南 博，王書強，李延軍，殷麗萍，黃成建，王 麗*

（1. 浙江農(nóng)林大學工程學院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省木材科學與技術重點實驗室，浙江 臨安 311300）

高溫熱處理對毛竹材顏色和平衡含水率的影響

南 博1,2，王書強1，李延軍1,2，殷麗萍1，黃成建1，王 麗1,2*

（1. 浙江農(nóng)林大學工程學院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省木材科學與技術重點實驗室，浙江 臨安 311300）

以毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）材為研究對象，探討熱處理溫度（100～200℃）和時間（2h、3h）對去青去黃后的毛竹材表面顏色和平衡含水率的影響規(guī)律。結果表明：熱處理能使毛竹材表面顏色均勻加深，隨著處理溫度和時間的增加，毛竹材的明度（L*）、黃藍色品指數(shù)（b*）和平衡含水率顯著下降，紅綠色品指數(shù)（a*）先上升后下降，總體色差（?E*）顯著上升，說明熱處理后竹材表面顏色逐漸由原色過度到棕褐色；在本研究范圍內(nèi)，通過高溫熱處理毛竹材的明度、黃藍色品指數(shù)、紅綠色品指數(shù)最大降低56.45%、54.34%、37.40%，平衡含水率降低46.57%。

毛竹材；熱處理；表面顏色；平衡含水率

我國是世界上竹類資源最豐富和種植面積最大的國家，有40多屬、500多種竹類植物，竹林面積達484.26 萬hm2，其中經(jīng)濟利用價值較高、集中成片分布的毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）林面積337.20 萬 hm2，占 70%左右[1]。然而，竹材內(nèi)淀粉、糖類物質含量豐富，使得其在加工和使用過程中極易受到細菌和害蟲的侵襲，嚴重影響了其裝飾效果和使用壽命[2]。為減少細菌和害蟲對竹材和竹制品的危害，提高竹制品的耐腐、抗蟲和尺寸穩(wěn)定性，在竹制品生產(chǎn)過程中，一般需要對竹材進行高溫熱處理。竹材經(jīng)過熱處理后，色澤由黃白色變?yōu)闇\棕色或咖啡色，用其作為裝飾材料，古樸典雅，深受歐美許多國家和地區(qū)的歡迎，市場前景十分看好。本研究系統(tǒng)分析熱處理對毛竹制造用顏色和平衡含水率的影響規(guī)律，為竹材的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究選用的毛竹采于2013年7月上旬，均采自浙江臨安市，竹齡為6 a，去除竹青以及竹黃部分，留取竹肉部分進行實驗。毛竹含水率大于50%，長度為550 mm。毛竹試件要求無變色、霉變等可見缺陷。

1.2 儀器與設備

高溫熱處理箱（上海愛斯佩克環(huán)境設備有限公司）；色彩色差儀（DC-P3新型全自動測色色差計）。

1.3 方法與步驟

對照組常溫下未熱處理的毛竹，實驗組為熱處理100、140、150、160、170、180、190和200℃ 8個水平溫度和2、3 h 2個水平時間，總共進行16組熱處理試驗。木材顏色的測量和計算采用國際照明委員會推薦的CIE標準色度學系統(tǒng)（L*, a*, b*）進行。測量熱處理竹和對照件的平衡含水率時，先稱取在室內(nèi)放置30 d 后的竹片初始質量，再將其烘至絕干，稱取絕干質量, 計算出不同處理條件下竹片的平衡含水率。

2 結果與討論

2.1 高溫熱處理對毛竹顏色的影響

試驗結果表明，在2 h同一處理時間水平條件下，隨著熱處理溫度的逐步升高，毛竹的顏色由淺至深，呈增加趨勢。而當處理溫度達到 160℃以上，與對照組毛竹相比，毛竹呈現(xiàn)出明顯的裝飾性咖啡色，溫度越高，毛竹顏色變化越大。在同一熱處理溫度條件下，隨著熱處理時間的延長，毛竹顏色稍微增加；溫度越高，處理時間對竹材顏色變化的影響越不顯著。除了定性觀察熱處理處理前后毛竹顏色的直觀變化外，本研究還使用色彩色差計定量分析了熱處理對竹材明度（L*）、紅綠色品指數(shù)（a*）和黃藍色品指數(shù)（b*）的影響規(guī)律。

2.1.1 高溫熱處理對竹材明度（L*）的影響 由圖1可知，隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，L*逐漸降低。與對照組（L* = 80.21）相比，在此次實驗的條件下，通過熱處理可以使毛竹的明度降低1.68% ～ 56.45%。在100 ～ 140℃和180 ～ 200℃時的明度變化隨時間變化的較小，而溫度在超過140℃時對竹材表面顏色的變化影響較大。竹材熱處理顏色變化和木材相似[3～5]，在熱處理過程中竹材中各成分發(fā)生了復雜的化學變化，隨著熱處理溫度的升高竹材中木質素的含量逐漸增加[6]，而木質素是竹材呈現(xiàn)不同顏色的主要因素。另外在熱處理工程中，竹材中的纖維素和半纖維素上的羥基被氧化成羰基或羧基，木素被氧化成醌類物質，使木材顏色加深[7～9]。

圖1 熱處理對竹材明度L*的影響Figure 1 Effect of heat treatment on L* of culm

圖2 熱處理對竹材a*的影響Figure 2 Effect of heat treatment on a* of culm

2.1.2 高溫熱處理對竹材紅綠軸色度指數(shù)（a*）的影響 圖2為熱處理對毛竹紅綠軸色度指數(shù)a*的影響。當熱處理溫度在140 ～ 200℃時，處理毛竹材的a*呈現(xiàn)先增后減的趨勢，本實驗內(nèi)，在160℃時，與對照件（a* = 5.64）相比，通過熱處理可以使毛竹的紅綠色品指數(shù)最大上升到37.40%。說明竹材表面的顏色向紅軸正方向變化；當溫度大于160℃時毛竹的a*值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，當溫度達190 ～ 200℃時，處理毛竹材的a*值與未處理竹材又無顯著差異，具體原因還有待研究。熱處理時間對竹材的a*也有一定影響，當溫度較低時熱處理時間影響不是很顯著，但當熱處理溫度較高時，時間的影響較顯著。

2.1.3 高溫熱處理對竹材黃藍軸色度指數(shù)（b*）的影響 圖3為不同熱處理溫度和時間對毛竹表面黃藍軸色度指數(shù)b*的影響規(guī)律。由圖3可知，毛竹黃藍軸色度指數(shù)b*隨著溫度的升高而逐漸下降，說明竹材表面的顏色開始向黃藍軸的中心方向靠攏。在本實驗范圍內(nèi)，在200℃時，與對照組件（b* = 26.25）相比，通過熱處理可以使毛竹表面的黃藍色品指數(shù)最大下降到54.34%。當溫度低于150℃時，高溫熱處理對毛竹黃藍色品指數(shù)的影響不明顯，而處理溫度高于150℃時，提高處理溫度和延長處理時間均能顯著降低毛竹表面的黃藍色品指數(shù)。

2.1.4 高溫熱處理對竹材總體色差（?E*）的影響 圖4為不同熱處理溫度和時間對毛竹總體色差?E*的影響規(guī)律。由圖4可知，毛竹總體色差隨著溫度的增加而呈現(xiàn)顯著上升趨勢，且溫度越高上升的斜率也就越大，熱處理時間對毛竹總體色差的影響隨著溫度的升高而逐漸顯著。在實驗中隨著熱處理溫度和時間的增加，竹材表面會呈現(xiàn)暗色，可以通過總體色差值表現(xiàn)出來，其變色的原因，也主要是竹材內(nèi)部的化學成分發(fā)生了變化[10]。竹材熱處理變化導致竹材顏色變化的原因除上述介紹的以外，相關文獻[11]介紹的還有竹材抽提物，特別是酚類物質含量的改變。

2.2 高溫熱處理對毛竹平衡含水率的影響

圖3 熱處理對竹材b*的影響Figure 3 Effect of heat treatment on b* of culm

圖4 熱處理對竹材?E*的影響Figure 4 Effect of heat treatment on ?E* of culm

圖5為不同熱處理溫度和時間對毛竹平衡含水率的影響規(guī)律。由圖5可知，毛竹的平衡含水率隨著溫度的升高而逐漸降低，經(jīng)過熱處理的毛竹平衡含水率明顯低于對照組（EMC = 18.96%）的平衡含水率，時間對毛竹的平衡含水率也有一定的影響，在起始階段，溫度較低時時間對毛竹的平衡含水率影響較小，隨著溫度的增加，時間對毛竹平衡含水率的影響逐漸加大，但溫度在 180℃左右時，時間對毛竹平衡含水率的影響就會減小，這是因為在180℃左右時熱處理2 h或3 h，毛竹材的含水率已經(jīng)很小，自由水已經(jīng)揮發(fā)完，剩下的就是毛竹材里的結合水了。所以這時平衡含水率再隨時間的變化就很小了，在200℃時2 h和3 h所對應的平衡含水率分別為10.41%和10.13%，相對于參照組分別下降了45.09%、46.57%，查閱相關文獻[8～9]毛竹材平衡含水率隨溫度和時間的變化原因可以歸納為3個方面：①在高溫熱處理過程中，竹材細胞壁上非結晶區(qū)的纖維素分子間發(fā)生化學反應脫出水分，產(chǎn)生醚鍵，使得纖維素游離羥基的數(shù)量減少，吸濕性能降低；②竹材內(nèi)半纖維素多聚糖上的乙酰基發(fā)生水解，使得具有吸水性較強的羰基減少；③在熱處理過程中細胞壁上具有較強吸水性能的半纖維素含量下降，使得竹材吸水性能下降。以上3大原因共同促進了竹材平衡含水率的減小。

圖5 熱處理對竹材平衡含水率的影響Figure 5 Effect of heat treatment on EMC of culm

3 結論

實驗結果表明：

（1）通過高溫熱處理可以使毛竹的顏色均勻加深，表現(xiàn)為可以使毛竹明度（L*）最高降低 56.45%，紅綠色品指數(shù)（a*）最高可升高37.40%，黃藍色品指數(shù)（b*）最高可降低54.34%。

（2）隨著熱處理的進行毛竹明度降低，總體色差升高，竹子顏色表現(xiàn)為暗色發(fā)黑。

（3）隨著熱處理溫度和時間的延長，毛竹的平衡含水率（EMC）逐漸降低，其最高降低幅度可達46.57%。

（4）熱處理溫度對毛竹的明度（L*）、紅綠色品指數(shù)（a*）、黃藍色品指數(shù)（b*）和平衡含水率（EMC）的影響程度比熱處理時間的影響程度顯著。

[1] 張齊生. 竹類資源加工及其利用前景無限[J]. 中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2007（3）：22-24.

[2] 秦莉，于文吉，余養(yǎng)倫. 重組竹材耐腐性能的研究[J]. 木材工業(yè)，2010，21（4）：9-11.

[3] 張守娟，張士成，張守慧. 加熱處理對不同樹種彩色的影響[J]. 林業(yè)科技，1996，21（1）：44-46.

[4] 謝桂軍，劉磊，廖紅霞. 馬尾松木材熱處理研究[J]. 廣東林業(yè)科技，2007，23（4）：6-10.

[5] Bror Sundqvist, Olov Karlesson, Ulla Westremark. Determination of formie acid acid concentrations formed during hydrothermal treatment of birch wood and its relation to color, strength and hardness[J]. Wood Sci Technol, 2006，40（7）：549-561.

[6] 張亞梅，余養(yǎng)倫，于文吉. 熱處理對毛竹竹材顏色變化的影響[J]. 木材工業(yè)，2009，23（5）：5-7.

[7] Petrovici V G, Popa V I. Chemistry and chemical processing of wood. Vol II. Wood Chemistry[M]. Publishing House Lux Libris, Brasov (in Romanian), 1997.

[8] 張亞梅，于文吉. 熱處理對竹材性能及變色的影響[J]. 木材加工機械，2008（4）：40-47.

[9] 魏新莉，向仕龍. 高溫熱處理對軟木材色的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學學報，2012，1（32）：66-69.

[10] Alvaro Tejada, Takashi Okuyama, Hiroyuki Yamamoto, et al. Reduction of growth stress in logs by direct heat treatment: assessment of a commercial-scale operation[J]. Fundam Discipl, 1997, 47（9）：86-93.

[11] 孫潤鶴，劉元，李賢軍，等. 高溫熱處理對竹束顏色和平衡含水率的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學學報，2012，32（9）：138-141.

Effects of Heat Treatment on Color and Equilibrium Moisture Content of Bamboo Culm

NAN Bo1,2，WANG Shu-qiang1，LI Yan-jun1,2，YIN Li-ping1，HUANG Cheng-jian1，WANG Li1,2*
（1. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Key Laboratory of Wood Science and Technology, Lin’an 311300, China）

Experiments of heat treatment on bamboo (Phyllostachys heterocycla cv. pubescens) culm were conducted with different temperatures and durations. The results showed that heat treatment could make the tested culm evenly deepen. Increase of temperature and duration of the treatment had negative relation with lightness（L*), yellow-blue value(b*) and equilibrium moisture content(EMC) of culm, but positive then negative with red-green value (a*), and positive with aberration(?E*). This indicated that the color of the heat-treated bamboo became darker and darker from primary color. The experiment concluded that thermal treatment of bamboo culm could decrease lightness, yellow-blue value, red-green value and EMC by 56.45%, 54.34%, 37.40% and 46.57%.

bamboo culm; heat treatment; color; equilibrium moisture content

S718.29

A

1001-3776（2015）03-0057-04

2014-10-08；

2015-03-26

浙江省自然科學基金項目（LZ13C160003）；浙江省科技廳資助項目（2013C14006）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201310341005）；大學生科技創(chuàng)新推廣項目（2014R412043）

南博（1993-），男，浙江溫州人，從事木材科學與技術研究；*通訊作者。