孟凡丹 高建民

(木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

余養(yǎng)倫 鮑敏振 于文吉

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所)

熱處理對纖維化竹單板表面性能和微力學(xué)性能的影響1)

孟凡丹 高建民

(木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

余養(yǎng)倫 鮑敏振 于文吉

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所)

以炭化爐處理的毛竹纖維化單板為原料，系統(tǒng)地研究了不同熱處理溫度對纖維化竹單板的表面性能和微力學(xué)性能影響。結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度的升高，纖維化竹單板的質(zhì)量損失率增加，表面顏色加深，pH值和緩沖容量降低。熱處理后纖維化竹單板的半纖維素降解，導(dǎo)致其綜纖維素和α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了20.15%、35.94%，冷、熱水抽提物和木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了20.15%、27.39%和43.56%。傅立葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜分析結(jié)果進(jìn)一步證明了半纖維素發(fā)生降解，多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。微力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，熱處理后纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的細(xì)胞壁彈性模量變化不顯著，薄壁細(xì)胞的硬度增加了48.84%，使材料的硬度顯著增加。

纖維化竹單板；熱處理；表面性能；微力學(xué)性能

Heat-treated oriented Moso bamboo fiber mat were used as the material, and the surface properties and micromechanical properties were evaluated systematically. The mass loss of bamboo fiber mat were increased, the surface color became darker, the pH value and buffering capacity were reduced with the increase of heat treatment temperature. After heat treatment, the hemicellulose degrade, which lead to the mass fraction of holocellulose andα-cellulose was reduced by 20.15% and 35.94%, respectively, the contents of cool, hot water extractive and lignin were increased by 20.15%, 27.39% and 43.56%. By FTIR and XPS, the hemicellulose degrade, the polysaccharide content was reduced and the lignin content was increased again. The micromechanical testing results show that the elastic modulus of bamboo fiber mat remained unchanged, the meyer hardness was increased with the increase of heat treatment temperature, and the meyer hardness of material was increased significantly.

竹基纖維復(fù)合材料是重組竹第二代產(chǎn)品，具有性能可控、規(guī)格可調(diào)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等特點，發(fā)展前景廣闊。纖維化竹單板是竹基纖維復(fù)合材料的基本單元，由半圓形竹筒或弧形竹筒，在不去除竹青和竹黃的條件下直接疏解制備而成。它由相互交織的竹纖維束組成，與傳統(tǒng)竹條、竹篾和竹束單元相比，其具有以下特點：①纖維化竹單板內(nèi)部存在著一系列的點狀或線段狀的裂紋，這些裂紋將竹材組織分離成粗細(xì)不均的纖維束；②竹材的大部分疏導(dǎo)組織和部分基本組織的細(xì)胞壁，受到了撕裂破壞，改變了竹材原有的細(xì)胞構(gòu)造。在纖維化竹單板的制備過程中，竹材內(nèi)部的生長應(yīng)力得到釋放，樹脂的滲透通道被大大改善，為竹材實現(xiàn)高性能重組提供了基礎(chǔ)，目前纖維化竹單板已被廣泛地應(yīng)用于高性能竹基纖維復(fù)合材料的制備。

為了滿足市場對深色系、高尺寸穩(wěn)定性和防霉功能竹制品的需求，大部分工廠都對竹材進(jìn)行熱處理。目前，熱處理主要包括壓力罐和炭化爐兩種處理裝備。壓力罐熱處理，其介質(zhì)為飽和蒸汽，處理溫度為135～145 ℃，熱處理時間2～3 h。這種處理工藝可以有效地改變竹材顏色，并在一定程度上改善了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，被企業(yè)廣泛應(yīng)用，目前有關(guān)這方面的研究較多[1-3]。炭化爐高溫?zé)崽幚?，其介質(zhì)為干空氣，處理溫度為180～200 ℃，處理時間8～12 h。這種熱處理工藝，處理后生產(chǎn)的產(chǎn)品顏色為深咖啡色，尺寸穩(wěn)定性和防霉性能得到明顯改善[4]，達(dá)到室外材等級，并得到了戶外竹材產(chǎn)品市場的普遍認(rèn)可。但炭化爐熱處理也存在如下問題：材料損失率大、能耗大、處理液對環(huán)境有污染；材料在浸漬膠黏劑時，容易導(dǎo)致膠黏劑的絮凝；生產(chǎn)的產(chǎn)品硬度大，后期的鋸切、砂光性能差，力學(xué)性能損失率大。目前，對炭化爐高溫?zé)崽幚砗蟮睦w維化單板性能變化的研究也較少，缺乏數(shù)據(jù)和理論支撐。

筆者以毛竹(Phyllostachyspubescens)為原料，運用纖維定向分離技術(shù)制備纖維化竹單板，采用炭化爐，在180、200 ℃的熱空氣中對其進(jìn)行熱處理；并對熱處理后的纖維化竹單板的顏色、化學(xué)組分、表面官能團、化學(xué)元素以及細(xì)胞壁的微力學(xué)性能進(jìn)行觀察、分析和測量，旨在為熱處理竹基纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝優(yōu)化和新產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹：產(chǎn)自安徽廣德，竹齡4～5 a，胸徑80～100 mm，竹壁厚度8～12 mm。

1.2 方法

1.2.1 纖維化竹單板的制備方法

采用纖維定向分離技術(shù)制備纖維化竹單板，其制備的主要工藝包括：竹材鋸截、剖分和疏解。首先將毛竹鋸截成長度為2.0 m的竹筒，沿縱向?qū)⒅裢财食?～4片弧形竹片，之后將弧形竹片沿順紋方向送入多功能疏解機，利用其間斷錯位異型疏解齒，對弧形竹片進(jìn)行碾壓、疏解，最后形成縱向不斷、橫向交織的竹纖維束組成的纖維化竹單板。

1.2.2 纖維化竹單板的熱處理

將長度為2 m的纖維化竹單板，分別在180、200 ℃的熱空氣中進(jìn)行處理，氧氣的體積分?jǐn)?shù)控制在2.0%～2.5%，保溫4 h，整個處理過程持續(xù)10 h，然后將處理后的纖維化竹單板在室溫條件下平衡處理。

熱處理纖維化竹單板的質(zhì)量損失率(ML)計算方法如下：

(1)

式中：W1為熱處理前試樣的絕干質(zhì)量(g)；W2為熱處理后試樣的絕干質(zhì)量(g)。

1.2.3 熱處理纖維化竹單板的顏色

按照1976年國際照明委員會CIE(L*a*b*)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)理論，采用分光測色儀，對熱處理纖維化竹單板竹青面的顏色進(jìn)行定量表征。每個試樣取5個點，每組共3個試樣。測定的主要參數(shù)包括：明度(L*)、紅綠軸色度指數(shù)(a*)、黃藍(lán)軸色度指數(shù)(b*)，并與對照材比較，計算色差(ΔE*)。

(2)

(3)

(4)

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2；

(5)

式中：完全白的物體L*為100，完全黑的物體L*為0；a*=+127為紅色，a*=-127為綠色；b*=+127為黃色，b*=-127為藍(lán)色。

1.2.4熱處理纖維化竹單板的抽提物、pH值和緩沖容量

分別根據(jù)GB/T 2677.4—1993《造紙原料水抽出物含量的測定》、GB/T 6043—2009《木材pH值測定方法》和GB/T 17660—1999《木材緩沖容量測定方法》，測定冷、熱水抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及pH值和緩沖容量。

1.2.5 熱處理纖維化竹單板的化學(xué)組分

分別根據(jù)GB/T 2677.10—1995《造紙原料綜纖維素含量的測定》、GB/T 744—1989《紙漿α-纖維素的測定》和GB/T 2677.8—1994《造紙原料酸不溶木素含量的測定》，測定的綜纖維素、α-纖維素和酸不溶木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.6熱處理纖維化竹單板的表面官能團和化學(xué)元素

篩選大于100目的粉末樣品，在103 ℃烘箱內(nèi)干燥至絕干后，用于傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析。測試條件：紅外光譜為4 000～400 cm-1的中紅外區(qū)，分辨率是4 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

將熱處理和未處理試樣加工成長度和寬度均為5 mm，厚度為1 mm的試樣，用于X射線光電子能譜(XPS)分析。制樣過程中，避免手接觸樣品表面將其污染。使用帶單色器的鋁靶X射線源，功率約225 W。數(shù)據(jù)處理使用Vision(PR2.1.3)和CasaXPS(2.3.12Dev7)。

1.2.7 熱處理纖維化竹單板細(xì)胞壁的微力學(xué)性能

采用非包埋的方法制備納米壓痕樣品。首先鋸制尺寸為6 mm(寬)×6 mm(厚)×15 mm(長)的樣塊，用單面刀片對樣品橫截面進(jìn)行切割，將樣品一端橫截面削成45°的金字塔狀；接著在超薄切片機上先經(jīng)玻璃刀切樣，直至測試面包含待測的部分，最后用鉆石刀拋光，測試面面積控制在0.25 mm2左右。需要注意的一點是：切制樣品時，保證待測面包括纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞在內(nèi)。測試前須將樣品放置于溫度為20 ℃，相對濕度為65%的環(huán)境平衡24 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對物理性能的影響

2.1.1 質(zhì)量損失率

不同溫度處理后，纖維化竹單板的質(zhì)量損失率分別為3.22%和7.83%，隨著處理溫度的升高，纖維化竹單板的質(zhì)量損失率增加顯著。竹材的質(zhì)量損失主要與抽提物揮發(fā)和化學(xué)組分的熱降解有關(guān)。隨著處理溫度的升高，竹材中的水分和易揮發(fā)物質(zhì)首先流失，竹材細(xì)胞壁中不穩(wěn)定的高聚物開始降解，主要是半纖維素降解生成乙酸、甲酸和甲醇等有機物。另外，不凝結(jié)物質(zhì)(CO2)隨著溫度的升高也開始產(chǎn)生；竹材發(fā)生脫水反應(yīng)，羥基開始被降解[5]。

2.1.2 顏色

熱處理后，纖維化竹單板顏色變?yōu)樯羁Х壬?，表面顏色參?shù)的測定結(jié)果如表1所示。與未處理材相比，200 ℃處理后，纖維化竹單板的L*降低了65.70%，a*升高了60.78%，b*降低了54.63%。L*降低，說明熱處理后的纖維化竹單板顏色變暗；a*升高，表明纖維化竹單板的顏色向紅軸方向靠攏；b*降低，說明纖維化竹單板的顏色向藍(lán)軸方向變化。隨著處理溫度的升高，ΔE*增大，表明與未處理材相比，熱處理后的纖維化竹單板表面的色差變化增大。

表1 熱處理纖維化竹單板表面顏色

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 熱處理對pH值、緩沖容量和抽提物的影響

熱處理前后，纖維化竹單板的pH值、緩沖容量和抽提物的測試結(jié)果見表2?？芍?，經(jīng)過熱處理后纖維化竹單板的pH值降低，緩沖容量呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。纖維化竹單板在受熱后，半纖維素和纖維素等物質(zhì)發(fā)生熱解，產(chǎn)生了乙酸、甲酸等酸性物質(zhì)，pH值降低，pH的變化對后期的浸膠、膠合產(chǎn)生影響。熱處理對緩沖容量的影響較復(fù)雜，淀粉、脂肪等竹材本身抽提物的降解，使緩沖容量減?。欢w維素、半纖維素?zé)峤猱a(chǎn)生的新的抽提物，使緩沖容量增大，這個過程是一個動態(tài)的過程，變化較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

不同溫度處理后，纖維化竹單板的冷、熱水抽提物均呈現(xiàn)增加的趨勢。與未處理材相比，經(jīng)過200 ℃處理，其冷、熱水抽提物分別提高了20.15%、27.39%，主要原因是半纖維素降解成可溶性的小分子物質(zhì)增加[6]。

表2熱處理前后纖維化竹單板的pH值、緩沖容量和抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

處理溫度/℃pH緩沖容量/mL酸堿總抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%冷水熱水未處理5.1248.7538.5087.253.92±0.627.12±0.211804.7325.2534.5059.754.06±0.218.25±0.232004.9232.0040.0072.004.71±0.169.07±0.08

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 熱處理對化學(xué)成分的影響

不同溫度處理后，纖維化竹單板化學(xué)成分變化的測定結(jié)果見表3。與未處理材相比，200 ℃處理的纖維化竹單板的α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了35.94%，主要原因是無定形區(qū)的多糖分支結(jié)構(gòu)和其非結(jié)晶組織，相比其他結(jié)晶區(qū)的物質(zhì)更容易受熱降解[7]。

表3 熱處理纖維化竹單板的化學(xué)成分

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

與未處理材相比，200 ℃處理的纖維化竹單板的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了20.15%，綜纖維素是半纖維素和纖維素的總和。不同溫度處理后α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，而半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯。眾所周知，熱處理后竹材的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但本研究計算得到的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不顯著。主要原因是纖維素在熱處理過程中，其非結(jié)晶組織發(fā)生降解，分子量降低或者生成小分子的多糖物質(zhì)[8-9]，而現(xiàn)行檢測綜纖維素的方法，沒有辦法區(qū)分竹材自身的半纖維素和纖維素降解產(chǎn)生的低分子量的多糖物質(zhì)。

與未處理材相比，200 ℃處理的纖維化竹單板的酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高了43.56%。木質(zhì)素是細(xì)胞壁組分中熱穩(wěn)定性最好的物質(zhì)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，包括相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)和絕對質(zhì)量分?jǐn)?shù)兩部分。相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，是由于綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；絕對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加是由于熱解產(chǎn)生的不溶于酸的新物質(zhì)或生成新物質(zhì)與木質(zhì)素發(fā)生交聯(lián)生成不溶于酸的物質(zhì)。

2.4 熱處理對表面官能團和表面化學(xué)元素的影響

2.4.1 傅里葉紅外光譜分析

在波長為1 800～750 cm-1范圍內(nèi)，熱處理纖維化竹單板的紅外光譜譜圖如圖1所示。

a.未處理；b.180 ℃處理；c.200 ℃處理。

前期研究顯示[10-11]，在2 900 cm-1附近的C—H脂肪族伸縮振動峰，與其他峰相比，具有較高的穩(wěn)定性，可以認(rèn)為在熱處理過程中，該基團強度沒有發(fā)生明顯的變化。因此，選擇2 900 cm-1附近的C—H脂肪族伸縮振動峰峰高作為參照峰。在1 730、1 602、1 506、1 373、1 244、1 106和895 cm-1附近的各峰與參照峰的比值見表4。

表4 熱處理纖維化竹單板紅外光譜吸收峰的變化

圖1和表4顯示，200 ℃處理后，1 730 cm-1附近的非共軛羰基的吸收強度降低。首先，半纖維素的乙?；诟邷叵陆到?，與游離羥基發(fā)生了脫乙酰基反應(yīng)，形成乙酸，進(jìn)一步促進(jìn)了半纖維素的熱解，使得羥基數(shù)量下降；其次，三大素分析結(jié)果顯示，多糖較其他的竹材物質(zhì)更容易降解。在熱處理的過程中，半纖維素中的某些多糖降解為具有短鏈結(jié)構(gòu)的糖類化合物，而這些物質(zhì)在高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)，重新生成一些不溶于水的聚合物[10]。1 603、1 506、1 244 cm-1代表木質(zhì)素的苯環(huán)碳骨架振動，其強度增加，原因是熱處理后木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[12]。

1 373 cm-1附近的C—H伸縮振動峰強度降低，主要原因是纖維素和半纖維素表面的羥基，在熱處理過程中形成醚鍵[13]。1 106 cm-1附近的C—H伸縮振動峰強度增強，主要是因為與木質(zhì)素連接的新的醇類和酯類物質(zhì)的生成[14]。熱處理纖維化竹單板的紅外光譜分析顯示：多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，這一發(fā)現(xiàn)與三大素化學(xué)分析結(jié)構(gòu)一致。

2.4.2 X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜(XPS)分析熱處理纖維化竹單板的表面光電子能譜全譜圖，如圖2所示。可知，在電子結(jié)合能為284和532 eV附近，出現(xiàn)的C和O元素為纖維化竹單板表面的主要元素。C元素的結(jié)合方式及狀態(tài)在很大程度上決定了組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。纖維化竹單板表面C元素的C1s層的電子結(jié)合能與所結(jié)合的原子或基團有關(guān)(表5)[5]，因此可以根據(jù)C1s峰的化學(xué)位移推斷其周圍的化學(xué)環(huán)境，以得到其表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的信息。

圖2 熱處理纖維化竹單板表面XPS寬譜圖

組別電子結(jié)合能/eV結(jié)合方式備 注C1284.8C—C/C—H主要來自木質(zhì)素苯環(huán)基丙烷和脂肪酸、脂肪和蠟等C2286.5C—O纖維素和半纖維素中均有大量碳原子與羥基相連C3288.0CO/O—C—O主要來自于木質(zhì)素分子中的酮基和醛基C4289.2O—CO主要來源于羧酸根

采用XPS分析材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)變化時，通常采用O/C原子數(shù)量比來表征[15]。纖維素的O/C原子數(shù)量比約為0.83；半纖維素的O/C原子數(shù)量比約為0.8；木質(zhì)素的組分復(fù)雜，其O/C原子數(shù)量比約為0.33；抽提物主要包括親脂性的化合物，估計其O/C原子數(shù)量比約為0.1[16]。因此，材料表面有較高的O/C原子數(shù)量比時，證明其表面含有較高比例的碳水化合物，相反材料表面有較低的O/C原子數(shù)量比時，表明其表面有較高比例的木質(zhì)素和抽提物。熱處理纖維化竹單板表面的O/C原子數(shù)量比和各原子數(shù)量百分比見表6?？芍?，經(jīng)過高溫處理后，纖維化竹單板表面的O/C原子數(shù)量比降低。主要原因是：一方面高溫?zé)崽幚硎紫冉到饬税肜w維素，從而使纖維化竹單板表面木質(zhì)素的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[17]；另外一方面，熱處理導(dǎo)致含氧量低的副產(chǎn)物的生成，以及副產(chǎn)物降解生成新的物質(zhì)[18]。為了進(jìn)一步分析熱處理纖維化竹單板表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，C1s、O1s的高分辨率譜圖，如圖3、圖4所示。

由表5可知，C1主要分布在木質(zhì)素和抽提物中，C2主要分布在纖維素和半纖維素中。圖3和表6顯示，C1和C2是C1s的主要組成部分。熱處理前，C2為主要的組成成分(圖3a)，熱處理后，C2原子數(shù)量百分比降低，相反C1原子數(shù)量百分比升高(圖3b、圖3c)。這一發(fā)現(xiàn)表明，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗螅w維化竹單板的半纖維素首先降解，使木質(zhì)素的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而使其表面含有較多的木質(zhì)素，相反含有較少的纖維素和半纖維素[19]。因此，可以進(jìn)一步得出，纖維化竹單板表面的纖維素和半纖維素比木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性差。

表6 熱處理纖維化竹單板表面原子數(shù)量百分比

圖3 熱處理纖維化竹單板表面C1s譜圖

O1s在熱處理過程中，變化較為復(fù)雜，因此關(guān)于O1s的研究較C1s的少。木材中O原子的結(jié)合形式分為2種，分別標(biāo)記為O1和O2。O1中的O與CO結(jié)合，其主要分布在木質(zhì)素和抽提物中[20]，前期研究顯示，從纖維中去除木質(zhì)素后，其表面O1原子數(shù)量百分比隨之降低，相反O2原子數(shù)量百分比升高[21]。O2中的O原子主要與C—O—結(jié)合，主要分布在纖維素和半纖維素中，O1s的高分辨率譜圖如圖4所示。

圖4 熱處理纖維化竹單板表面O1s譜圖

圖4和表6顯示，經(jīng)過高溫處理后，纖維化竹單板表面的O1原子數(shù)量百分比增加，相反O2原子數(shù)量百分比降低。O1主要分布在木質(zhì)素和抽提物中，而O2主要分布在纖維素和半纖維素中。因此可以得出：經(jīng)過高溫處理后，纖維化竹單板表面碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，相反木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

2.5 熱處理對微力學(xué)性能的影響

熱處理后的材料，在宏觀性能方面表現(xiàn)出硬度大，后期的鋸切、砂光性能差，力學(xué)性能降低，尺寸穩(wěn)定性提高。但是對于各細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微觀力學(xué)性能如何變化并不清楚，因此，有必要對熱處理后細(xì)胞壁的微力學(xué)性能的變化進(jìn)行研究。納米壓痕技術(shù)目前在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成為研究微結(jié)構(gòu)、微力學(xué)性能的重要手段[22]。采用納米壓痕測試系統(tǒng)測試?yán)w維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的彈性模量和硬度的變化結(jié)果如表7所示，測試圖片如圖5所示。與未處理材相比，200 ℃處理后的纖維細(xì)胞的彈性模量升高了2.63%，硬度增加了14.29%；薄壁細(xì)胞的微力學(xué)性能變化趨勢與纖維細(xì)胞變化一致，即彈性模量升高了10.45%，硬度增加了48.84%。Li et al.的研究也得到同樣的結(jié)果[23]。

表7 熱處理纖維化竹單板細(xì)胞壁的微力學(xué)性能

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

a.未處理纖維細(xì)胞；b.180 ℃處理纖維細(xì)胞；c.200 ℃處理纖維細(xì)胞；d.未處理薄壁細(xì)胞；e.180 ℃處理薄壁細(xì)胞；f.200 ℃處理薄壁細(xì)胞。

綜上所述，熱處理后纖維化竹單板細(xì)胞硬度尤其是薄壁細(xì)胞硬度的增加，導(dǎo)致了竹基纖維復(fù)合材料硬度增大，難以鋸切和砂光的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

隨著處理溫度的升高，纖維化竹單板的抽提物揮發(fā)和化學(xué)組分降解，導(dǎo)致其質(zhì)量損失率增加，表面顏色加深，pH值和緩沖容量降低；降低的pH值對后續(xù)的酚醛樹脂的浸漬和膠合均有負(fù)面影響。

200 ℃處理后，半纖維素優(yōu)先降解，生成的可溶性的小分子物質(zhì)增加，導(dǎo)致其冷、熱水抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了20.15%、27.39%；綜纖維素和α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了20.15%、35.94%；木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了43.56%。FTIR和XPS分析結(jié)果驗證了三大素分析結(jié)果，即熱處理后半纖維素降解，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，木質(zhì)素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

對纖維化竹單板的微力學(xué)性能研究顯示，經(jīng)過200 ℃處理后，纖維化竹單板的纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的彈性模量分別增加了2.63%和10.45%；硬度分別增加了14.29%、48.84%，薄壁細(xì)胞的硬度顯著增加，從而使熱處理竹基纖維復(fù)合材料硬度增大，鋸切和砂光難度增大。

從材料的質(zhì)量損失率、顏色、化學(xué)組分、硬度等指標(biāo)綜合考慮，在本試驗條件下，建議纖維化竹單板熱處理溫度不宜高于180 ℃。

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EffectofHeatTreatmentontheSurfaceandMicromechanicalPropertiesofOrientedBambooFiberMat

//Meng Fandan, Gao Jianmin

(MOE Key Laboratory of Wooden Materials Science and Application, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China);

Yu Yanglun, Bao Minzhen, Yu Wenji

(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry)

Oriented bamboo fiber mat; Heat-treated; Surface properties; Micromechanical properties

S795.5

1)“十三五”國家重大研發(fā)計劃項目(2016YFD0600904);對發(fā)展中國家科技援助項目(KY201502001)。

孟凡丹，女，1983年9月生，木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，博士研究生。E-mail：fandan_meng@163.com。

于文吉，中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，研究員。E-mail：yuwenji@caf.ac.cn。

2017年3月7日。

責(zé)任編輯：戴芳天。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：53-59.