岳祥華 左奇玉 張雙燕

(1 國際竹藤中心安徽太平試驗中心 安徽黃山 245700；2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院 合肥 230036)

隨著木材資源日益短缺和現(xiàn)有資源保護力度的加大，非木材生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用受到越來越多的關(guān)注和肯定。竹材是我國重要的速生、可再生森林資源之一，具有生長速度快、產(chǎn)量高、力學(xué)強度高等特點，近年來在家具、建筑等領(lǐng)域具有“以竹代木”的巨大潛力，被認為是替代木材的重要生物質(zhì)材料[1]。但目前我國竹材領(lǐng)域依然存在利用率低、經(jīng)濟效益差的缺陷，這與竹材獨特的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：竹材徑向上外側(cè)竹青結(jié)構(gòu)致密、膠合性能差，內(nèi)側(cè)竹黃組織疏松、橫向強度低，因此竹青和竹黃經(jīng)常在生產(chǎn)中被脫除而成為了剩余物(含量約占30%)，造成了極大的資源浪費。此外，竹材含水率的變化會導(dǎo)致竹材發(fā)生干縮或膨脹，最終會導(dǎo)致竹制品發(fā)生嚴重變形或開裂。竹材所具有的物理結(jié)構(gòu)不均勻性、親水性，嚴重降低了竹材的利用率和使用壽命。充分利用竹青和竹黃，降低親水性，提高竹材的綜合利用率，對加速竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義[2]。

近年來，熱處理被認為是生物質(zhì)材料改性的有效手段，它無須添加任何化學(xué)藥劑，主要是以蒸汽、熱油、惰性氣體等為導(dǎo)熱介質(zhì)，通過高溫進行熱處理，促使材料內(nèi)部發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而有效降低材料的尺寸穩(wěn)定性和耐腐性能[3]。王雅梅等[4]通過傅里葉變換紅外光譜分析了植物油浴熱處理前后樟子松化學(xué)成分的變化。Okon等[5]研究了不同硅油熱處理條件對杉木化學(xué)成分、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響。目前關(guān)于木材高溫熱處理的研究較多，但在竹材高溫熱處理方面的系統(tǒng)性研究較少。此外，在竹材熱處理過程中，竹青和竹黃的存在對處理中導(dǎo)熱介質(zhì)的滲透行為影響鮮有研究。本研究主要探討油浴熱處理對毛竹干縮性、密度、含水率和力學(xué)性能的影響。設(shè)定了2種毛竹原料，一種是保留竹材的竹青和竹黃(簡稱為“帶青帶黃”)，另一種則是去除了竹青和竹黃，只保留竹肉(簡稱為“去青去黃”)，系統(tǒng)研究不同溫度(150～210 ℃)和時間(1～3 h)下竹材各項物理力學(xué)性能的變化，以期為竹材的熱處理工藝和竹材的加工利用提供參考依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

毛竹，采自安徽省黃山區(qū)，3年生，胸徑10.8 cm，高度15.1 m。按照國標 GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》進行試樣采集并進行相應(yīng)的試件制作。為分析竹青、竹黃對熱處理工藝的影響，將制備好的竹材試樣平均分成2組，一組去除竹青和竹黃，一組則不去除竹青和竹黃，備用。

1.2 熱處理工藝

本研究以機油為導(dǎo)熱介質(zhì)，采用油浴熱處理對毛竹材進行改性，選用溫度和時間2個因素。熱處理溫度設(shè)置為150、180、210 ℃；熱處理時間設(shè)定為1、3、5 h。處理結(jié)束后，將試樣取出，采用濾紙將試樣表面多余的油擦拭干凈，冷卻至室溫。最后將所有處理和未處理的試材放入恒溫、恒濕箱中，備用。

1.3 物理力學(xué)指標測定

1)密度和含水率測定。按照國標GB/T 15780-1995測定竹材試樣的氣干密度、絕干密度和含水率。

2)干縮率測定。按照國標GB/T 15780-1995分別測定竹材氣干和全干2種狀態(tài)下2個方向(徑向和弦向)的干縮率。

3)力學(xué)性能測定。按照國標GB/T 15780-1995測定竹材的抗彎強度和抗彎彈性模量。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對竹材含水率和密度的影響

帶青帶黃毛竹以及去青去黃毛竹2種試樣經(jīng)過不同溫度和時間油浴熱處理后的含水率變化如圖1所示?？梢钥闯?，隨著熱處理溫度超過180 ℃，試樣的含水率開始出現(xiàn)明顯的下降，當溫度為180 ℃時，去青去黃毛竹和帶青帶黃的平均含水率分別下降8.57%和22.34%；當溫度提升至210 ℃時，去青去黃毛竹下降42.86%，帶青帶黃毛竹下降了34.86%。對比可以看出，毛竹去除竹青和竹黃之后，其含水率下降程度更為明顯，這是因為竹青一側(cè)組織最為致密，阻礙了熱處理過程中竹材內(nèi)部水分蒸發(fā)的路徑，使得竹材含水率變化較不明顯。

圖1 熱處理對毛竹含水率的影響

竹材密度大小反映出竹材細胞壁中物質(zhì)含量的多少，是竹材一個重要的指標，竹材密度與強度呈正比，即在含水率相同的情況下，竹材密度大，則竹材強度高。圖2為不同熱處理條件下竹材的全干密度(圖2a)和氣干密度(圖2b)。從圖中可以看出：熱處理溫度和時間對竹材的密度影響較為明顯。隨著熱處理時間的增加，熱處理溫度的上升，去青去黃和帶青帶黃竹材全干密度和氣干密度均是呈現(xiàn)先減小后增加的變化變化趨勢，超過180 ℃后略有減小。在210 ℃熱處理后，熱處理時間對密度幾乎無影響。在相同熱處理條件下，去青去黃竹材氣干密度要比帶青帶黃小。

圖2 熱處理對毛竹密度的影響

2.2 熱處理對竹材干縮率的影響

竹材干縮性是竹材固有的缺點之一，對竹材加工利用影響極大。竹材的干縮性越大，加工后的竹制品發(fā)生開裂和翹曲變形等缺陷越為嚴重，對竹材干縮性的研究，可為竹材的合理干燥提供參考。圖3和圖4分別是毛竹經(jīng)不同熱處理后，在氣干和全干2種狀態(tài)下橫向干縮率(弦向和徑向)的變化情況。

圖3 熱處理對毛竹氣干干縮率的影響

圖4 熱處理對毛竹全干干縮率的影響

從圖3和圖4可以看出，無論是帶青帶黃還是去青去黃，不同熱處理條件對毛竹橫向干縮率的影響規(guī)律相似，即在相同熱處理溫度條件下，熱處理時間對毛竹的橫向干縮率影響不大，僅有小幅度下降；在相同熱處理時間條件下，隨著熱處理溫度的升高，毛竹的橫向干縮率明顯下降，顯著改善了毛竹干縮性大的固有缺陷。顯然，和延長熱處理時間相比，提高熱處理溫度對降低竹材干縮性的效果更為明顯。洪歡等[7]考察了不同熱處理溫度和時間對木材的影響規(guī)律，結(jié)果表明提高熱處理溫度可顯著提高木材的性能，而熱處理時間延長的效果不佳，這與本文發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相似。

此外，在同一熱處理條件下，可以發(fā)現(xiàn)帶青帶黃毛竹的橫向干縮率均小于去青去黃毛竹的橫向干縮率。比如，當熱處理溫度為210 ℃時，帶青帶黃毛竹的弦向和徑向全干縮率分別下降32.5%和42.4%，而去青去黃毛竹的弦向和徑向全干縮率分別下降31.2%和38.2%，這充分說明了竹青和竹黃的存在可以改善竹材的干縮性，有利于提高竹材的尺寸穩(wěn)定性。

2.3 熱處理對竹材力學(xué)性能的影響

竹材抗彎強度和抗彎彈性模量是評價竹材性質(zhì)的重要指標，2種毛竹試樣經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能變化見圖5。由圖5可知，竹材的抗彎強度和彈性模量在150 ℃處理1 h時，只有小幅度下降，繼續(xù)處理至2或3 h后，開始有明顯降低。之后，隨著溫度的升高和時間的延長，總體呈下降趨勢。當熱處理溫度達到210 ℃時，竹材的力學(xué)性能大幅度降低，帶青帶黃毛竹抗彎強度下降了28.3%，去青去黃毛竹抗彎強度下降了39.8%；帶青帶黃抗彎彈性模量下降了36.2%，去青去黃抗彎彈性模量下降了42.3%。和干縮性一樣，處理溫度是影響竹材力學(xué)性能的主要因素，處理時間為次要因素。高偉[8]研究了高溫熱處理對速生桉木力學(xué)性能的影響，得出了類似的結(jié)果，這主要是因為當高溫熱處理超過180 ℃時，半纖維素發(fā)生降解，導(dǎo)致竹材纖維素之間的柔性連接強度降低，脆性增大[9]。值得注意的是，帶青帶黃毛竹的抗彎強度和彈性模量的下降幅度均小于去青去黃毛竹。

圖5 熱處理對毛竹力學(xué)性能的影響

3 結(jié)論

油浴熱處理是改善竹材性能的有效途徑。熱處理對竹材的含水率影響大，處理后竹材含水率顯著下降，密度增加，干縮率下降，克服了竹材干縮性差的缺點。高溫熱處理后的竹材力學(xué)性能總體呈下降趨勢，過高的熱處理溫度(210 ℃)導(dǎo)致竹材抗彎強度下降28.3%～38.8%，抗彎彈性模量下降36.2%～42.3%。在同樣的熱處理條件下，帶青帶黃竹材的物理力學(xué)性能均高于去青去黃竹材，說明保留竹材的竹青竹黃對熱處理十分有利，且同時能提高竹材的利用率。