慈竹防霉處理工藝及其對力學(xué)性能影響的研究

楊凌云，黃仲華

（1.四川城市職業(yè)學(xué)院，四川 成都610101；2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都610081）

慈竹（Neosinocalamus affinis）禾本科，主干高5-10 m，直徑4-8 cm，節(jié)長可達(dá)60 cm，竹壁薄，竹質(zhì)柔軟，韌性大，劈裂性好，被廣泛應(yīng)用于制作竹編工藝品、建筑用材、造紙，也可用于生產(chǎn)重組竹、竹地板、竹家具等產(chǎn)品，廣泛分布于我國西南地區(qū)，尤其在四川地區(qū)其資源十分豐富［1］。

竹材由于富含大量淀粉、糖分等營養(yǎng)物質(zhì)，極易產(chǎn)生霉菌、腐朽菌、變色菌等真菌［2-4］，滋生大量微生物，導(dǎo)致竹材發(fā)霉腐爛、變色等缺點(diǎn)［5］。除此之外，竹材還極易受環(huán)境影響［6］，戶外用竹材由于長時(shí)間暴露在陽光，雨水，濕氣等環(huán)境下，極易發(fā)霉，影響竹材光澤度和力學(xué)強(qiáng)度。因此，竹材的防霉處理研究至關(guān)重要。

為了提高竹材的防霉性能，國內(nèi)外對竹材防霉已有不少研究。西南林業(yè)大學(xué)宋廣采用不同處理工藝對竹材的吸藥性能和抗流失性能進(jìn)行了研究，證明處理壓力和預(yù)處理?xiàng)l件，對竹材的吸藥性具有重要影響［7］。本研究考慮到竹材因其表面含有蠟質(zhì)層，藥液難滲透的特點(diǎn)，采用高溫加壓處理方法，增強(qiáng)藥劑滲透性，提升防霉持效性。研究以四川慈竹為試驗(yàn)材料，進(jìn)行防霉處理并對其進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度檢測，以期為戶外慈竹應(yīng)用提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 慈竹 采自四川崇州市道明鎮(zhèn)混生竹林，試驗(yàn)選取2～3 a生慈竹的中間部分截?cái)嗥嗜≈駰l，氣干后備用。

1.1.2 防霉劑 竹木防霉劑，型號：AEM5700-L2，廣州佳尼斯抗菌材料有限公司研制生產(chǎn)。該防霉劑為無毒有機(jī)硅季銨鹽防霉劑，是綠色環(huán)保的防霉劑，不含對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。并且耐高溫，詳見表1。

表1 AEM5700-L2防腐防霉劑主要性狀Tab.1 Main properties of AEM5700-L2 mould inhibitor

1.2 儀器設(shè)備

蒸煮滅菌鍋，型號XFS-280；電熱鼓風(fēng)干燥箱，型號CS101-3EB；推臺鋸；帶鋸；電子天平，品牌梅特勒-托利多；微機(jī)控制萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，MTSMWD-W50。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件制備 根據(jù)GB／T 18261-2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗(yàn)方法》及GB／T 13942.1-2009《木材耐久性能 第1部分：天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》中對試件尺寸要求，將慈竹鋸切成試件，防霉試驗(yàn)試件尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，每種處理工藝10個試件。防霉處理之前，將鋸制完成的試件放入恒溫恒濕箱中在溫度25℃、相對濕度65%條件下平衡處理。

1.3.2 防霉處理 配置一定濃度防霉劑待用，采用L9（33）正交試驗(yàn)方案進(jìn)行防霉處理，設(shè)備的浸漬壓力隨溫度升高而升高，110℃對應(yīng)的壓力0.05 MPa，120℃對應(yīng)的壓力0.1 MPa，130℃對應(yīng)的壓力0.15 MPa.選擇防霉劑濃度、加壓時(shí)間、浸漬溫度為試驗(yàn)因素，制定正交試驗(yàn)方案，各處理因素及水平見表2。

表2 防霉處理工藝正交試驗(yàn)L9（33）設(shè)計(jì)方案Tab.2 Design of the orthogonal test L9（33）for mould proof treatment

1.4 測試指標(biāo)和方法

將載藥量試件防霉處理前分別稱重后，放入浸漬罐，加入防霉劑溶液按照各處理工藝參數(shù)浸漬處理，浸漬處理結(jié)束后取出試樣，擦去表面余液，稱重記錄。試樣防霉劑的載藥量L為試件防霉處理前后重量增加與試件表面積的比值，取平均值，單位為g／m2，按下式計(jì)算：

式中，M2為試件處理后重量，M1為試件處理前重量，單位g；C為防霉劑濃度，單位%；S為試件6個表面積之和，單位mm2。

2 慈竹載藥量測試及結(jié)果分析

表3顯示了慈竹載藥量的極差分析情況，由表中數(shù)據(jù)可知，藥劑濃度所對應(yīng)的極差值最大，為1.58，因此，藥劑濃度是主要影響因子，而加壓時(shí)間和浸漬溫度對應(yīng)極差值分別為1.02和0.85，為次要因子。在防霉處理工藝中，影響載藥量的因素主次關(guān)系為：藥劑濃度＞加壓時(shí)間＞浸漬溫度，即防霉劑濃度對載藥量影響最大，加壓時(shí)間次之，最后是浸漬溫度。

表3 慈竹載藥量極差分析表Tab.3 Range analysis for mould inhibitor loading of Neosinocalamus affinis

為了分析藥劑濃度、加壓時(shí)間及浸漬溫度對載藥量的影響顯著性，繼續(xù)對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

表4 慈竹載藥量正交試驗(yàn)方差分析Tab.4 ANOVA of the orthogonal test for mould inhibitor loading

正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明，藥劑濃度對慈竹載藥量具有顯著影響，加壓時(shí)間和浸漬壓力對慈竹載藥量的影響不顯著。藥劑濃度為2.5%時(shí)，載藥量達(dá)到最大值，隨著藥劑濃度的逐漸增加，慈竹的載藥量先增后降，結(jié)合上文正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果，表明藥劑濃度是影響載藥量的最重要因素，且藥劑濃度適合為佳，不宜過低也不宜過高，過低濃度會造成載藥量的不足，過高濃度不僅會造成載藥量的下降，同時(shí)造成防霉藥劑的浪費(fèi)。

圖1 加壓時(shí)間和浸漬溫度對慈竹材載藥量的影響Fig.1 Effect of pressure duration and impregnation temperature on mould inhibitor loading of Neosinocalamus affinis

圖1中A圖表示加壓時(shí)間對慈竹載藥量的影響。隨著處理時(shí)間的增加，載藥量出現(xiàn)了先增后降的變化趨勢，增速和降速較緩，因此，在防霉處理時(shí)，應(yīng)選擇合適的加壓時(shí)間，僅通過延長處理時(shí)間反而會造成載藥量的下降，進(jìn)而影響防霉效果。

圖1中B圖顯示了浸漬溫度與載藥量的關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)用的浸漬罐是靠溫度控制壓力，溫度越高，壓力越大。隨著浸漬溫度增加，壓力增加，載藥量也隨之增加，當(dāng)浸漬溫度達(dá)到130℃時(shí)，載藥量達(dá)到最大。分析其中原因，溫度和壓力的提高有助于防霉劑更多更快地注入竹材內(nèi)部，但在瞬間卸壓過程中，適當(dāng)?shù)母邏毫δ苁狗烂箘└玫臐B入竹材內(nèi)部，使載藥量上升。所以在竹材防霉處理時(shí)應(yīng)控制浸漬溫度，不僅能提高載藥量，提高防霉處理效率，還能減少防霉工藝能耗，降低成本。

綜上所述，確定慈竹的防霉處理工藝為：藥劑濃度2.5%、加壓時(shí)間60 min、浸漬溫度130℃。

3 戶外自然腐朽霉變對防霉處理慈竹材力學(xué)性能的影響

3.1 試驗(yàn)工藝流程

慈竹經(jīng)過氣干達(dá)到穩(wěn)定平衡含水率后，從每株約2 m長的竹段中，選擇無明顯缺陷及竹青無損傷，節(jié)間長度在200 mm以上的兩節(jié)竹筒。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》分別鋸制3種竹材的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度試件，抗彎強(qiáng)度試件尺寸為：160 mm×10 mm×t mm（竹壁厚）；順紋抗壓強(qiáng)度試件尺寸為：20 mm×20 mm×t mm（竹壁厚）；抗拉強(qiáng)度試件尺寸為：280 mm×10 mm×t mm（竹壁厚），每種力學(xué)性能試件鋸制60個，每種處理工藝6個試件。以研究確定的最佳防霉工藝參數(shù)處理慈竹力學(xué)性能試件，并設(shè)置對照組試件，對照組試件為處理后未放置戶外的試件，測試處理后試件的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，與對照組對比分析，確定防霉處理工藝對慈竹力學(xué)性能的影響，利用SPSS軟件對測試結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見表5、表6和表7。

表5 不同處理?xiàng)l件下慈竹力學(xué)性能測試值Tab.5 Mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo under treatments

表6 戶外自然霉變前后慈竹的力學(xué)性能方差分析Tab.6 ANOVA of mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo before and after outdoor natural mildew

表7 不同條件下慈竹力學(xué)性能比較Tab.7 Comparison of mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo under different conditions

3.2 戶外自然霉變試驗(yàn)

處理組試件處理后在50℃烘箱中烘2 h后，與未處理組一同放置在戶外，待其自然霉變，樣品放置時(shí)間：2018年9月15日-11月4日，共50 d，對照組放在室內(nèi)通風(fēng)處等待力學(xué)性能測試。時(shí)間滿后將試件取回待測。

3.3 力學(xué)性能測試及結(jié)果分析

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》測定慈竹處理組、未處理組和對照組力學(xué)性能試件的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

表5是未防霉處理放置戶外50 d、防霉處理后放置戶外50 d和對照3組慈竹試樣力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，由此表可知，防霉處理過和未經(jīng)防霉處理的慈竹材在戶外放置50 d后，抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于對照組。結(jié)果表明，與對照組相比，未經(jīng)防霉處理的慈竹材在戶外放置50 d后，抗彎強(qiáng)度下降了11.7%、順紋抗壓強(qiáng)度下降了18.8%、抗拉強(qiáng)度下降了9.8%；經(jīng)過防霉處理的慈竹材在戶外放置50 d后，與對照組相比抗彎強(qiáng)度下降了0.2%、順紋抗壓強(qiáng)度下降了5.1%、抗拉強(qiáng)度下降了0.3%。進(jìn)而對3組試樣的力學(xué)性能進(jìn)行方差分析，從表4-7的顯著性分析可知，放置戶外50 d的未經(jīng)過防霉處理慈竹材、放置戶外50 d的經(jīng)過防霉處理的慈竹材與對照組的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出顯著差異。

將3組試樣的力學(xué)性能進(jìn)行兩兩比較，由表7可知，未經(jīng)防霉處理的慈竹材的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與經(jīng)過防霉處理后試樣的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度差異顯著，與對照組的3者力學(xué)性能也呈現(xiàn)顯著差異；經(jīng)過防霉處理的慈竹材的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與對照組的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度差異不顯著。

圖2 已處理和未處理慈竹材與對照組力學(xué)性能比較Fig.2 Comparison of mechanical properties of the treated and untreated Neosinocalamus affinis bamboo with the control

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)選用無毒有機(jī)硅季銨鹽防霉劑對慈竹進(jìn)行加壓浸漬處理，通過研究處理后竹材和未處理竹材在戶外放置50 d后力學(xué)性能的變化，并與對照組竹材的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析，考察防霉處理對戶外用竹材力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在慈竹防霉處理工藝中，影響載藥量的工藝參數(shù)主次關(guān)系為：藥劑濃度＞加壓時(shí)間＞浸漬溫度，即防霉劑濃度對載藥量影響最大，加壓時(shí)間次之，最后是浸漬溫度。在后續(xù)的竹材防霉處理中，應(yīng)首先選擇調(diào)整防霉劑濃度使之達(dá)到目標(biāo)載藥量。慈竹的防霉最佳處理工藝為：藥劑濃度2.5%、加壓時(shí)間60 min、浸漬溫度130℃。

（2）在戶外放置50 d后，未經(jīng)防霉處理的慈竹材的主要力學(xué)性能顯著低于經(jīng)過防霉處理的慈竹材和對照組慈竹材。其中，與對照組相比，未經(jīng)防霉處理的慈竹材在戶外放置50 d后，抗彎強(qiáng)度下降了11.7%、順紋抗壓強(qiáng)度下降了18.8%、抗拉強(qiáng)度下降了9.8%；經(jīng)過防霉處理的慈竹材在戶外放置50 d后，與對照組相比抗彎強(qiáng)度下降了0.2%、順紋抗壓強(qiáng)度下降了5.1%、抗拉強(qiáng)度下降了0.3%，且在0.05水平下，未處理慈竹材和處理過慈竹材及對照組差異顯著，處理過慈竹材和對照組差異不顯著。