籠，蒸籠的材料來自廣東省羅定市泗綸鎮(zhèn)4～6年生的羅竹。蒸籠試驗(yàn)箱長度為蒸籠直徑，寬度為籠高，高度為蒸籠半徑，材料試驗(yàn)機(jī)從蒸籠未裝入試驗(yàn)箱部分加力測試徑向力。本試驗(yàn)選擇直徑130 mm（直徑最小的羅竹蒸籠）、205 mm（銷量最好的羅竹蒸籠）、460 mm（直徑最大的羅竹蒸籠），選取每種直徑蒸籠48個(gè)，分16組進(jìn)行試驗(yàn)研究，即每種直徑蒸籠徑向力試驗(yàn)重復(fù)3次。參照GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》[10]中規(guī)定的方法，測羅竹蒸籠徑向力學(xué)性能。

3.4 多因素試驗(yàn)

試驗(yàn)因素水平編碼表，如表1所示。X1為溫度，X2為時(shí)間，采取了2因素正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，共有16組試驗(yàn)。

表1 因素水平編碼表Tab.1 Coding table of level of experimental factors

4 試驗(yàn)結(jié)果

2因素正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表2—4所示。y1是直徑為130 mm蒸籠的徑向壓力，y2是直徑為205 mm蒸籠的徑向壓力，y3是直徑為460 mm蒸籠的徑向壓力。為了直觀地分析溫度、時(shí)間與徑向壓力之間的關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到溫度與時(shí)間對直徑為130 mm蒸籠徑向壓力影響的回歸方程如式1所示，溫度與時(shí)間對直徑為130 mm蒸籠徑向拉力影響的響應(yīng)曲面圖如圖3所示。

表2 直徑為130 mm蒸籠試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 130 mm

表3 直徑為205 mm蒸籠試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 205 mm

表4 直徑為460 mm蒸籠試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 460 mm

圖3 130 mm蒸籠徑向壓力響應(yīng)曲面圖Fig.3 Response surface diagram of radial pressure of 130 mm steamer

由圖3可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著時(shí)間的增加，130 mm蒸籠的徑向壓力逐漸增大，當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，隨著溫度的增大，130 mm蒸籠的徑向壓力先逐漸增大再逐漸減小，響應(yīng)曲面沿溫度方向較沿時(shí)間方向變化快，表明溫度對130 mm蒸籠的徑向壓力的影響較時(shí)間影響顯著。

根據(jù)木材學(xué)理論及木材碳化機(jī)制[11]，隨著溫度的逐漸升高，羅竹竹材內(nèi)部的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，羅竹的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素開始降解[12]，因?yàn)榘肜w維素分子量低、有支鏈結(jié)構(gòu)，半纖維素率先開始降解[13]。溫度越高，時(shí)間越長，半纖維素降解就越多，由于半纖維素對羅竹竹材起著粘結(jié)作用[14,15]，它的降解導(dǎo)致羅竹蒸籠承受的徑向壓力下降。

利用Design-Expert 8.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到溫度與時(shí)間對直徑為205 mm蒸籠的徑向拉力影響的回歸方程如式2所示，溫度與時(shí)間對直徑為205 mm蒸籠徑向壓力影響的響應(yīng)曲面圖如圖4所示。

圖4 205 mm蒸籠徑向壓力響應(yīng)曲面圖Fig.4 Response surface diagram of radial pressure of 205 mm steamer

由圖4可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著時(shí)間的增加，205 mm蒸籠的徑向壓力逐漸增大，當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，隨著溫度的增大，205 mm蒸籠的徑向壓力先逐漸增大再逐漸減小，響應(yīng)曲面沿溫度方向較沿時(shí)間方向變化快，表明溫度對205 mm蒸籠的徑向壓力的影響較時(shí)間影響顯著。

利用Design-Expert 8.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到溫度與時(shí)間對直徑為460 mm蒸籠的徑向拉力影響的回歸方程如式3所示，溫度與時(shí)間對直徑為460 mm蒸籠徑向壓力影響的響應(yīng)曲面圖如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著時(shí)間的增加，460 mm蒸籠的徑向壓力逐漸增大，當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，隨著溫度的增大，460 mm蒸籠的徑向壓力先逐漸增大再逐漸減小，響應(yīng)曲面沿溫度方向較沿時(shí)間方向變化快，表明溫度對徑向壓力的影響較時(shí)間影響顯著。

圖5 460 mm蒸籠徑向壓力響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface diagram of radial pressure of 460 mm steamer

5 優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

在前述建立的130 mm蒸籠的徑向壓力、205 mm蒸籠的徑向壓力和460 mm蒸籠的徑向壓力的二階多項(xiàng)式模型的基礎(chǔ)上，分別以y1、y2和y3為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用Design-Expert 8.0.10軟件分別對目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，目標(biāo)函數(shù)分別為公式4—6所示，得到130 mm蒸籠的徑向壓力最佳參數(shù)組合為：溫度144.22℃，時(shí)間為2.99 h，徑向壓力大小為2 062.15 N；205 mm蒸籠的徑向壓力最佳參數(shù)組合為：溫度148.53℃，時(shí)間為2.72 h，徑向壓力大小為1 829.96 N；460 mm蒸籠的徑向壓力最佳參數(shù)組合為：溫度147.31℃，時(shí)間為2.42 h，徑向壓力大小為1 179.94 N。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對其進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到130 mm蒸籠的徑向壓力為2 060.8 N，205 mm蒸籠的徑向壓力為1 827.1 N，460 mm蒸籠的徑向壓力為1 178.6 N，驗(yàn)證結(jié)果與Design-Expert 8.0.10優(yōu)化結(jié)果基本一致，其誤差主要為考慮試驗(yàn)過程中設(shè)備精度和人為操作對試驗(yàn)造成的誤差，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與最佳組合下的預(yù)測結(jié)果比較接近，具有較好的一致性，說明優(yōu)化模型可行。

6 結(jié)論

本文通過自制的高溫?zé)崽幚硌b置對羅竹蒸籠進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，通過正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，研究了溫度與時(shí)間及交互作用對羅竹蒸籠徑向壓力的影響分析，建立了徑向壓力的數(shù)學(xué)模型，通過目標(biāo)優(yōu)化，得到130 mm、205 mm、460 mm羅竹蒸籠的徑向壓力最佳參數(shù)組合分別為：溫度144.22℃，時(shí)間為2.99 h；溫度148.53℃，時(shí)間為2.72 h；溫度147.31℃，時(shí)間為2.42 h。