高温热处理对竹束颜色和平衡含水率的影响

孙润鹤，刘 元，李贤军，侯瑞光，乔建政

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

高温热处理对竹束颜色和平衡含水率的影响

孙润鹤，刘 元，李贤军，侯瑞光，乔建政

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

在4个不同的温度和时间水平下，对新鲜毛竹竹束进行了高温热处理，研究了处理温度和时间对竹束颜色和平衡含水率的影响规律。结果表明：热处理能使竹束颜色均匀加深，获得不同的装饰效果；随着处理温度和时间的增加，竹束的明度和黄蓝色品指数显著降低；竹材的平衡含水率呈逐渐降低的趋势。在本研究范围内，与对照件相比，通过高温热处理最大可使竹束明度、黄蓝色品指数分别降低66.28%、63.36%，平衡含水率降低41.94%。

毛竹竹束；热处理；颜色；平衡含水率

我国竹林面积、蓄积量、竹业产值均居世界首位，素有“竹子王国”之称[1-4]。与木材相比，竹材具有强度与硬度大、韧性好、纹理优雅美观等特点，是制造工程结构和家装材料的理想原料[5-10]。但与此同时，竹材内淀粉、糖类物质含量丰富，使得其在加工和使用过程中极易受到细菌（如霉菌、腐朽菌）和害虫（如白蚁、木蠹虫）的侵袭，严重影响了其装饰效果和使用寿命[11]。为减少细菌和害虫对竹材和竹制品的危害，提高竹制品的耐腐、抗虫和尺寸稳定性，在竹制品生产过程中，一般需要对竹材进行高温炭化和干燥处理，其工艺过程一般为：在温度为120～140℃的高温处理罐内，采用锅炉供给的饱和水蒸汽对竹材炭化处理1～4 h，将竹材炭化为咖啡色，然后再将炭化后的竹材重新

堆垛，送入常规干燥室将其干燥至含水率在12%以下[12-15]。该工艺存在着操作繁琐、劳动强度较大（需要两次堆垛、两次拆垛）、工作效率低、处理时间较长的缺陷。本研究在借鉴业已成熟的木材炭化处理技术的基础上，将竹材的干燥与炭化处理工序合二为一，系统研究热处理对重组竹制造用竹束颜色和平衡含水率的影响规律，以期为简化重组竹生产工序、降低成本提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材 料

疏解新鲜毛竹Phyllostachys pubescens竹束，购自湖南益阳桃江县，竹龄4年。竹束含水率大于50%，长度为450 mm。竹束试件要求无变色、霉变等可见缺陷。

1.2 仪器与设备

高温热处理箱（长沙市金来林业有限公司，型号:Ф325×650）；WCS-色差仪（上海精密科学仪器有限公司，型号:WSC-S）；全自动电脑恒温干燥箱(杭州蓝天化验仪器厂，型号：DHG-9203C )。

1.3 方法与步骤

对竹束进行干燥和高温热处理时，干燥温度恒定为120℃，热处理温度（140、160、180和200℃）和时间（0.5、1、2和3h）均为4个水平，总共进行16组干燥-热处理试验。在干燥-热处理的初期升温段，从室温升高到120℃，升温速度控制在20℃/h，在120℃附近保温至竹束含水率干燥到12%以下。当竹束含水率降低到12%以内后，再将高温热处理箱内温度升高到试验设定值（140、160、180和200℃），并保持相应时间（0.5、1、2和3h）。干燥-热处理结束后，关闭加热器，使高温热处理箱温度逐渐降低到80℃，再打开蒸汽发生器对竹束进行调湿处理(约10 min)。调湿结束后，将高温热处理箱温度降至室温，再取出竹束，在室内放置30 d后用于颜色和平衡含水率的测量。木材颜色的测量和计算采用国际照明委员会推荐的CIE标准色度学系统（L*a*b*）进行。测量热处理竹和对照件的平衡含水率时，先称取在室内放置30 d后的竹束初始质量，再将其烘至绝干，称取绝干质量,反算出不同处理条件下竹束的平衡含水率。

2 结果与讨论

2.1 高温热处理对竹束颜色的影响

图1显示了干燥-热处理竹束与对照竹束的外观颜色对比。在图中，除了对照竹束外，每1行中的4个热处理试件具有相同的处理温度（温度标在图右边），每1列具有相同的处理时间（时间标在图下边）。从图中可以看出，处理温度达到160 ℃以上，与对照竹束相比，竹束呈现出明显的装饰性咖啡色，温度越高，竹束颜色变化越大。在同一热处理温度条件下，随着热处理时间的延长，竹束颜色略呈增加趋势；温度越高，处理时间对竹束颜色变化的影响越不显著。除了定性观察干燥-热处理处理前后竹束颜色的直观变化外，本研究还使用色差计定量分析了干燥-热处理对竹束明度（L*）和黄蓝色品指数（b*）的影响规律。

图1高温热处理处理竹束与对照竹束颜色对比Fig. 1Color comparison of thermal treated and untreated bamboo bundles

图2 和图3分别表示了干燥-热处理对竹束明度和黄蓝色品指数的影响规律。由图2可知，随着热处理温度的升高和时间的延长，竹束的明度L*逐渐降低。与对照件（L*=71.74）相比，在本研究范围内，通过热处理可以使竹束的明度降低13.71%～66.28%。当处理温度高于140 ℃时，提高处理温度和延长处理时间能显著降低竹束的黄蓝色品指数，但温度在140 ℃时，高温热处理对竹束黄蓝色品指数的影响不明显（见图3）。与对照件（b*=20.4）相比，在本研究范围内，通过热处理可以使竹束的黄蓝色品指数最多下降63.36%。在上述两个色度学参数中，热处理对竹材明度的影响最为显著，对黄蓝色品指数的影响次之。方差分析表明，热处理温度和热处理时间对竹束明度和黄蓝色品指数有显著影响，但热处理温度对竹束颜色的影响程度比热处理时间对竹束颜色的影响程度要大。

高温热处理竹材颜色的改变主要归因于热处理过程中竹材细胞壁内主要成分的降解，尤其是半纤维素中戊聚糖的降解[16-18]。另外一个造成竹材颜色改变的重要原因是竹材抽提物，特别是是酚类物质含量的改变。需要指出的是，与染色不同，高温热处理改变颜色具有整体性和均匀性，不会出现染色处理过程中经常发生的着色不均匀和易脱色的情况。因此，当需要获得比竹材本色深的装饰性颜色时，高温热处理不失为一种环保、可行、经济的竹材调色方法。

图2 高温热处理对竹束L*的影响Fig.2Effect of heat treatment on L＊ of bamboo bundles

图3高温处理对竹束b*的影响Fig.3Effect of heat treatment on b＊ of bamboo bundles

2.2 高温热处理对竹束平衡含水率的影响

图4 表示了在热处理时间均为4 h时，热处理温度对竹束平衡含水率的影响规律。从图中可以看出，所有热处理竹束的平衡含水率都明显低于对照竹束的平衡含水率，且随着热处理温度的提高，竹束的平衡含水率逐渐降低。当热处理温度为140、160、180和200℃时，竹束的平衡含水率分别为15.32%、15.08%、13.00%和10.80%，与对照竹束（EMC为 18.60%）相比，其平衡含水率分别降低了17.63%、18.92%、30.11%和41.94%。方差分析也表明了在140～200℃范围内，热处理温度对竹材平衡含水率的影响非常显著。

图5表示了热处理温度均为200℃时,热处理时间对竹束平衡含水率的影响规律。从图中可以看出，经过不同时间的高温热处理后，所有热处理竹束的平衡含水率都低于对照竹束，且随着热处理时间的延长，竹材的平衡含水率逐渐降低。当热处理时间为0.5、1、2、3h时，竹束的平衡含水率分别为14.95%、12.45%、11.66%、10.80%。与对照竹束相比，其平衡含水率分别降低了19.62%、33.06%、37.31%、41.94%。方差分析表明热处理时间介于0.5～3h时，热处理时间对竹材平衡含水率的影响显著。但与热处理温度对竹材平衡含水率的影响程度相比，热处理时间对竹材平衡含水率的影响程度要小。

图4 热处理温度对EMC的影响Fig.4 Effect of heat treatment on EMC with different temperature

图5 热处理时间对EMC的影响Fig.5 Effect of heat treatment on EMC with different time

从上述试验结果可以看出，对竹束进行干燥-热处理处理可以显著降低竹束的平衡含水率，且随着热处理温度的升高和处理时间的延长，竹束平衡含水率降低越大。其原因可能是：在高温热处理过程中，竹材细胞壁纤维素非结晶无定形区内的纤维素分子链之间的羟基发生架桥反应，脱出水分，产生醚键，导致无定形区内微纤丝的排列更加有序，纤维素游离羟基的数量减少，吸湿性能下降；另外，竹材内半纤维素多聚糖分子链上的乙酰基发生水解而生成醋酸，使得吸水性较强的羰基数量减少，半纤维素的吸湿性能下降；最后，在热处理过程中，细胞壁3大成分物质中具有很强吸湿性的半纤维素含量降低，使得吸湿性整体下降[19-22]。以上3大因素共同作用，使得高温热处理后竹束吸湿性能降低，从而使以竹束为构成单元的重组竹的尺寸稳定性得到提高。最后，需要指出的是，与现有的竹材高温高压饱和水蒸气高温热处理工艺相比，采用本研究所发明的常压干燥-热处理工艺可以简化工序，显著降低劳动强度，减少处理时间，提高劳动效率，但其处理温度要提高近70℃，竹材的脆性有所增加。

3 结论

本研究在4个温度水平（140、160、180和200℃）和4个时间水平（0.5、1、2和3h）下对毛竹竹束进行高温热处理，研究了处理温度和处理时间对竹束颜色的影响规律。结果表明：

（1）在本研究范围内，通过高温热处理可以使竹束的颜色均匀加深，从而使重组竹板材的装饰性增强；干燥-热处理可以使竹束明度（L*）降低13.71%～66.28%，黄蓝色品指数（b*）最高可降低63.36%；热处理对竹材明度影响最显著，对黄蓝指数的影响次之。

（2）随着热处理温度和时间的延长，竹束的平衡含水率（EMC）逐渐降低，其最高降低幅度可达10.80%。

（3）热处理温度对竹束的明度（L*）、黄蓝色品指数（b*）和平衡含水率（EMC）的影响程度比热处理时间的影响程度显著。

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Effects of heat treatment on color and equilibrium moisture content of mao-bamboo bundles

SUN Run-he, LIU Yuan, LI Xian-jun, HOU Rui-guang, QIAO Jian-zheng
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The experiments of heat treatment for bamboo bundles were conducted at 4 varying temperatures and 4 varying durations,and the effects of treatment temperature and duration time on the color and equilibrium moisture content(EMC) were investigated. The results show that heat treatment can make the color of mao-bamboo bundles uniformity darken and thus get different decoration effects;and the lightness and yellow-blue value of bamboo bundles signif i cantly decreased with increasing temperature and duration time，while the red-green value varied irregularly, EMC also became lower; and thermal treatment can decrease the lightness yellow-blue value and EMC of bamboo bundles went up to 66.28%, 63.36% and 41.94%.

bamboo bundles of Phyllostachys pubescens; heat treatment; color; equilibrium moisture content

S784

A

1673-923X(2012)09-0138-04

2012-05-17

湖南省科技重大专项（2011FJ1006），教育部新世纪优秀人才支持计划项目；湖南省科技支撑计划项目( 2010NK3039)

孙润鹤(1987)，男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为木材材性与功能性改良；E-mail: sunrh_mu@163.com

刘 元(1960-)，男，湖南衡阳人，博士，教授，博导，主要研究方程为木材功能性改良；E-mail:liuyuan60@hotmail.com

[本文编校：欧阳钦]