高溫飽和蒸汽軟化毛竹展平板的平衡含水率和尺寸穩(wěn)定性

余文軍，應(yīng)偉軍，鐘金環(huán)，張文標

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州311300；2.杭州太克干燥設(shè)備有限公司，浙江 杭州311300）

中國是世界竹類資源最豐富，竹林面積最大、產(chǎn)量最多的國家，竹材工業(yè)水平和規(guī)模均居世界領(lǐng)先地位［1－3］。在竹材利用中，由于竹材具有壁薄中空的特殊結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)竹材加工存在工序繁雜、生產(chǎn)效率低、竹材利用率低、膠黏劑大量使用等問題，一定程度上限制了竹材的利用與發(fā)展［4］。張齊生等［5］提出一種竹材軟化展平技術(shù)，將竹材通過高溫軟化并進行展平壓制得到竹展平板，大大提高了竹材的利用率。吳一飛［6］對比軟化前后毛竹材含水率和力學(xué)強度的變化情況發(fā)現(xiàn)毛竹（Phyllostachy edulis）竹材最適宜的軟化方式為高溫飽和蒸汽處理。

南博［7］、孫潤鶴［8］和張曉春等［9］分別對高溫?zé)崽幚磉^的毛竹、竹束、重組竹的平衡含水率進行測定，研究表明4～10 min高溫飽和蒸汽軟化后的竹材展平板的平衡含水率不同于氣干和窯干竹材，也不完全等同于0.5～4 h高溫?zé)崽幚磉^的竹材。邵迎濤等［10］對高溫飽和蒸汽軟化后的竹材和展平后竹材的平衡含水率進行過測試，研究結(jié)果表明在170℃軟化工藝下，竹展平板的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能較好。姜志宏等［11－12］對不同種類竹材及竹制品的平衡含水率進行測定，研究結(jié)果表明未干燥和（100±2）℃至絕干的毛竹的平衡含水率相差3%、竹質(zhì)人造板的平衡含水率平均比毛竹小3%。

從以上文獻可知，高溫飽和蒸汽軟化后毛竹展平板的吸濕和解吸平衡含水率方面缺乏系統(tǒng)研究，本文將對其進行研究，可為相關(guān)標準中干燥終含水率的確定，養(yǎng)生、平衡、倉儲環(huán)境參數(shù)設(shè)定等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料制備

實驗用毛竹材由浙江德長竹木有限公司提供，竹齡5 a，初含水率33% ～42%，材質(zhì)符合GB／T 2690－2000《毛竹材》標準要求；

竹材展平板制備工藝流程：毛竹材→截斷→去內(nèi)外節(jié)→縱向開縫→高溫飽和蒸汽軟化（軟化溫度為160℃和180℃，軟化時間6 min）→展平→等量去青定厚去黃→展平板試樣。

將以上兩種不同軟化工藝制得的竹展平板鋸切為尺寸100 mm×100 mm×（5～6）mm的試件，各12塊備用。

1．2 儀器與設(shè)備

恒溫恒濕箱（上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司）、電子天平（精度0.001 g）、螺旋測微儀、干燥烘箱、恒溫水浴鍋、游標卡尺等。

1．3 方法與步驟

毛竹材和木材的平衡含水率與溫度的關(guān)系及數(shù)值基本相同，毛竹的平衡含水率盡管受到毛竹的部位和竹齡的影響，但影響很小，在生產(chǎn)上可認為無區(qū)別［7］，因此本研究以木材平衡含水率（EMC）為對照組。

首先將所有毛竹展平板試件在室內(nèi)（溫度17.5℃，濕度69.6%）放置30 d，用電子天平秤取每一試樣的質(zhì)量并記錄；再將所有試件的含水率在20℃下調(diào)至約30%，并測定試件的質(zhì)量和尺寸，用于解吸平衡含水率和體積干縮率測試；然后依次將試件置于20℃、濕度分別為90%、65%和30%的條件下，所有試件達到恒重時分別測定質(zhì)量和尺寸，所測定的試件含水率即為解吸平衡含水率（ω解）。

將所有試樣置于溫度（103±2）℃烘箱中烘至絕干，測量絕干質(zhì)量和尺寸（長度、寬度和厚度），用于吸濕平衡含水率和體積干縮、濕脹率測定；然后依次將絕干試件置于20℃、濕度分別為30%、65%和90%條件下，所有的試件達到恒重時分別測定試件的質(zhì)量和尺寸，所測定的試件含水率即為吸濕平衡含水率（ω吸）。

將所有試件浸泡在水槽中，試件上表面距水面距離控制在25 mm，每24 h換水1次，浸泡過程中測量試件尺寸，用于計算試件的體積濕脹率。其中長度、寬度在試件的長寬中心處測量，厚度在試件的四角距邊10 mm處測量。

本文中試件的絕對含水率通過每次稱重數(shù)據(jù)和絕干稱重數(shù)據(jù)計算得到。體積干縮率和濕脹率通過每次尺寸測量數(shù)據(jù)計算得到。體積干縮率計算公式如下：

βVω——體積干縮率，%；Vmax——試樣飽和水分時的體積，mm3；Vω——試樣含水率ω時的體積，mm3。

體積濕脹率計算公式如下：

γVω——體積濕脹率，%；V0——試樣絕干時的體積，mm3；Vω——試樣含水率ω時的體積，mm3。

2 結(jié)果與分析

2．1 軟化展平毛竹板的吸濕和解吸平衡含水率

表1顯示了160℃與180℃飽和蒸汽軟化展平毛竹板的吸濕和解吸平衡含水率，從中可知，160℃和180℃軟化展平板在4種環(huán)境條件下的解吸平衡含水率（ω解）比木材EMC平均降低12.34%和18.30%；吸濕平衡含水率（ω吸）比木材EMC平均降低34.83%和37.60%。軟化展平板的平衡含水率均明顯小于木材EMC，其原因是經(jīng)過高溫軟化處理后竹材細胞壁纖維素非結(jié)晶無定形區(qū)內(nèi)的纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生交聯(lián)偶合反應(yīng)，且竹材中穩(wěn)定性最差的半纖維素發(fā)生部分降解，使得吸水性較強的游離羥基、羰基數(shù)量減少，導(dǎo)致吸濕性降低［13－16］。在溫度一定的情況下，隨著環(huán)境濕度的增加，160℃和180℃軟化展平板的平衡含水率都增加；在4種不同濕度條件下，180℃軟化展平板的平衡含水率均低于160℃軟化展平板的平衡含水率。160℃和180℃軟化展平板的解吸平衡含水率（ω解）與孫潤鶴等［10］測試熱處理4 h竹束的平衡含水率基本一致；160℃和180℃軟化展平板的吸濕平衡含水率（ω吸）與南博等［9］測試高溫?zé)崽幚? h毛竹的平衡含水率基本一致；理論上本文的試件高溫飽和蒸汽處理時間為6 min，其平衡含水率應(yīng)該明顯大于孫潤鶴等［10］、南博等［9］測試的數(shù)據(jù)，但原竹材在軟化展平后，竹材大部分處于受壓狀態(tài)，纖維薄壁細胞被密實化，減少了與空氣中水分子的交換通道［17］，從而使得展平后的平衡含水率低于展平前的竹材［12］。

表1 160℃與180℃飽和蒸汽軟化展平毛竹板的吸濕和解吸平衡含水率Tab.1 Equilibrium moisture content of saturated steam-softened flattened bamboo in the absorption and desorption process at 160℃and 180℃

圖1－3分別為軟化溫度160℃和180℃、軟化時間6 min工藝條件下制備的毛竹展平板在20℃、3種濕度（濕度為30%、65%或90%）條件下所測得的吸濕和解吸過程。由圖1－3可見，隨著吸濕和解吸的進行，毛竹展平板的含水率也逐漸降低，最終趨向平衡；180℃軟化展平板的吸濕和解吸平衡含水率均低于160℃的，軟化溫度越高，吸濕和解吸平衡含水率越低；在吸濕和解吸初期0－50 h內(nèi)含水率變化較快，隨后逐漸減慢，約250－350 h達到平衡狀態(tài)。

圖1 毛竹展平板的解吸與吸濕圖（t＝20℃，RH＝30%）Fig.1 Equilibrium moisture content of flattened bamboo in the absorption and desorption process at 20℃with relative humidity at 30%

圖2 毛竹展平板的解吸與吸濕圖（t＝20℃，RH＝65%）Fig.2 Equilibrium moisture content of flattened bamboo in the absorption and desorption process at 20℃with relative humidity at 65%

竹木材平衡含水率是制定干燥基準、調(diào)節(jié)干燥過程、控制倉庫中干鋸材和竹木制品的尺寸、擬定各種竹木制品所需干燥終含水率等的理論依據(jù)。解吸曲線圖可用于確定恰當?shù)母稍锝K點和干燥工藝參數(shù)；吸濕曲線圖可用于確定在養(yǎng)生、平衡、貯藏中的 貯藏含水量，控制貯藏環(huán)境的相對濕度。國家標準《鋸材干燥質(zhì)量》（GB／T6491－1999）中規(guī)定：“干燥鋸材含水率即鋸材經(jīng)過干燥后的最終含水率，按用途和地區(qū)考慮確定，以用途為主，地區(qū)為輔?！卑吹貐^(qū)考慮是以各地區(qū)的木材平衡含水率為依據(jù)，結(jié)合窯干鋸材的吸濕滯后現(xiàn)象、干燥鋸材含水率，考慮應(yīng)比使用地區(qū)的木材平衡含水率低2%～3%。以此，建議160℃和180℃高溫蒸汽軟化展平板的干燥終含水率為同環(huán)境狀態(tài)時木材平衡含水率的65.17%和62.40%為宜，在通風(fēng)良好條件下材料養(yǎng)生、平衡時間250－350 h為宜。

圖3 毛竹展平板的解吸與吸濕圖（t＝20℃，RH＝90%）Fig.3 Equilibrium moisture content of flattened bamboo in the absorption and desorption process at 20℃with relative humidity at 90%

2．2 軟化展平毛竹板的體積干縮率和濕脹率

軟化展平毛竹板的體積干縮率和濕脹率的測試結(jié)果見表2。

表2為160℃和180℃軟化展平板在4種環(huán)境條件下的體積干縮率和濕脹率，從表中數(shù)據(jù)可知180℃軟化展平板的體積干縮率和濕脹率均低于160℃的，主要原因是軟化處理溫度越高，越有利于竹材的半纖維素?zé)峤?，使得吸水性較強的游離羥基減少的更多，因此較高的軟化溫度有利于提高展平板的尺寸穩(wěn)定性［18］。160℃和180℃軟化展平板的體積全干縮率（β0）分別為12.3%和11.1%；吸水最大體積濕脹率（γmax）分別為14.7%和12.4%。γmax＞β0，是因為試件長度方向干縮率大于濕脹率，寬度和厚度方向干縮率小于濕脹率［19］，但是寬度和厚度的體積變化率遠遠大于長度方向。本實驗數(shù)據(jù)可供竹展平板生產(chǎn)廠家和用戶確定干縮、濕脹余量時參考。

表2 160℃與180℃飽和蒸汽軟化展平毛竹板的體積干縮率（βω）和濕脹率（γω）Tab.2 Volume shrinkage and expansion rates of flattened bamboo softened by saturated steam at 160℃and 180℃

3 結(jié)論

（1）在高溫飽和蒸汽軟化和展平的共同作用下，毛竹展平板的解吸和吸濕平衡含水率均明顯低于同環(huán)境下的木材平衡含水率；160℃和180℃高溫蒸汽軟化展平板的干燥終含水率為同環(huán)境狀態(tài)時木材平衡含水率的65.17%和62.40%為宜；在通風(fēng)良好條件下材料養(yǎng)生、平衡時間以250－350 h為宜。

（2）180℃軟化展平板的吸濕和解吸平衡含水率均低于160℃的，其中室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)下解吸平衡含水率低0.75%、吸濕平衡含水率低0.33%。軟化溫度越高，吸濕和解吸平衡含水率越低。

（3）180℃軟化展平板的體積干縮率和濕脹率均低于160℃的，其中體積全干縮率低1.2%、吸水最大體積濕脹率低2.3%。較高的軟化溫度有利于提高展平板的尺寸穩(wěn)定性。