南 博，王書強(qiáng)，李延軍，殷麗萍，黃成建，王 麗*

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300）

高溫?zé)崽幚韺?duì)毛竹材顏色和平衡含水率的影響

南 博1,2，王書強(qiáng)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(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300）

以毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）材為研究對(duì)象，探討熱處理溫度（100～200℃）和時(shí)間（2h、3h）對(duì)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(jié)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(shí)間的增加，毛竹材的明度（L*）、黃藍(lán)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(shuō)明熱處理后竹材表面顏色逐漸由原色過(guò)度到棕褐色；在本研究范圍內(nèi)，通過(guò)高溫?zé)崽幚砻癫牡拿鞫?、黃藍(lán)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(guó)是世界上竹類資源最豐富和種植面積最大的國(guó)家，有40多屬、500多種竹類植物，竹林面積達(dá)484.26 萬(wàn)hm2，其中經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值較高、集中成片分布的毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）林面積337.20 萬(wàn) hm2，占 70%左右[1]。然而，竹材內(nèi)淀粉、糖類物質(zhì)含量豐富，使得其在加工和使用過(guò)程中極易受到細(xì)菌和害蟲的侵襲，嚴(yán)重影響了其裝飾效果和使用壽命[2]。為減少細(xì)菌和害蟲對(duì)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(guò)程中，一般需要對(duì)竹材進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼Ｖ癫慕?jīng)過(guò)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(guó)家和地區(qū)的歡迎，市場(chǎng)前景十分看好。本研究系統(tǒng)分析熱處理對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。毛竹含水率大于50%，長(zhǎng)度為550 mm。毛竹試件要求無(wú)變色、霉變等可見缺陷。

1.2 儀器與設(shè)備

高溫?zé)崽幚硐洌ㄉ虾鬯古蹇谁h(huán)境設(shè)備有限公司）；色彩色差儀（DC-P3新型全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)）。

1.3 方法與步驟

對(duì)照組常溫下未熱處理的毛竹，實(shí)驗(yàn)組為熱處理100、140、150、160、170、180、190和200℃ 8個(gè)水平溫度和2、3 h 2個(gè)水平時(shí)間，總共進(jìn)行16組熱處理試驗(yàn)。木材顏色的測(cè)量和計(jì)算采用國(guó)際照明委員會(huì)推薦的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)（L*, a*, b*）進(jìn)行。測(cè)量熱處理竹和對(duì)照件的平衡含水率時(shí)，先稱取在室內(nèi)放置30 d 后的竹片初始質(zhì)量，再將其烘至絕干，稱取絕干質(zhì)量, 計(jì)算出不同處理?xiàng)l件下竹片的平衡含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫?zé)崽幚韺?duì)毛竹顏色的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，在2 h同一處理時(shí)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(shì)。而當(dāng)處理溫度達(dá)到 160℃以上，與對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)，毛竹顏色稍微增加；溫度越高，處理時(shí)間對(duì)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(jì)定量分析了熱處理對(duì)竹材明度（L*）、紅綠色品指數(shù)（a*）和黃藍(lán)色品指數(shù)（b*）的影響規(guī)律。

2.1.1 高溫?zé)崽幚韺?duì)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(shí)間的延長(zhǎng)，L*逐漸降低。與對(duì)照組（L* = 80.21）相比，在此次實(shí)驗(yàn)的條件下，通過(guò)熱處理可以使毛竹的明度降低1.68% ～ 56.45%。在100 ～ 140℃和180 ～ 200℃時(shí)的明度變化隨時(shí)間變化的較小，而溫度在超過(guò)140℃時(shí)對(duì)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(guò)程中竹材中各成分發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)變化，隨著熱處理溫度的升高竹材中木質(zhì)素的含量逐漸增加[6]，而木質(zhì)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(zhì)，使木材顏色加深[7～9]。

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

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

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

2.1.3 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹材黃藍(lán)軸色度指數(shù)（b*）的影響 圖3為不同熱處理溫度和時(shí)間對(duì)毛竹表面黃藍(lán)軸色度指數(shù)b*的影響規(guī)律。由圖3可知，毛竹黃藍(lán)軸色度指數(shù)b*隨著溫度的升高而逐漸下降，說(shuō)明竹材表面的顏色開始向黃藍(lán)軸的中心方向靠攏。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在200℃時(shí)，與對(duì)照組件（b* = 26.25）相比，通過(guò)熱處理可以使毛竹表面的黃藍(lán)色品指數(shù)最大下降到54.34%。當(dāng)溫度低于150℃時(shí)，高溫?zé)崽幚韺?duì)毛竹黃藍(lán)色品指數(shù)的影響不明顯，而處理溫度高于150℃時(shí)，提高處理溫度和延長(zhǎng)處理時(shí)間均能顯著降低毛竹表面的黃藍(lán)色品指數(shù)。

2.1.4 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹材總體色差（?E*）的影響 圖4為不同熱處理溫度和時(shí)間對(duì)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(shì)，且溫度越高上升的斜率也就越大，熱處理時(shí)間對(duì)毛竹總體色差的影響隨著溫度的升高而逐漸顯著。在實(shí)驗(yàn)中隨著熱處理溫度和時(shí)間的增加，竹材表面會(huì)呈現(xiàn)暗色，可以通過(guò)總體色差值表現(xiàn)出來(lái)，其變色的原因，也主要是竹材內(nèi)部的化學(xué)成分發(fā)生了變化[10]。竹材熱處理變化導(dǎo)致竹材顏色變化的原因除上述介紹的以外，相關(guān)文獻(xiàn)[11]介紹的還有竹材抽提物，特別是酚類物質(zhì)含量的改變。

2.2 高溫?zé)崽幚韺?duì)毛竹平衡含水率的影響

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

圖4 熱處理對(duì)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(shí)間對(duì)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(guò)熱處理的毛竹平衡含水率明顯低于對(duì)照組（EMC = 18.96%）的平衡含水率，時(shí)間對(duì)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(shí)時(shí)間對(duì)毛竹的平衡含水率影響較小，隨著溫度的增加，時(shí)間對(duì)毛竹平衡含水率的影響逐漸加大，但溫度在 180℃左右時(shí)，時(shí)間對(duì)毛竹平衡含水率的影響就會(huì)減小，這是因?yàn)樵?80℃左右時(shí)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(jié)合水了。所以這時(shí)平衡含水率再隨時(shí)間的變化就很小了，在200℃時(shí)2 h和3 h所對(duì)應(yīng)的平衡含水率分別為10.41%和10.13%，相對(duì)于參照組分別下降了45.09%、46.57%，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8～9]毛竹材平衡含水率隨溫度和時(shí)間的變化原因可以歸納為3個(gè)方面：①在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，竹材細(xì)胞壁上非結(jié)晶區(qū)的纖維素分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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?；l(fā)生水解，使得具有吸水性較強(qiáng)的羰基減少；③在熱處理過(guò)程中細(xì)胞壁上具有較強(qiáng)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(jìn)了竹材平衡含水率的減小。

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

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）通過(guò)高溫?zé)崽幚砜梢允姑竦念伾鶆蚣由?，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(lán)色品指數(shù)（b*）最高可降低54.34%。

（2）隨著熱處理的進(jìn)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(shí)間的延長(zhǎng)，毛竹的平衡含水率（EMC）逐漸降低，其最高降低幅度可達(dá)46.57%。

（4）熱處理溫度對(duì)毛竹的明度（L*）、紅綠色品指數(shù)（a*）、黃藍(lán)色品指數(shù)（b*）和平衡含水率（EMC）的影響程度比熱處理時(shí)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(wú)限[J]. 中國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)竹材性能及變色的影響[J]. 木材加工機(jī)械，2008（4）：40-47.

[9] 魏新莉，向仕龍. 高溫?zé)崽幚韺?duì)軟木材色的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(rùn)鶴，劉元，李賢軍，等. 高溫?zé)崽幚韺?duì)竹束顏色和平衡含水率的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)基金項(xiàng)目（LZ13C160003）；浙江省科技廳資助項(xiàng)目（2013C14006）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201310341005）；大學(xué)生科技創(chuàng)新推廣項(xiàng)目（2014R412043）

南博（1993-），男，浙江溫州人，從事木材科學(xué)與技術(shù)研究；*通訊作者。