油浴熱處理對(duì)竹材干縮性和力學(xué)性能的影響

岳祥華 左奇玉 張雙燕

(1 國際竹藤中心安徽太平試驗(yàn)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(hù)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(zhǎng)速度快、產(chǎn)量高、力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，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(rèn)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(jì)效益差的缺陷，這與竹材獨(dú)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(qiáng)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(fèi)。此外，竹材含水率的變化會(huì)導(dǎo)致竹材發(fā)生干縮或膨脹，最終會(huì)導(dǎo)致竹制品發(fā)生嚴(yán)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(yán)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(duì)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(rèn)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(jìn)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?xiàng)l件對(duì)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?zé)崽幚淼难芯枯^多，但在竹材高溫?zé)崽幚矸矫娴南到y(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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)稱為“去青去黃”)，系統(tǒng)研究不同溫度(150～210 ℃)和時(shí)間(1～3 h)下竹材各項(xiàng)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(biāo) GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》進(jìn)行試樣采集并進(jìn)行相應(yīng)的試件制作。為分析竹青、竹黃對(duì)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(jī)油為導(dǎo)熱介質(zhì)，采用油浴熱處理對(duì)毛竹材進(jìn)行改性，選用溫度和時(shí)間2個(gè)因素。熱處理溫度設(shè)置為150、180、210 ℃；熱處理時(shí)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(biāo)測(cè)定

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

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)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(shí)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(dāng)溫度為180 ℃時(shí)，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(dāng)溫度提升至210 ℃時(shí)，去青去黃毛竹下降42.86%，帶青帶黃毛竹下降了34.86%。對(duì)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?yàn)橹袂嘁粋?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(duì)毛竹含水率的影響

竹材密度大小反映出竹材細(xì)胞壁中物質(zhì)含量的多少，是竹材一個(gè)重要的指標(biāo)，竹材密度與強(qiáng)度呈正比，即在含水率相同的情況下，竹材密度大，則竹材強(qiáng)度高。圖2為不同熱處理?xiàng)l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(shí)間對(duì)竹材的密度影響較為明顯。隨著熱處理時(shí)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(shì)，超過180 ℃后略有減小。在210 ℃熱處理后，熱處理時(shí)間對(duì)密度幾乎無影響。在相同熱處理?xiàng)l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(duì)毛竹密度的影響

2.2 熱處理對(duì)竹材干縮率的影響

竹材干縮性是竹材固有的缺點(diǎn)之一，對(duì)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(yán)重，對(duì)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(duì)毛竹氣干干縮率的影響

圖4 熱處理對(duì)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?xiàng)l件對(duì)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(shí)間對(duì)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(shí)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(zhǎng)熱處理時(shí)間相比，提高熱處理溫度對(duì)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(shí)間對(duì)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(shí)間延長(zhǎng)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?xiàng)l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(dāng)熱處理溫度為210 ℃時(shí)，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(duì)竹材力學(xué)性能的影響

竹材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是評(píng)價(jià)竹材性質(zhì)的重要指標(biāo)，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(qiáng)度和彈性模量在150 ℃處理1 h時(shí)，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(shí)間的延長(zhǎng)，總體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到210 ℃時(shí)，竹材的力學(xué)性能大幅度降低，帶青帶黃毛竹抗彎強(qiáng)度下降了28.3%，去青去黃毛竹抗彎強(qiáng)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(shí)間為次要因素。高偉[8]研究了高溫?zé)崽幚韺?duì)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?yàn)楫?dāng)高溫?zé)崽幚沓^180 ℃時(shí)，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(qiáng)度降低，脆性增大[9]。值得注意的是，帶青帶黃毛竹的抗彎強(qiáng)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(duì)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(duì)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(diǎn)。高溫?zé)崽幚砗蟮闹癫牧W(xué)性能總體呈下降趨勢(shì)，過高的熱處理溫度(210 ℃)導(dǎo)致竹材抗彎強(qiáng)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?xiàng)l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(duì)熱處理十分有利，且同時(shí)能提高竹材的利用率。