中低温热处理对竹材材性的影响

刘炀，曹琳，李金朋

（北京林业大学，北京　100083）

中低温热处理对竹材材性的影响

刘炀，曹琳，李金朋

（北京林业大学，北京100083）

采用温度为75、105、135益，时间为30min的热处理工艺对毛竹（Phyllostachys edulis）材进行处理，分析不同热处理温度对毛竹材性能的影响。研究表明：随着热处理温度的升高，纤维素含量先上升后下降，综纤维素含量下降，木质素含量变化不大，略有下降。密度先上升后下降，干缩率呈下降趋势。顺纹静曲强度和顺纹抗压强度呈下降趋势，抗弯弹性模量变化较少。

热处理；竹材；化学成分；力学性能；物理性质

我国竹资源十分丰富，竹林面积居世界第一位，其中经济利用价值较高、集中成片分布的毛竹林面积占总竹林面积的70%左右[1]。这使得我国近些年来的竹材加工行业得到了极大的发展。竹材高温热处理作为借鉴木材热处理技术而提出的改善竹材性能，提高产品质量的一种方法，其对竹材材性的影响已经有一定的研究成果。经热处理的木竹包装在国际上被更为广泛地认可和接受[2]。已有研究表明[3]，热处理温度对竹材性能的影响比时间更为显著。且根据ISPM15号规定的木包装处理温度56益处理时间30min以上肯定能达到杀死有害生物的效果。本文选取现在研究中空白的中低温段进行研究，对比同时间（30min）不同温度条件下（75、105、135益）毛竹（Phyllostachys edulis）材的主化学成分含量变化，物理性质主要包括（密度、干缩性）以及力学性质（顺纹抗压强度、抗弯强度）的变化，对比结果，并分析变化原因。

1　材料与方法

1.1实验材料与实验设备

1.1.1实验材料

实验用毛竹条（Phyllostachys pubescens）购自浙江某公司，产地为福建南平，竹龄4a生，尺寸为80mm伊10mm伊3mm。经热处理（处理前经过80益水进行软化和展平）后，按照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质实验方法》加工成试样尺寸为10mm伊10mm伊3mm（竹壁厚），供干缩率及密度测试；试样尺寸为20mm伊20mm伊3mm供顺纹抗压强度测试，试样尺寸为160mm伊10mm伊3mm供抗弯强度及抗弯弹性模量测试，共计432个试样。

电镜试样：制作试样尺寸为10mm伊10mm伊1mm的试样供电镜实验使用。

毛竹粉：热处理过的试样用粉碎机粉碎，选取40～60目间的竹粉用作化学成分分析。

1.1.2热处理方法

将制备好的毛竹竹材试样放在热处理机中，采用温度为75、105、135益进行热处理，处理时间皆为30min，然后将处理过的不同温度的试样标记好，在室温条件下水分调置到平衡状态。实验选用瑞士Xorella公司CONTEXXOR PLUS HT-0型热处理机。

1.2实验方法

1.2.1化学成分含量的测量

将未处理毛竹竹材与热处理毛竹竹材分别进行化学成分检测。综纤维素和酸不溶木素含量的测定，分别按国家标准GB/T2677.10—1995《造纸原料综纤维素含量的测定》、GB/T2677.8—94《造纸原料酸不溶木素含量的测定》[4]中规定的方法进行。因国标中无竹材纤维素的测定方法，只有琢-纤维素的测定方法，所以选用了硝酸—乙醇纤维素的测定方法来测定竹材中纤维素的含量。

1.2.2显微构造方面

将未处理毛竹竹材与热处理毛竹竹材分别加工成1mm厚的薄片，长、宽约为10mm的试样，喷金处理后用扫描电镜观察试样的三切面。实验选用日立公司S-3400型扫描电子显微镜。

1.2.3物理性质方面

参照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质实验方法》中的试件尺寸以及实验步骤进行测试。

1.2.4力学性质方面

参照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质实验方法》进行力学性能的测试。

2　结果与分析

2.1热处理毛竹竹材的化学成分分析

未处理竹材纤维素的含量为381.1g/kg，综纤维素的含量为587.2g/kg，木质素的含量为204.1g/kg。经过热处理后，毛竹竹材的化学成分大致变化趋势为：随着热处理温度的升高，木质素的含量上升，综纤维素的含量下降，纤维素含量先上升后下降。

热处理后毛竹竹材的综纤维素、纤维素、木质素、半纤维素的含量变化见图1。由图1可知，热处理温度的升高使竹材纤维素含量呈现先上升后降低的状态，下降幅值为6.4%。热处理后竹材纤维素先上升，是由于处理温度较低，水分开始蒸发，但纤维素还未分解，相对含量增大，105益后含量呈下降趋势，但变化值仅为6.4%，这是由于在加热的作用下纤维素内部发生了热解反应，但因为热处理温度不高并没有达到破坏纤维素大分子的程度[5]，所以变化幅度不剧烈。

综纤维素含量随热处理温度的升高而降低，变化值为3.4%。因为综纤维素在高温条件下容易发生裂解，随着温度的升高裂解加剧[6]。

热处理温度为75和105益时，毛竹材综纤维素的含量较未处理材略高，其原因主要为热处理过程中水分蒸发以及部分易挥发性物质损失[5]。当温度为135益以上时，其含量低于未处理材，其原因可能是综纤维素基团受热，分子内部脱水，其活性增强，生成少量链，生成的链使得促进基团大量分解，从而使其含量低于未处理材[7]。

毛竹竹材木质素含量随热处理温度的升高变化不大，略呈下降趋势。这是由于木质素主要是由苯基丙烷等单元组成，因为其结构为典型的化学键结合，非常稳定，当温度达到200益时才开始分解，所以在200益以下时木质素的变化仅仅是由于纤维素和半纤维素的分解而导致的变化[8]。

图1　温度对主要化学成分含量的影响

对结果进行统计分析，通过比较温度对综纤维素、纤维素和木质素的变异系数可知，温度对它们的含量均有一定影响。但相较而言，温度对纤维素的变异程度为4.341%，大于对综纤维素的变异系数1.428%和木质素的变异程度2.80%。

2.2热处理毛竹竹材的物理性能结果分析

物理性质主要针对密度（气干密度、全干密度和基本密度）、干缩性（弦向全干干缩率、径向全干干缩率、体积全干干缩率）进行研究。实验结果如表1。

从表1可以看出：热处理温度从75益到135益竹材的气干密度先上升后下降，下降了14.6%；竹材的全干密度先上升后下降，下降了13.9%；竹材的基本密度先上升后下降，下降了14.3%。变化趋势与林勇等人对毛竹密度的研究一致[10]。当温度低于105益，随着热处理温度的升高，竹材内部水分减少，而且由于竹材体积减少幅度大于竹材的质量减少幅度，从而导致竹材的密度升高。而当温度大于105益，随着温度的上升，竹材的密度减小，主要是因为竹材内部发生了降解反应[10]。

表1　温度对密度和全干干缩率的影响

径向全干干缩率随着热处理温度的升高而下降，下降了13.3%；弦向全干干缩率随着热处理温度的升高而下降，下降了14.3%；热处理温度的升高使得体积全干干缩率下降，变化幅值为6.3%。竹材干缩率的降低是因为纤维素和半纤维素由于受热含量下降，可能有一定的分解，导致羟基的浓度下降，从而干缩性减小[8]。这与余立琴等对毛竹干缩率的研究结果一致[11]。

2.3热处理毛竹竹材的力学性能结果分析

竹材的力学性质是影响竹材最终如何利用的重要指标之一，对于出口的竹制品更是如此。本实验处理条件下，75、105、135益（30min）的含水率分别为6.3%、6.2%、5.7%，未处理材的含水率为6.9%，力学性质见表2。

表2　温度对力学性质的影响

由表2可知：竹材的MOR（静曲强度）随热处理温度呈下降趋势，而MOE（弹性模量）随着温度的升高先上升后下降。热处理竹材MOR减少了2.54%，MOE增大了3.26%。由于热处理温度的升高使竹材内部化学成分降解，从而导致了竹材力学性能降低。弹性模量的大小受密度的影响，随着温度的升高，在135益变化范围以下，由表1可知，竹材全干密度先增大后减小，从而导致竹材弹性模量也随之发生改变。

由表2可知：热处理对竹材的顺纹抗拉强度的影响非常显著，随着温度的升高，竹材的顺纹抗拉强度大幅度下降。与未处理材相比135益热处理竹材的抗拉强度减少了53.23%；相比之下其对竹材顺纹抗压强度的影响则不明显，仅下降了7.80%。

3　结论

本研究选用了4a生毛竹作为试材，以热处理温度为因素开展实验。研究在不同热处理温度下竹材主要化学成分变化及物理、力学性能的变化。主要得出以下结论：

（1）化学成分。随着热处理温度的升高，纤维素含量先上升后下降，下降了6.4%，综纤维素含量下降，变化值为3.4%，木质素变化不大略有下降。热处理温度对竹材主要化学成分含量的影响显著。

（2）物理性质。随着热处理温度的升高，密度先上升后下降，干缩率呈下降趋势，但幅值较小。

（3）力学性质。随着热处理温度的升高，顺纹静曲强度下降，抗弯弹性模量则呈先上升后下降趋势，分别变化了2.54%、3.26%。顺纹抗拉强度大幅度下降，顺纹抗压强度变化并不明显。

［1］张齐生.竹类资源加工及其利用前景无限［J］.中国林业产业，2007（3）：22-24.

［2］李一农，李芳荣，郑文华，等.国外木包装热处理除害失效原因分析［J］.植物检疫，2005（5）：283-286.

［3］张亚梅.热处理对竹材颜色及物理力学性能影响的研究［D］援北京：中国林业科学研究院，2010.

［4］国家轻工业局行业管理质量标准处援GB/T2677.8—94.造纸原材料酸不溶木素含量的测定［S］援北京：中国标准出版社，1999援

［5］张亚梅，余养伦，于文吉，等援热处理对毛竹化学成分变化的影响［J］援中国造纸学报，2011，26（2）：6原10.

［6］成俊卿援木材学［M］援北京：中国林业出版社，1985：325原332援

［7］汤颖，李君彪，沈钰程，等.热处理工艺对竹材性能的影响［J］.浙江农林大学学报，2014，31（2）：167-171.

［8］包永洁.高温热处理前后竹材主要化学成分及物理力学性能研究［D］：南京：南京林业大学，2009.

［9］WINDEISEN E，STROBELC，WEGENERG援Chemical changes during the production of thermo-treated beech wood［J］援Wood Sci Technol，2007，41（6）：523原536援

［10］林勇，沈钰程，于利，等.高温热处理竹材的物理力学性能研究［J］.林业机械与木工设备，2012（8）：22-24.

［11］余立琴.热处理对竹材线性干缩率的影响［J］.林业机械与木工设备，2013（7）：32原37.

Effect of Heat Treatment in Middle and Low Temperature on the Quarantine of Bamboo

LIU Yang，CAO Lin，LI Jin-peng
（Beijing Forestry University，Beijng 100083）

Heat treatments of 75益、105益and 135益for 30min were applied to bamboo to analyze the impact of different heat treatment temperature on the performance of bamboo.Studies showed that:with the increase of temperature，cellulose content increased and then decreased；whereas holo-cellulose content decreased；lignin content rose.Density rose at first and then decreased，but shrinkage rate declined.MOR parallel to grain and compressive strength parallel to the grain decreased，but shearing strength parallel to grain was less variable.Tear duct internal situation in line with changes in physical pits mechanics. Key words：Heat treatment；Bamboo；Chemicalcomponents；Mechanical properties；Physical properties

S781.9

A

1002-3356（2016）03-0014-03

2016-05-17

北京林业大学大学生创新计划项目-质检处理对竹木材材性的影响（x201510022049）

刘炀（1995-），女，在读本科生，E-mail：nolekobe@sina.com

曹琳（1972-），女，讲师，E-mail：20062008c@163.com