劉煬，曹琳，李金朋

（北京林業(yè)大學，北京　100083）

中低溫熱處理對竹材材性的影響

劉煬，曹琳，李金朋

（北京林業(yè)大學，北京100083）

采用溫度為75、105、135益，時間為30min的熱處理工藝對毛竹（Phyllostachys edulis）材進行處理，分析不同熱處理溫度對毛竹材性能的影響。研究表明：隨著熱處理溫度的升高，纖維素含量先上升后下降，綜纖維素含量下降，木質素含量變化不大，略有下降。密度先上升后下降，干縮率呈下降趨勢。順紋靜曲強度和順紋抗壓強度呈下降趨勢，抗彎彈性模量變化較少。

熱處理；竹材；化學成分；力學性能；物理性質

我國竹資源十分豐富，竹林面積居世界第一位，其中經(jīng)濟利用價值較高、集中成片分布的毛竹林面積占總竹林面積的70%左右[1]。這使得我國近些年來的竹材加工行業(yè)得到了極大的發(fā)展。竹材高溫熱處理作為借鑒木材熱處理技術而提出的改善竹材性能，提高產品質量的一種方法，其對竹材材性的影響已經(jīng)有一定的研究成果。經(jīng)熱處理的木竹包裝在國際上被更為廣泛地認可和接受[2]。已有研究表明[3]，熱處理溫度對竹材性能的影響比時間更為顯著。且根據(jù)ISPM15號規(guī)定的木包裝處理溫度56益處理時間30min以上肯定能達到殺死有害生物的效果。本文選取現(xiàn)在研究中空白的中低溫段進行研究，對比同時間（30min）不同溫度條件下（75、105、135益）毛竹（Phyllostachys edulis）材的主化學成分含量變化，物理性質主要包括（密度、干縮性）以及力學性質（順紋抗壓強度、抗彎強度）的變化，對比結果，并分析變化原因。

1　材料與方法

1.1實驗材料與實驗設備

1.1.1實驗材料

實驗用毛竹條（Phyllostachys pubescens）購自浙江某公司，產地為福建南平，竹齡4a生，尺寸為80mm伊10mm伊3mm。經(jīng)熱處理（處理前經(jīng)過80益水進行軟化和展平）后，按照國家標準GB/T 15780-1995《竹材物理力學性質實驗方法》加工成試樣尺寸為10mm伊10mm伊3mm（竹壁厚），供干縮率及密度測試；試樣尺寸為20mm伊20mm伊3mm供順紋抗壓強度測試，試樣尺寸為160mm伊10mm伊3mm供抗彎強度及抗彎彈性模量測試，共計432個試樣。

電鏡試樣：制作試樣尺寸為10mm伊10mm伊1mm的試樣供電鏡實驗使用。

毛竹粉：熱處理過的試樣用粉碎機粉碎，選取40～60目間的竹粉用作化學成分分析。

1.1.2熱處理方法

將制備好的毛竹竹材試樣放在熱處理機中，采用溫度為75、105、135益進行熱處理，處理時間皆為30min，然后將處理過的不同溫度的試樣標記好，在室溫條件下水分調置到平衡狀態(tài)。實驗選用瑞士Xorella公司CONTEXXOR PLUS HT-0型熱處理機。

1.2實驗方法

1.2.1化學成分含量的測量

將未處理毛竹竹材與熱處理毛竹竹材分別進行化學成分檢測。綜纖維素和酸不溶木素含量的測定，分別按國家標準GB/T2677.10—1995《造紙原料綜纖維素含量的測定》、GB/T2677.8—94《造紙原料酸不溶木素含量的測定》[4]中規(guī)定的方法進行。因國標中無竹材纖維素的測定方法，只有琢-纖維素的測定方法，所以選用了硝酸—乙醇纖維素的測定方法來測定竹材中纖維素的含量。

1.2.2顯微構造方面

將未處理毛竹竹材與熱處理毛竹竹材分別加工成1mm厚的薄片，長、寬約為10mm的試樣，噴金處理后用掃描電鏡觀察試樣的三切面。實驗選用日立公司S-3400型掃描電子顯微鏡。

1.2.3物理性質方面

參照國家標準GB/T 15780-1995《竹材物理力學性質實驗方法》中的試件尺寸以及實驗步驟進行測試。

1.2.4力學性質方面

參照國家標準GB/T 15780-1995《竹材物理力學性質實驗方法》進行力學性能的測試。

2　結果與分析

2.1熱處理毛竹竹材的化學成分分析

未處理竹材纖維素的含量為381.1g/kg，綜纖維素的含量為587.2g/kg，木質素的含量為204.1g/kg。經(jīng)過熱處理后，毛竹竹材的化學成分大致變化趨勢為：隨著熱處理溫度的升高，木質素的含量上升，綜纖維素的含量下降，纖維素含量先上升后下降。

熱處理后毛竹竹材的綜纖維素、纖維素、木質素、半纖維素的含量變化見圖1。由圖1可知，熱處理溫度的升高使竹材纖維素含量呈現(xiàn)先上升后降低的狀態(tài)，下降幅值為6.4%。熱處理后竹材纖維素先上升，是由于處理溫度較低，水分開始蒸發(fā)，但纖維素還未分解，相對含量增大，105益后含量呈下降趨勢，但變化值僅為6.4%，這是由于在加熱的作用下纖維素內部發(fā)生了熱解反應，但因為熱處理溫度不高并沒有達到破壞纖維素大分子的程度[5]，所以變化幅度不劇烈。

綜纖維素含量隨熱處理溫度的升高而降低，變化值為3.4%。因為綜纖維素在高溫條件下容易發(fā)生裂解，隨著溫度的升高裂解加劇[6]。

熱處理溫度為75和105益時，毛竹材綜纖維素的含量較未處理材略高，其原因主要為熱處理過程中水分蒸發(fā)以及部分易揮發(fā)性物質損失[5]。當溫度為135益以上時，其含量低于未處理材，其原因可能是綜纖維素基團受熱，分子內部脫水，其活性增強，生成少量鏈，生成的鏈使得促進基團大量分解，從而使其含量低于未處理材[7]。

毛竹竹材木質素含量隨熱處理溫度的升高變化不大，略呈下降趨勢。這是由于木質素主要是由苯基丙烷等單元組成，因為其結構為典型的化學鍵結合，非常穩(wěn)定，當溫度達到200益時才開始分解，所以在200益以下時木質素的變化僅僅是由于纖維素和半纖維素的分解而導致的變化[8]。

圖1　溫度對主要化學成分含量的影響

對結果進行統(tǒng)計分析，通過比較溫度對綜纖維素、纖維素和木質素的變異系數(shù)可知，溫度對它們的含量均有一定影響。但相較而言，溫度對纖維素的變異程度為4.341%，大于對綜纖維素的變異系數(shù)1.428%和木質素的變異程度2.80%。

2.2熱處理毛竹竹材的物理性能結果分析

物理性質主要針對密度（氣干密度、全干密度和基本密度）、干縮性（弦向全干干縮率、徑向全干干縮率、體積全干干縮率）進行研究。實驗結果如表1。

從表1可以看出：熱處理溫度從75益到135益竹材的氣干密度先上升后下降，下降了14.6%；竹材的全干密度先上升后下降，下降了13.9%；竹材的基本密度先上升后下降，下降了14.3%。變化趨勢與林勇等人對毛竹密度的研究一致[10]。當溫度低于105益，隨著熱處理溫度的升高，竹材內部水分減少，而且由于竹材體積減少幅度大于竹材的質量減少幅度，從而導致竹材的密度升高。而當溫度大于105益，隨著溫度的上升，竹材的密度減小，主要是因為竹材內部發(fā)生了降解反應[10]。

表1　溫度對密度和全干干縮率的影響

徑向全干干縮率隨著熱處理溫度的升高而下降，下降了13.3%；弦向全干干縮率隨著熱處理溫度的升高而下降，下降了14.3%；熱處理溫度的升高使得體積全干干縮率下降，變化幅值為6.3%。竹材干縮率的降低是因為纖維素和半纖維素由于受熱含量下降，可能有一定的分解，導致羥基的濃度下降，從而干縮性減小[8]。這與余立琴等對毛竹干縮率的研究結果一致[11]。

2.3熱處理毛竹竹材的力學性能結果分析

竹材的力學性質是影響竹材最終如何利用的重要指標之一，對于出口的竹制品更是如此。本實驗處理條件下，75、105、135益（30min）的含水率分別為6.3%、6.2%、5.7%，未處理材的含水率為6.9%，力學性質見表2。

表2　溫度對力學性質的影響

由表2可知：竹材的MOR（靜曲強度）隨熱處理溫度呈下降趨勢，而MOE（彈性模量）隨著溫度的升高先上升后下降。熱處理竹材MOR減少了2.54%，MOE增大了3.26%。由于熱處理溫度的升高使竹材內部化學成分降解，從而導致了竹材力學性能降低。彈性模量的大小受密度的影響，隨著溫度的升高，在135益變化范圍以下，由表1可知，竹材全干密度先增大后減小，從而導致竹材彈性模量也隨之發(fā)生改變。

由表2可知：熱處理對竹材的順紋抗拉強度的影響非常顯著，隨著溫度的升高，竹材的順紋抗拉強度大幅度下降。與未處理材相比135益熱處理竹材的抗拉強度減少了53.23%；相比之下其對竹材順紋抗壓強度的影響則不明顯，僅下降了7.80%。

3　結論

本研究選用了4a生毛竹作為試材，以熱處理溫度為因素開展實驗。研究在不同熱處理溫度下竹材主要化學成分變化及物理、力學性能的變化。主要得出以下結論：

（1）化學成分。隨著熱處理溫度的升高，纖維素含量先上升后下降，下降了6.4%，綜纖維素含量下降，變化值為3.4%，木質素變化不大略有下降。熱處理溫度對竹材主要化學成分含量的影響顯著。

（2）物理性質。隨著熱處理溫度的升高，密度先上升后下降，干縮率呈下降趨勢，但幅值較小。

（3）力學性質。隨著熱處理溫度的升高，順紋靜曲強度下降，抗彎彈性模量則呈先上升后下降趨勢，分別變化了2.54%、3.26%。順紋抗拉強度大幅度下降，順紋抗壓強度變化并不明顯。

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

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［3］張亞梅.熱處理對竹材顏色及物理力學性能影響的研究［D］援北京：中國林業(yè)科學研究院，2010.

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Effect of Heat Treatment in Middle and Low Temperature on the Quarantine of Bamboo

LIU Yang，CAO Lin，LI Jin-peng
（Beijing Forestry University，Beijng 100083）

Heat treatments of 75益、105益and 135益for 30min were applied to bamboo to analyze the impact of different heat treatment temperature on the performance of bamboo.Studies showed that:with the increase of temperature，cellulose content increased and then decreased；whereas holo-cellulose content decreased；lignin content rose.Density rose at first and then decreased，but shrinkage rate declined.MOR parallel to grain and compressive strength parallel to the grain decreased，but shearing strength parallel to grain was less variable.Tear duct internal situation in line with changes in physical pits mechanics. Key words：Heat treatment；Bamboo；Chemicalcomponents；Mechanical properties；Physical properties

S781.9

A

1002-3356（2016）03-0014-03

2016-05-17

北京林業(yè)大學大學生創(chuàng)新計劃項目-質檢處理對竹木材材性的影響（x201510022049）

劉煬（1995-），女，在讀本科生，E-mail：nolekobe@sina.com

曹琳（1972-），女，講師，E-mail：20062008c@163.com