高溫快速熱壓處理對毛竹材物理力學性能的影響

莫 玨，馬中青，聶玉靜，馬靈飛

（浙江農(nóng)林大學 工程學院 浙江省竹資源與高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 杭州311300）

竹材是重要的速生可再生材料，具有強度高、硬度大、韌性好、紋理美觀、生態(tài)功能強等優(yōu)良特性，但也存在易發(fā)生蟲蛀和霉腐等缺陷，嚴重限制了其在室內(nèi)外的應用。熱處理作為一種綠色環(huán)保的純物理改性處理方法，能夠顯著改善材料的尺寸穩(wěn)定性和耐候性，在板材預處理過程中優(yōu)勢顯著［1-4］。竹材熱處理是當前竹材高值化利用的重要方向，根據(jù)傳熱介質(zhì)差異，通常有蒸氣、空氣和導熱油熱處理等3種方式。蒸氣介質(zhì)熱處理法以飽和水蒸氣為導熱介質(zhì)，多在炭化罐中進行，處理后竹材的密度及相應的總體力學性能下降，吸水厚度膨脹率降低，尺寸穩(wěn)定性顯著提升［5-10］?？諝饨橘|(zhì)熱處理法以空氣為導熱介質(zhì)，多在高溫熱處理箱中進行，處理后竹材的密度、總體力學性能下降，尺寸穩(wěn)定性大幅改善［11-14］。油介質(zhì)熱處理以各類導熱油為介質(zhì)，相較于前兩者，處理后試材密度較高，抗彎強度降低，潤濕性能減弱，耐久效果提升［15］。總的來說，水蒸氣熱處理過程對設備及操作的要求極高，熱處理周期長、能耗大、設備投資高、勞動生產(chǎn)率較低，熱處理后竹片的強度衰減較大；空氣熱處理法對處理溫度精度的要求較高；油介質(zhì)法使木材受熱更均勻，控溫更準確，但瀝干過程所需時間較長，熱油在使用壽命終結(jié)后亦存在收集和處理問題［16］。鑒于此，本研究選取4～6年生毛竹Phyllostachys edulis材為原料，利用熱壓機的高溫和熱壓特性，研究不同熱處理溫度（225，250，275，300，325，350和375℃）下，毛竹材物理力學性能的變化。旨在研發(fā)一種接觸式高溫快速熱壓處理技術，在保障熱處理性能的同時，縮短熱處理時間，降低生產(chǎn)成本，為快速熱處理工藝提供理論依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

4～6年生毛竹產(chǎn)自浙江省湖州市安吉縣。原竹經(jīng)橫向截斷、縱向裂解、四面粗刨、四面精刨、去青去黃等工藝，加工成800 mm（縱向）×25 mm（弦向）×6 mm尺寸試片，干燥至含水率為8%，用于后期熱處理試驗。

1.2 熱處理過程

毛竹試片對半截開（400 mm×25 mm×6 mm），近青面朝上擺放，上下表面均覆蓋錫箔紙，置于熱壓機中熱處理。固定處理時間為45 s，固定壓力為0.15 MPa，設置熱處理溫度為225（T1），250（T2），275（T3）， 300（T4）， 325（T5）， 350（T6）和 375 ℃（T7）。 處理結(jié)束后取出樣件， 自然冷卻至室溫； 置于溫度為（20±2）℃，相對濕度為（65±5）%的調(diào)溫調(diào)濕箱至質(zhì)量恒定。以相同尺寸未經(jīng)熱處理的竹片作為對照，對照（ck）也進行相同的調(diào)溫調(diào)濕處理。重復3次·處理-1。

1.3 物理力學性能測試

參照國家標準GB/T 15780-1995《竹材物理力學性質(zhì)試驗方法》測熱處理前后竹材的物理力學性能。

1.3.1 平衡含水率的測定 試片尺寸為20 mm×20 mm×6 mm，每處理取9塊。調(diào)溫調(diào)濕，稱量后置于（103±2）℃烘箱內(nèi)烘至全干，干燥冷卻后再次稱量，經(jīng)計算獲得平衡含水率。平衡含水率W=（m1-m0）/m0×100%。 其中：m1（g）為調(diào)溫調(diào)濕后試片質(zhì)量，m0（g）為試片全干時質(zhì)量。

1.3.2 干縮率的測定 試片為飽和水分的濕材，尺寸為10 mm×10 mm×6 mm，取9塊·處理-1。用百分表測量裝置測量濕材徑向和弦向的尺寸，計算體積；置于（20±2）℃、相對濕度（65±5）%的恒溫恒濕箱中至氣干，測量氣干時徑向、弦向的尺寸并計算體積；最后放入烘箱烘至全干，測量全干時徑向、弦向尺寸并計算體積。經(jīng)計算得到徑向和弦向的全干縮率、氣干干縮率及體積的全干縮率和體積的氣干干縮率。徑向或弦向全干縮率Bmax=（Lmax-L0）/Lmax×100%。其中：Lmax（mm）為濕材試片徑向或弦向靠竹青、竹黃處尺寸的均值，L0（mm）為試片全干時徑向或弦向靠竹青、竹黃處尺寸的均值。徑向或弦向氣干干縮率BW=（Lmax-Lw）/Lmax×100%。其中：Lw（mm）為試片氣干時徑向或弦向靠竹青、竹黃處尺寸的均值。體積全干縮率 βVmax=（Vmax-V0）/Vmax×100%。 其中：Vmax（mm3）為試片濕材時的體積，V0（mm3）為試片全干時的體積。 體積氣干干縮率 βVw=（Vmax-Vw）/Vmax。 其中： Vw（mm3）為試片氣干時的體積。

1.3.3 氣干密度的測定 試片尺寸為10 mm×10 mm×6 mm，調(diào)溫調(diào)濕后測量試片尺寸并計算體積，稱取質(zhì)量，經(jīng)計算獲得氣干密度。氣干密度ρ=m1/V。其中：V（mm3）為試片調(diào)溫調(diào)濕后體積。

1.3.4 順紋抗壓強度的測定 試片尺寸為20 mm×20 mm×6 mm，每處理取9塊。用百分表測量竹壁厚度和弦向?qū)挾?，萬能力學試驗機以均勻速度加荷，在（1.0±0.5）min內(nèi)破壞試樣，記錄破壞載荷；經(jīng)計算得到順紋抗壓強度。順紋抗壓強度σ=Pmax/bt。其中：Pmax（N）為破壞載荷，b（mm）為試片寬度，t（mm）為試片厚度，即竹壁厚度。

1.3.5 破壞荷載、抗彎強度、抗彎彈性模量及撓度的測定 試片尺寸為160 mm×10 mm×6 mm，每處理取6塊。測量竹壁厚度和弦向高度，萬能力學試驗機試片弦向以均勻速度加荷，在（1±0.5）min內(nèi)破壞試片，記錄破壞荷載、抗彎強度、抗彎彈性模量及撓度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

各組數(shù)據(jù)經(jīng)整理后取平均值，在α=0.05水平進行顯著性分析，而后繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對平衡含水率與干縮率的影響

由圖1A可知：竹材的平衡含水率隨溫度的升高明顯下降（P＜0.05）。熱處理溫度為375℃時，平衡含水率達到最低值4.27%，相比對照下降了53.95%。熱處理對平衡含水率影響顯著。

竹材各項干縮性均隨溫度的上升而下降，溫度對干縮率影響顯著（P＜0.05）。由圖1B可知：竹材徑向全干干縮率和氣干干縮率均隨溫度的上升而下降，當處理溫度從225℃上升至375℃時，徑向全干干縮率和徑向氣干干縮率分別下降了83.60%和70.59%。弦向全干干縮率從2.38%減少至0.31%，弦向氣干干縮率從1.14%減少至0.30%（圖1C）；體積全干干縮率從4.86%減少至0.78%，體積氣干干縮率從2.51%減少至0.66%（圖1D）。相同熱處理溫度下，弦向干縮率的變化率＞體積干縮率的變化率＞徑向干縮率的變化率，與左宋林等［17］研究結(jié)果一致。由圖1E可知：較對照而言，不同處理溫度對徑向尺寸影響不同。當熱處理溫度不高于300℃時，氣干狀態(tài)下徑向尺寸變化不明顯；當溫度升至325℃后，由于含水率的降低，徑向尺寸開始縮減，至375℃時，氣干狀態(tài)下處理組徑向尺寸相比對照縮減了3.11%。

圖1 熱處理溫度對平衡含水率、干縮率和徑向尺寸變化的影響Figure 1 Effect of heat treatment temperature on equilibrium moisture content,shrinkage rate and radial dimensional changes

半纖維素和纖維素是竹材的主要成分。由于分子量低，高溫下竹材中的半纖維素最先開始熱解［18］，而后是纖維素。半纖維素是一種無定性物質(zhì)，由2種或多種糖基組成，其結(jié)構具有支化度，主鏈和側(cè)鏈上含有親水性基團，吸濕性大，是使竹木材產(chǎn)生吸濕膨脹、變形開裂的因素之一［19］。熱處理導致半纖維素中的某些多糖裂解，羥基基團變得十分活躍，在氧氣、水分和熱量的作用下，裂解生成糖醛和某些糖類；游離羥基的減少［7］和能聚合生成不溶于水的聚合物的新物質(zhì)的生成，降低了木質(zhì)材料的吸濕性，使得竹材的平衡含水率大幅降低，也減少了竹材的干縮和濕脹［20-23］，從而提升了尺寸穩(wěn)定性。此外，在熱處理過程中，竹材的水分逐漸失去，細胞壁非結(jié)晶區(qū)的纖維素分子鏈間距減少，游離羥基相互之間分子作用力增強，形成氫鍵總數(shù)增加，從而使非晶區(qū)纖維素分子的取向增強，這也是熱處理材的尺寸穩(wěn)定性得到改善的原因之一［24］。

2.2 熱處理溫度對氣干密度的影響

熱處理溫度對竹材氣干密度影響顯著（P＜0.05）。由圖2可知：隨著熱處理溫度升高，竹材氣干密度逐漸降低，且溫度越高，降低的幅度越大；當溫度為375℃時，氣干密度達到了最低值（0.62 g·cm-3），相比對照降低了13.04%，與黃成建［13］研究結(jié)果一致。包永潔［7］研究認為：當溫度高于180℃時，半纖維素急劇分解，纖維素相對含量也減少，即竹材胞壁物質(zhì)含量減少，密度也相應減小。

圖2 熱處理溫度對竹材氣干密度的影響Figure 2 Effect of heat treatment temperature on density

2.3 熱處理溫度對順紋抗壓強度的影響

竹材順紋抗壓強度隨溫度的變化呈先上升后下降趨勢（圖3）。當溫度不高于300℃時，順紋抗壓強度隨溫度上升而增強，且增幅不斷加大；300℃時，順紋抗壓強度達最大（80.19 MPa），相比對照增加了21.08%；當溫度繼續(xù)上升，順紋抗壓強度增幅減小，375℃時同對照相比降低了3.70%。

圖3 熱處理溫度對竹材順紋抗壓強度的影響Figure 3 Effect of heat treatment temperature on compression strength

熱處理使得竹片密度及含水率均降低，從而降低強度，提高竹材剛性［25］；隨著含水率從纖維飽和點下降至零點，除抗拉強度外，其他強度都顯著增加［26-27］。在竹材的不同力學性能指標中，順紋抗壓強度受含水率的影響最大，而密度是決定竹材力學性能對含水率變化敏感程度的重要因素，密度越小，敏感性越高。本研究發(fā)現(xiàn)，處理溫度不高于375℃時，竹材順紋抗壓強度表現(xiàn)為增長；一方面是由于低含水率提高了竹材強度，隨著密度的降低，力學性能對含水率變化敏感程度逐漸增高，另一方面竹材表面在高溫下形成了殼狀層，抗彎彈性模量和抗壓強度得到改善［5］，從而彌補了因密度下降帶來的強度的降低。溫度達到375℃后，高溫加速了裂解作用，低含水率帶來的增強作用無法彌補密度降低引起的強度降低，因此順紋抗壓強度最終出現(xiàn)了下降。

包永潔［7］采用水蒸氣介質(zhì)熱處理法對竹材進行熱處理，發(fā)現(xiàn)處理溫度對順紋抗壓強度影響顯著，從20℃到210℃，順紋抗壓強度下降20.67%。采用空氣介質(zhì)熱處理法對毛竹材進行熱處理，處理溫度為160～200℃時，毛竹順紋抗壓強度降低1.30%～19.00%［11-14］。相比之下，高溫快速熱壓處理法熱處理溫度更高（375℃），順紋抗壓強度下降程度更?。ㄆ骄档?.70%），因此優(yōu)勢更明顯。

2.4 熱處理溫度對抗彎強度及抗彎彈性模量的影響

由圖4A可知：熱處理溫度為225℃時，抗彎強度（MOR）與對照相比，變化不大。當溫度升至250℃時，處理組抗彎強度增幅最大，增加了8.37%，而后增幅逐漸減小。至325℃時，處理組抗彎強度開始降低，平均下降4.34%，而后隨溫度升高，迅速下降。375℃時，處理材抗彎強度達最低值，僅為61.85 MPa，相比對照降低了55.61%。

毛竹片的抗彎彈性模量（MOE）的變化以300℃為轉(zhuǎn)折點（圖4B），當熱處理溫度不高于300℃時，抗彎彈性模量隨處理溫度的升高而上升，至300℃時達最大值（10487.44 MPa），較對照增長15.30%。處理溫度高于300℃后，抗彎彈性模量仍然保持上升趨勢，但增幅減??；375℃時達最低值（7071.14 MPa），比對照降低了22.26%。

破壞載荷的變化趨勢與抗彎強度基本一致（圖4C）。225℃下處理組破壞載荷變化不大，比對照僅降低了2.72%。250℃時處理組破壞載荷達到最大值543.81 N，相比對照上升了14.02%，而后逐漸減小，至325℃時低于對照組。后隨溫度升高迅速下降，至375℃時下降了56.56%，達最低值（207.17 N）。撓度隨溫度升高呈下降趨勢（圖4D）。225℃時處理組撓度為3.61 mm，與對照相比下降了1.29%；至375℃達最低值（2.08 mm），相比對照組下降了43.18%。

溫度對弦向尺寸變化的影響不顯著（圖4E，P＞0.05）。當熱處理溫度不高于300℃時，弦向尺寸受熱壓處理變化很小，與對照無顯著差異；自325℃至375℃，隨溫度升高，竹材弦向收縮加劇，與對照相比，處理組弦向尺寸縮減了0.75%～1.25%。因此，弦向尺寸變化不是竹材抗彎強度及抗彎彈性模量變化的主要影響因素。

圖4 熱處理溫度對竹材抗彎強度、抗彎彈性模量、破壞載荷、撓度及弦向尺寸變化的影響Figure 4 Effect of heat treatment temperature on MOR,MOE,failure load,deflection and tangential dimensional changes

結(jié)合圖1A可知：隨溫度升高竹材平衡含水率逐漸降低，竹材所能承受的破壞載荷增大，抗彎強度和抗彎彈性模量增強。當熱處理溫度上升至325℃后，撓度相比300℃時未發(fā)生明顯變化，但由于分解速率逐漸增大，竹材力學性受到負面影響，破壞載荷減小，抗彎強度和抗彎彈性模量出現(xiàn)降低。由此看出，225～300℃條件下高溫快速熱壓處理法能增大竹材所能承受的破壞載荷，提高竹材抗彎強度，375℃之前，高溫快速熱壓法能提升竹材抗彎彈性模量。相比于其他熱處理法 “抗彎強度隨熱處理溫度升高、時間的延長呈明顯下降趨勢，熱處理溫度范圍狹窄，降幅大”［5-15］的不足，高溫快速熱壓處理法可達到更高溫度，且處理后的竹材能承受更大的破壞載荷，具有更好的抗彎強度和抗彎彈性模量。

3 結(jié)論

隨著熱處理溫度的升高，竹材的平衡含水率和氣干密度均呈下降趨勢，最高分別下降了53.95%和13.04%。相同處理條件下，弦向干縮率的變化率＞體積干縮率的變化率＞徑向干縮率的變化率，竹材的尺寸穩(wěn)定性得到顯著改善。

高溫快速熱壓處理法處理的毛竹材力學性能得到增強。撓度隨溫度升高逐漸減小，順紋抗壓強度、破壞載荷、抗彎強度和抗彎彈性模量均隨溫度升高呈先上升后下降趨勢。撓度至375℃達最低值（2.08 mm），相比對照下降了43.18%；順紋抗壓強度在300℃時最高，相比對照提升了21.08%；破壞載荷在250℃時達最大值543.81 N，比對照上升了14.02%；抗彎強度在250℃時增幅最大，比對照增加了8.37%；抗彎彈性模量在300℃時最高，達10148.69 MPa，較對照增長了15.30%。

相比于其他熱處理法，高溫快速熱壓處理法處理后竹材順紋抗壓強度更強，抗彎強度和靜曲模量更好，尺寸穩(wěn)定性也更高。