莫　玨，馬靈飛，王　誠(chéng)，聶玉靜

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300)

近年來(lái)，竹材作為一種重要的速生可再生資源，越來(lái)越受到家具設(shè)計(jì)師和室內(nèi)設(shè)計(jì)師的青睞，以竹材為主要材料的家具和室內(nèi)設(shè)計(jì)日益繁多。材色作為材料給人的第一印象，也越發(fā)成為材料銷售競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素和材料是否具有商業(yè)價(jià)值的重要指標(biāo)。目前，木質(zhì)林產(chǎn)品面臨多重技術(shù)性貿(mào)易壁壘[1]，限制使用化學(xué)藥劑處理木質(zhì)材料的規(guī)定也在世界各國(guó)不斷推出[2]。熱處理作為一種能夠改良竹材顏色且綠色環(huán)保的物理處理方法，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和使用[3-6]。現(xiàn)有的竹材熱處理方法主要是將竹材置于熱處理箱、爐、窯或罐等設(shè)備中進(jìn)行處理。按傳熱介質(zhì)分類大致可分為4種：一是水蒸氣、氮?dú)獾葰庀嘟橘|(zhì)。芬蘭國(guó)立技術(shù)研究中心(VTT)將水蒸氣作為介質(zhì)，開發(fā)了Thermowood專利[7]，法國(guó)以氮?dú)獾榷栊詺怏w作為傳熱介質(zhì)，開發(fā)了Rectification工藝[8]；二是油作為傳熱介質(zhì)，如德國(guó)Menz Holz公司的OHT處理工藝[9]；三是熏煙、電磁波等熱處理[10]；四是真空熱處理。目前，毛竹竹材熱處理采用的介質(zhì)多為蒸汽或空氣[11]。氣相介質(zhì)兼具加熱介質(zhì)和保護(hù)性氣體的雙重功能，能夠在熱處理過(guò)程中提供低氧甚至無(wú)氧的安全環(huán)境，有效避免因溫度過(guò)高而發(fā)生的著火，但采用氣相介質(zhì)熱處理對(duì)設(shè)備及操作的要求非常高，熱處理后竹片的強(qiáng)度衰減較大。以油作為傳熱媒介，可得到較高的熱處理溫度，但油會(huì)附著在材料表面，瀝干和處理油漬會(huì)增加工作量，且處理后的材料會(huì)有油味。此外熏煙、電磁波、真空熱處理等方法還普遍存在著能耗較大、生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)等諸多不足，生產(chǎn)工藝也相對(duì)復(fù)雜，存在安全隱患。

研究采用高溫?zé)釅禾幚矸椒?，可在較高的溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)竹材快捷高效的熱處理，具有技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本等特點(diǎn)。目前，市場(chǎng)上此類接觸式的熱壓處理方式使用較少，在竹材領(lǐng)域仍未見相關(guān)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)是在高溫?zé)釅簵l件下對(duì)竹材進(jìn)行熱處理，并探討毛竹材顏色和物理力學(xué)性能的變化，本文重點(diǎn)對(duì)處理材顏色的變化進(jìn)行測(cè)試分析。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試件品種為4～6年生毛竹(Phyllostachysedulis)，產(chǎn)自浙江省湖州市安吉縣。原竹經(jīng)橫向截?cái)唷⒖v向開片、四面粗刨、四面精刨、漂白等工藝后，加工成試件，尺寸為400 mm×30 mm×6 mm。選取平均密度在0.6～0.7 g/cm3的試件54根，試件經(jīng)調(diào)溫調(diào)濕至平均含水率10%。

1.2　試驗(yàn)設(shè)備

熱壓機(jī)：壓力成型機(jī)XLB-35UX350(中國(guó)浙江省湖州市東方機(jī)械有限公司)。色差儀：DC-P3型全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)。

1.3　試驗(yàn)方法

1.3.1熱處理將竹片靠近竹青側(cè)向上擺放、上下表面均覆蓋錫箔紙，處理溫度分別為180、210、240 ℃，處理時(shí)間6水平，分別為5、10、15、20、30和60 min，熱壓壓力為0.30 MPa左右，進(jìn)行熱壓試驗(yàn)。試件用數(shù)字進(jìn)行編號(hào)，每種條件重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出樣件，自然冷卻至室溫，而后進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕。

式中：ΔE*——色差，變色度，數(shù)值越大表示被測(cè)物和對(duì)照樣顏色差別越大；ΔL*——明度差，正值表示比對(duì)照樣明度，負(fù)值表示比對(duì)照樣暗；Δa*——紅度a*的變化值；Δb*——黃度b*的變化值。

2　結(jié)果與討論

2.1　溫度和時(shí)間對(duì)竹片明度L*值的影響

由圖2圖3可知，隨著熱處理溫度的升高，熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹材的明度L*逐漸下降，即竹材表面明度降低。近竹黃側(cè)的明度的最低值為27.76，此時(shí)熱處理溫度為240 ℃，熱處理時(shí)間為60 min。相比處理前，該組樣件 值平均下降了68.12%。試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者一致，且在180 ℃條件下熱處理僅10 min，L*下降率即達(dá)到別組160 ℃熱處理4 h[12]或180 ℃熱處理2 h[13]處理?xiàng)l件下水平；210 ℃條件下熱處理不足10 min即已達(dá)到別組200 ℃熱處理2 h對(duì)L*產(chǎn)生的影響；210 ℃處理60 min后，可接近相同溫度油介質(zhì)熱處理2 h水平[13]，說(shuō)明熱壓處理有效提高了明度變化的效率。

圖1　高溫處理后竹材的顏色Fig.1　The color of bamboo after high temperature treatment

總體而言時(shí)間對(duì)明度的影響，以熱處理溫度210 ℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先隨溫度升高而增大，后逐漸減小。210 ℃時(shí)，60 min處理組相比5 min處理組，處理時(shí)間對(duì)明度下降率的影響達(dá)到最大，近竹青側(cè)和近竹黃側(cè) 均下降了26%左右；處理溫度為240 ℃時(shí)，60 min處理組相比5 min組，近竹青側(cè)明度下降15.91%，近竹黃側(cè)下降13.24%。

溫度對(duì)明度下降的影響則大于時(shí)間。相同處理時(shí)間條件下，240 ℃樣件組相比于180 ℃組，溫度差異為近竹青側(cè)明度變化率帶來(lái)的影響基本都保持在38%左右，靠近竹黃一側(cè)的這一值為36%。

圖2　熱處理對(duì)靠近竹青側(cè)明度L*的影響Fig.2　Effect of the heat treatment on lightness L* near the outer bamboo skin

圖3　熱處理對(duì)靠近竹黃側(cè)明度L*的影響Fig.3　Effect of the heat treatment on lightness L* near the inner bamboo skin

處理時(shí)間Duration/min處理溫度Heated?temperature/℃180靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin210靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin240靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin511．8019．64　29．5234．40　50．2754．881013．7223．1641．1446．3252．5755．681521．4125．3541．1449．0860．0363．522024．8127．7248．1853．4562．3263．793027．9730．7847．7350．2464．1366．066031．5235．5454．9661．2966．1868．12

表2　不同熱處理溫度和時(shí)間下靠近竹青竹黃兩側(cè)明度差對(duì)比Tab.2　Contrast of lihgtness difference near the inner and outer bamboo skin under various heat treatment temperature and duration

毛竹表面明度會(huì)發(fā)生變化，是因?yàn)橹癫闹兄饕瘜W(xué)成分含量發(fā)生了明顯的改變——棕纖維素和α-纖維素含量降低，酸不溶木素含量上升[13,15]。竹材具有與木材相似的組分，木素是木材呈現(xiàn)不同顏色的主要影響因素，經(jīng)熱處理后，發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)在化合物中以一定的形式結(jié)合，比例發(fā)生變化[16-17]，而木素側(cè)鏈發(fā)生的縮合反應(yīng)，產(chǎn)生了新的β-β和β-5縮合結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)生了側(cè)鏈消除反應(yīng)，形成了新的共軛雙鍵，導(dǎo)致共軛體系加長(zhǎng)[18]，使吸收光譜會(huì)從紫外光區(qū)延伸到整個(gè)可見光區(qū)，木材顏色變深。另外，熱處理過(guò)程中，竹材細(xì)胞壁內(nèi)主要成分發(fā)生降解，氧化產(chǎn)生醌類化合物[19]，特別是半纖維素中戊聚糖的降解[3-5]以及抽提物中酚類物質(zhì)含量的改變[6]會(huì)帶來(lái)顏色的改變。

雖然不同熱處理?xiàng)l件下，近竹青側(cè)變化率均略大于竹黃側(cè)，但從總體的明度變化上來(lái)說(shuō)，近竹黃側(cè)仍明顯大于近竹青側(cè)。經(jīng)熱處理后，近竹青與近竹黃兩側(cè)明度差異明顯減小，這說(shuō)明熱處理能夠有效減小竹材近竹青側(cè)與近竹黃側(cè)先天生長(zhǎng)帶來(lái)的明度差異，從而減少色差，有利于獲得顏色更均一的竹材。這一點(diǎn)在熱處理時(shí)間為60 min、熱處理溫度為240 ℃組樣件的表現(xiàn)尤為明顯。熱處理前，竹青側(cè)與竹黃側(cè)的明度差為4.81，經(jīng)過(guò)熱處理后僅為0.06，明度差同比下降了98.75%，其余處理組中的大部分也能保持在60%以上。

2.2　溫度和時(shí)間對(duì)竹片紅度a*值的影響

由圖4圖5可知，當(dāng)熱處理溫度升高，熱處理時(shí)間延長(zhǎng)，竹材的a*會(huì)逐漸向紅綠色軸中心靠攏，即向紅色方向發(fā)展。熱處理溫度為240 ℃，處理時(shí)間為60 min試驗(yàn)組中，竹黃一側(cè)的a*的值達(dá)到了-119.7，是試驗(yàn)所得a*數(shù)據(jù)的最大值。相比處理前，該組樣件a*值平均上升了68.14%；在180 ℃時(shí)，僅用時(shí)20 min即可達(dá)到其他熱處理工藝在相同溫度條件下，熱處理2 h所帶來(lái)的紅度值a*的變化；在210 ℃條件下僅用時(shí)20 min即可達(dá)到其他熱處理工藝在200 ℃條件下2 h達(dá)成的效果[20]。

圖4　熱處理對(duì)靠近竹青側(cè)紅度值a*的影響Fig.4　Effect of heat treatment on the redness value a* near the outer bamboo skin

圖5　熱處理對(duì)靠近竹黃側(cè)紅度值a*的影響Fig.5　Effect of heat treatment on the redness value a* near the inner bamboo skin

處理時(shí)間Duration/min處理溫度Hetaed?temperature/℃180靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin210靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin240靠近竹青Closetoouterskin靠近竹黃Closetoinnerskin511．8219．6629．5534．4450．3054．901013．7523．1241．1746．3552．5855．701521．4625．4041．1749．1060．0563．522024．8127．7448．2153．4762．3163．923027．9730．8147．7650．2464．1566．106031．5235．5954．9961．3166．2068．14

溫度對(duì)a*的影響大于時(shí)間。熱處理溫度為210 ℃時(shí)，時(shí)間對(duì)a*上升率的影響達(dá)到峰值，近竹青側(cè)和近竹黃側(cè)均上升了26%左右。相同處理時(shí)間條件下，240 ℃試驗(yàn)組相比于180 ℃組，溫度差異為近竹青側(cè)a*變化率帶來(lái)的影響基本都保持在38%左右，近竹黃一側(cè)則為36%。

表4　不同熱處理溫度時(shí)間下近竹青竹黃兩側(cè)紅度值對(duì)比Tab.4　Contrast of redness difference between near the inner and outer bamboo skin under various heat treatment temperature and duration

熱處理前近竹青側(cè)與近竹黃側(cè)a*的平均值相差為20左右，經(jīng)過(guò)熱處理后這一值在6附近，紅度值的差平均減少了68.73%，近竹黃側(cè)紅度值與近竹青側(cè)紅度值差異明顯減小。處理時(shí)間為60min、溫度為240 ℃試驗(yàn)組，熱處理后近竹青側(cè)和近竹黃側(cè)Δa*僅為0.25，相比于處理前的20.76，同比下降了98.8%。總體而言，熱處理前，近竹青側(cè)更偏紅，熱處理后近竹黃側(cè)更偏紅，后者向紅色方向偏移更多。

2.3　溫度和時(shí)間對(duì)竹片黃度b*值的影響

由圖6圖7可知，b*最接近黃藍(lán)色軸中心的值出現(xiàn)在熱處理溫度為240 ℃，熱處理時(shí)間為60 min試驗(yàn)組中，發(fā)生在靠近竹青一側(cè)，達(dá)到了6.26。相比處理前，該組試樣的b*平均降低了75.11%。

圖6　熱處理對(duì)靠近竹青側(cè)黃度值b*的影響Fig.6　Effect of heat treatment on yellowness b* near the outer bamboo skin

圖7　熱處理對(duì)靠近竹黃側(cè)黃度值b*的影響Fig.7　Effect of heat treatment on yellowness b* near the inner bamboo skin

竹片經(jīng)180 ℃處理5-60 min后，近竹青側(cè)b*相對(duì)于未處理竹材差異不明顯。當(dāng)熱處理溫度大于180 ℃后，b*的值隨熱處理溫度的升高，處理時(shí)間的延長(zhǎng)有了明顯的下降。近竹黃側(cè)的b*則以180 ℃處理時(shí)間20 min為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，Δb*先隨時(shí)間延長(zhǎng)減小，后增大。處理溫度達(dá)到210 ℃，處理5-60 min后，近竹黃側(cè)Δb*相對(duì)于未處理竹材差異不明顯。當(dāng)熱處理溫度大于210 ℃后，b*的值也開始呈現(xiàn)隨溫度升高、處理時(shí)間延長(zhǎng)的下降趨勢(shì)。

熱處理前近竹青側(cè)與近竹黃側(cè)b*的平均值相差為5左右，經(jīng)過(guò)熱處理后平均減少了68.4%，近竹黃側(cè)黃度值與近竹青側(cè)黃度值差異明顯減小。處理時(shí)間為10 min、處理溫度為180 ℃試驗(yàn)組，熱處理后近竹青側(cè)和近竹黃側(cè)Δb*僅為0.09，相比于處理前的7.11同比下降了98.73%。

總體而言，近竹青側(cè)在180 ℃左右與未處理材相差不大，溫度高于180 ℃后向黃藍(lán)色軸中心靠攏，而后隨溫度升高處理時(shí)間延長(zhǎng)逐漸向藍(lán)色方向發(fā)展。而近竹黃一側(cè)是以210 ℃條件下處理時(shí)間10 min為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這之前更偏向黃色方向發(fā)展，而后逐漸向黃藍(lán)色軸中心靠攏，轉(zhuǎn)向藍(lán)色方向發(fā)展。熱處理前近竹青側(cè)比近竹黃側(cè)更偏黃，熱處理后，近竹黃側(cè)與近竹青側(cè)黃度值差異明顯減小，兩側(cè)差別不大。

表5　不同熱處理溫度時(shí)間下靠近竹青竹黃側(cè)黃度值變化率Tab.5　Change rate of the yellowness near the inner and outer bamboo skin under various heat treatment temperature and duration

表6　不同熱處理溫度時(shí)間下靠近竹青竹黃兩側(cè)黃度值對(duì)比Tab.6　Contrast of redness difference between near the inner and outer bamboo skin under various heat treatment temperature and duration

2.4　溫度和時(shí)間對(duì)竹片色差ΔE*值的影響

圖8　熱處理對(duì)近竹青側(cè)和近竹黃側(cè)色差值ΔE*的影響Fig.8　Effect of heat treatment on ΔE* near the inner and outer bamboo skin

由圖8可知，隨著溫度的上升和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹片的色差值ΔE*逐漸增大。從視覺直觀觀察，顏色是由未處理前的黃白色向淺咖啡色、咖啡色發(fā)展，直至接近黑色。ΔE*的最大值出現(xiàn)在熱處理溫度為240 ℃，熱處理時(shí)間為60 min試驗(yàn)組中，靠近竹黃一側(cè)，為263.06；最小值出現(xiàn)在溫度180 ℃，處理時(shí)間5 min組，靠近竹青一側(cè)，ΔE*為43.11。相較于其他熱處理方法而言，高溫?zé)釅禾幚硎沟蒙畹脑鲩L(zhǎng)更快速。

色差值隨時(shí)間延長(zhǎng)升高的幅度相對(duì)較小，相同溫度不同處理時(shí)間條件下的曲線近似直線，斜率較小。180 ℃-60 min處理組對(duì)比180 ℃-5 min組，ΔE*增加了69.58；而240 ℃組60 min ΔE*相較于5 min處理組僅上升了46.42。由此說(shuō)明，隨著溫度的上升，熱處理時(shí)間對(duì)ΔE*帶來(lái)影響的比重逐漸降低。

相同熱處理時(shí)間條件下，240 ℃組對(duì)比180 ℃組，竹青竹黃側(cè)色差值平均上升了140左右，直觀視覺差異很大。這也說(shuō)明了，熱處理溫度對(duì)色差的影響是遠(yuǎn)大于時(shí)間。

此外，各處理?xiàng)l件下，竹黃一側(cè)的曲線始終位于竹青一側(cè)上方，即表明，近竹黃側(cè)色差值大于近竹青側(cè)。而兩條曲線逐漸靠近則說(shuō)明，近竹青側(cè)與近竹黃側(cè)的色差明顯減小。

3　結(jié)論

隨著熱處理溫度的升高，熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹材表面明度L*降低。溫度對(duì)明度的影響大于時(shí)間。熱處理后，近竹黃一側(cè)明度變化更大，近竹青側(cè)與近竹黃側(cè)明度差異明顯減小。

隨著熱處理溫度的升高，熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹材的a*逐漸增大，即向紅色方向發(fā)展。溫度對(duì)a*的影響大于時(shí)間。熱處理前，近竹青側(cè)更偏紅；熱處理后，近竹黃側(cè)更偏紅，且向紅色方向偏移更多。近竹黃側(cè)與近竹青側(cè)紅度值a*差異明顯減小。

黃度b*最接近黃藍(lán)色軸中心的值出現(xiàn)在熱處理溫度為240 ℃、處理時(shí)間為60 min試驗(yàn)組中的近竹青一側(cè)，達(dá)到了6.26?？傮w而言，竹青側(cè)在180 ℃左右與未處理材相差不大，溫度高于180 ℃后向黃藍(lán)色軸中心靠攏，而后逐漸向藍(lán)色方向發(fā)展。竹黃一側(cè)是以210 ℃條件下處理時(shí)間10 min為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這之前更偏向黃色方向發(fā)展，而后轉(zhuǎn)向藍(lán)色方向發(fā)展。熱處理前近竹青側(cè)比近竹黃側(cè)更偏黃，熱處理后，近竹黃側(cè)與近竹青側(cè)黃藍(lán)軸色度值差異明顯減小，兩側(cè)差別不大。

隨著溫度的上升和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，竹片的色差值ΔE*逐漸增大。從視覺直觀觀察，顏色是由未處理前的黃白色向淺咖啡色、咖啡色發(fā)展，直至接近黑色。ΔE*的最大值出現(xiàn)在熱處理溫度為240 ℃、處理時(shí)間為60 min試驗(yàn)組中，靠近竹黃一側(cè)，為263.06。溫度對(duì)ΔE*的影響大于時(shí)間。近竹黃側(cè)色差值大于近竹青一側(cè)，兩側(cè)材色經(jīng)熱處理后越發(fā)趨于一致，且溫度越高統(tǒng)一度越高。

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