微波和汽蒸加热软化棕榈藤材抗弯性能及材色的比较研究

曹积微　袁　哲　强明礼

（1.西南林业大学材料工程学院，云南昆明650224；2.西南林业大学艺术学院，云南昆明650224）

微波和汽蒸加热软化棕榈藤材抗弯性能及材色的比较研究

曹积微1袁哲2强明礼1

（1.西南林业大学材料工程学院，云南昆明650224；2.西南林业大学艺术学院，云南昆明650224）

采用微波和汽蒸加热的方式对云南省藤、版纳省藤、高地钩叶藤等3种棕榈藤材的进行软化处理，探讨不同软化方式对藤材弹性模量的影响以及软化后藤材的材色变异。结果表明：3种藤材在微波、汽蒸2种加热软化方式处理后均可达到较好的软化效果，其中以微波加热软化效率较高，软化效果较好；加热介质温度越高，加热时间相对较短，如温度较低，则需延长加热时间，才能达到软化目的；软化后的藤材色度学参数均发生不同程度变化，明度ΔL*、饱和度ΔC*和色调角ΔAg*均有所降低，总体色差ΔE*为16～27，但2种软化处理方式对材色的影响未见明显差异。

微波；汽蒸；软化，抗弯强度；抗弯弹性模量；材色；棕榈藤

棕榈藤 （Rattan）属棕榈科 （Pa1mae）省藤亚科（Ca1amoideae）植物，是亚洲热带地区珍贵的非木质资源［1］。藤材软化点低，适当的加热可以提高藤材的塑性，在不改变其机械特性的情况下可铸模、弯曲或改变成各种形状，因而被广泛用于家具工业［2］。在软化过程中，伴随热水抽出物的溶出，藤材明度明显下降，色度学参数发生变化。因此，材色变化的研究对棕榈藤表面性质和价值评价以及变色防治、染色处理等有重要意义。

目前，多数企业生产制造过程中以汽蒸加热软化方式来提高藤材塑性，其生产工艺比较成熟，但汽蒸加热软化时间较长、效率低。微波加热在木材加工中多用于热软化、干燥和改性处理等［3-7］，具有加热均匀，效率高的特点，但少见文献报道将微波加热用于棕榈藤材的热软化处理。本研究通过微波和汽蒸2种加热方式对3种藤材进行加热软化处理，比较2种软化处理方式和不同工艺条件下的软化效果以及软化后藤材表面材色的变化，为棕榈藤的综合加工利用提供理论基础。

1　材料与方法

1.1试验材料

云南省藤 （Calamus yunnanensis）、版纳省藤（Calamus nambaruensis var.χishuangbannaensis）和高地钩叶藤 （Plectocomia himalayana）采自云南省西双版纳州大勐龙镇，藤条去除叶鞘后自然气干。藤材均生长正常，基本信息见表1。

表1　3种藤材基本情况Tab1e 1　Information of three sPecies rattan

1.2试验设备

试验所用加热设备为格兰仕WD900型微波炉，最大输出功率 900 W，微波频率为 2 450 MHz；LDZM-80KCS立式压力蒸汽灭菌器。材色测量采用SC-80C全自动色差计。弹性模量利用日本岛津AG-I万能力学试验机测试。

1.3试验方法

1.3.1微波、汽蒸加热软化试验

实际生产中，影响软化质量的因素很多，如原材料种类、软化方法和软化工艺条件（含水率、加热条件等）。试验前先将3种藤材在水中浸泡14 d，使含水率达到100%。在微波加热设备中分别以180、360、540、720 W功率加热软化；在汽蒸加热设备中，0.15 MPa压力条件下，分别以 105、115、121、126℃过热饱和蒸汽加热软化。测定软化后藤材的抗弯弹性模量。

1.3.2抗弯弹性模量测试

国内外关于藤材抗弯弹性模量测试缺乏相关标准，试验参考国内外棕榈藤力学性能测试方法进行。试样为160 mm×直径（D）的整藤试样，采用中央单点加荷三点弯曲，跨距为120 mm，加荷辊和支承辊直径均为15 mm，加载速率为20 mm/min，并计算其抗弯弹性模量［8-10］。

1.3.3材色测定

材色测定采用1976年CIE（L*a*b*）标准色度学表征系统对藤材软化前后颜色进行表征，主要视觉物理参数为明度（L*）、色差（ΔE*）、色调角（Ag*）以及色度指数 （a*和b*）。由下列公式计算［11-13］：

式中：ΔL*为明度差；Δa*为红绿轴色品差；Δb*为黄蓝轴色品差；C*为饱和度；ΔC*为饱和度差；ΔE*为总体综合色差，简称色差；ΔAg*是色相角差，正值表示色相角逆时针变化，负值表示色相角顺时针方向变化。下标t表示处理后的参数测量值；下标0表示处理之前的测定值。

2　结果与分析

2.1软化处理对藤材抗弯弹性模量的影响

软化前，3种藤材抗弯强度和抗弯弹性模量见表2。

表2　3种藤材抗弯性能Tab1e 2　MOR and MOE for three sPecies rattan

抗弯强度和抗弯弹性模量从大到小依次为云南省藤＞版纳省藤＞高地钩叶藤。在达到破坏时，藤材的变形量都很大，与木、竹材相比，藤材塑性良好，易于弯曲定型［14-16］。

饱水处理后的藤材经加热，在温度和湿度的作用下，一部分半纤维素溶解成流体状态，纤维素无定形区分子链上游离羟基吸附水分，使纤维素间隙中水膜增厚，分子间距离增大，吸引力减小，有利于纤维素分子间的相对移动，从而达到软化的目的［17-18］。

微波加热软化3种藤材，不同功率、不同软化时间其抗弯弹性模量见图1。

图1　微波软化后3种藤材的抗弯弹性模量Fig.1　The MOE of microwave heating softening for three sPecies rattan canes

由图1可知，云南省藤在360 W功率下加热2 min时MOE最低，为364.14 MPa，约为未软化云南省藤的18%；版纳省藤在360 W功率下加热3 min时MOE最低，为62.37 MPa，约为未软化版纳省藤的7%；高地钩叶藤在540 W功率下加热3 min 时MOE最低，为75.06 MPa，约为未软化高地钩叶藤的12%。3种藤材的MOE均随加热时间及加热功率的增加而出现不同程度的增长。在一定范围内，软化温度越高及加热时间越长，软化效果越好：云南省藤和版纳省藤在360～540 W功率下加热2～3 min，软化效果相对较好；高地钩叶藤在360～540 W加热3～5 min，软化效果较好。超过这个范围以后，继续升温或延长加热时间，会使材料结构找到破坏而降低软化效果。

微波加热后藤材弹性模量降低，易于变形，这是由于加热使藤材温度升高，虽然未达到纤维素的热软化温度，但在水热的共同作用下使半纤维素和木素各自达到了热软化温度［19-20］。3种藤材的微波软化试验表明，藤材在微波中加热快速均匀，软化效果好。

汽蒸加热软化3种藤材，不同功率、不同软化时间其抗弯弹性模量见图2。

图2　汽蒸软化后3种藤材的抗弯弹性模量Fig.2　The MOE of steaming heating softening for three sPecies ranttan canes

由图2可知，云南省藤在115℃条件下加热软化80 min后，MOE最低，为506.81 MPa，约为未软化云南省藤的25%；版纳省藤在121℃条件下加热软化40 min后，MOE最低，为90.63 MPa，约为未软化版纳省藤的10%；高地钩叶藤在121℃条件下加热软化60 min后，MOE最低，为 135.62 MPa，约为未软化高地钩叶藤的22%。汽蒸软化处理后的试件含有大量水分，因此必须将水分降低到使用状态下的含水率。

对比2种软化处理方式发现，3种藤材的微波软化效率明显高于汽蒸加热软化，经微博软化后藤材的MOE也低于汽蒸软化后该藤种试样，软化效果较好。不同藤种的最佳软化条件有所不同，热软化差异程度取决于其半纤维素和木素的含量比例不同。有关试验［2］表明，软化程度取决于热量提供情况，加热介质温度越高，加热时间相对较短；当温度较低时，则需延长加热时间，才能达到软化目的。

2.2软化处理对藤材材色的影响

将上述最优工艺条件下软化后的3种藤材进行材色测定，比较软化前后藤材变色情况，其色度学参数见表3。

表3　微波、汽蒸加热处理后3种藤材的色度学参数Tab1e 3　Effect of microwave and steaming heating on chromatic Parameters of samP1es

由表2可知，3种藤材经微波和汽蒸加热软化处理后，色度学参数均发生不同程度的变化。处理后藤材的明度均明显降低，微波处理后的云南省藤、版纳省藤、高地钩叶藤较处理前分别降低了30.60%、35.02%、40.14%；汽蒸加热软化处理后的云南省藤、版纳省藤、高地钩叶藤较处理前分别降低了28.87%、42.82%、42.78%。经软化处理后，藤材材色均出现偏红和偏蓝的现象，以Δb*降低较为明显，色品偏蓝；藤材饱和度ΔC*降低，其中高地钩叶藤的汽蒸处理饱和度下降9.29，明显大于其微波处理材色下降程度；色调角ΔAg*均降低；总体色差ΔE*为16～27，其中以高地钩叶藤和版纳省藤处理前后色差较大，云南省藤次之。

3种藤材经软化处理，色度学参数均发生不同程度的变化，这可能与藤材受温度和湿度共同作用有关，其内部可能既有发色和助色基团高温氧化，也有抽提物挥发或水解溶出。由于棕榈藤材质变异性大，因此微波、汽蒸处理过程对藤材材色的影响机理、材色变化的主要因素及材色变化与材性之间的关系等有待深入研究［21-22］。

3　结　论

1）微波加热软化3种藤材：云南省藤在360 W功率下加热2 min时MOE为364.14 MPa；版纳省藤在360 W功率下加热3 min时MOE为62.37 MPa；高地钩叶藤在540 W功率下加热3 min时MOE为75.06 MPa。汽蒸加热软化3种藤材：云南省藤在115℃条件下加热软化80 min后，MOE为506.81 MPa；版纳省藤在121℃条件下加热软化40 min后，MOE为90.63 MPa；高地钩叶藤在121℃条件下加热软化60 min后，MOE为135.62 MPa。2种软化方式均可以达到较好的软化效果，但超过一定范围以后，继续升温或延长加热时间，会使材料结构找到破坏而降低软化效果。

2）微波加热方式软化棕榈藤材高效、均匀，在短时间内可以达到较好的软化效果，但微波加热设备使用局限大，工艺条件难于控制；汽蒸加热方式软化棕榈藤材工艺比较成熟，是目前多数中小型企业生产过程中采用的主要热软化处理方式，但软化时间长，效率低。同时，由于不同藤种间的热软化差异，生产过程中，应根据实际情况对不同材料的不同软化工艺做出相应调整。

3）经微波和汽蒸软化处理的藤材色度学参数均发生不同程度变化：明度ΔL*、饱和度ΔC*和色调角ΔAg*均有所降低，总体色差ΔE*为16～27，但2种软化处理方式对材色的影响未见明显差异。

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（责任编辑曹龙）

ComParison on Bending ProPerties and Co1ors of Rattan Canes with Microwave and Steaming Softening Techno1ogy

Cao Jiwei1，Yuan Zhe2，Qiang Ming1i1

（1.Co11ege of Materia1s Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China；2.Co11ege of Art，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

The effect of different softening methods on modu1us of e1asticity（MOE）and chromatic Parameters of three sPecies rattan canes，inc1uding Calamus yunnanensis，Calamus nambaruensis var.χishuangbannaensis，and Plectocomia himalayana was studied with microwave and steaming heating methods.The resu1ts showed that the softening resu1ts of both two methods for three sPecies rattan were good，the softening efficiency and softening resu1ts of microwave softening were better.The higher the heating medium temPerature was，the shorter the heating time was，the heating time wou1d be increased with 1ower temPerature medium in order to achieve better softening resu1ts. Chromatic Parameters of samP1es treated by microwave and steaming heating were changed，1ightness ΔL*，saturation ΔC*and hue ang1e ΔAg*va1ues decreased，tota1 chromatic aberration ΔE*was increased and its range was about 16 to 27.There was no significant different between these two methods on chromatic Parameters.

microwave，steaming，softening，bending strength，modu1us of e1asticity，rattan co1or，rattan

S784

A

2095-1914（2016）04-0158-05

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.04.026

2015-11-12

云南省应用基础研究计划项目（2012FB167）资助。
第1作者：曹积微（1990—），男，硕士生。研究方向：棕榈藤材弯曲工艺及机理。Emai1：caojiwei.mai1@qq.com。

袁哲（1975—），女，博士，副教授。研究方向：家具设计、家具材料与工艺。Emai1：yuan-zhe@sohu.com。