高温热水处理工艺对竹重组材颜色耐久性及表面形貌的影响

庄仁爱，章卫钢，李延军,*，王书强，王 丽，庞小仁

高温热水处理工艺对竹重组材颜色耐久性及表面形貌的影响

庄仁爱1，章卫钢1，李延军1,2*，王书强1，王 丽1，庞小仁2

（1. 浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300；2. 浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 临安 311300）

以毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）碾压疏解竹束为原料，对其进行120、140、160℃各60 m in，160℃各30、60、90 m in的高温热水处理并压制成竹重组材，运用紫外老化试验箱加速老化方法对老化前后的竹重组材进行颜色变化分析，并运用扫描电子显微镜观察高温热水处理工艺前后的竹重组材表面形貌。结果表明：竹重组材颜色稳定性随着高温热水处理温度的升高而提升，160℃下ΔE*ab（处理前后颜色变化的大小）值最小为9.1，而处理时间对颜色稳定性的影响并不显著；扫描电镜结果表明，经过高温热水处理后的竹重组材相比未经处理的竹重组材的表面破坏程度大，表面组织也变得更加的松散，而未处理的竹重组材表面要相对致密。

竹束；高温热水处理；竹重组材；紫外老化；表面形貌

竹重组材是以竹束为基本单元，按照顺纹方向组坯经过热压或者冷压工艺胶合而成的一种复合材料[1]，竹重组材对竹材的径级没有特殊要求，而且在加工过程中纤维排列方向没有被打乱，其物理力学性能超过竹材，并且竹重组材有良好的纹理和色泽，因此具有很好的应用前景[2]。然而，竹材中含有较高的淀粉、糖类及蛋白质等有机物质，所以在储存、使用等过程中会发生如霉变、虫蛀和开裂等问题[3～4]。因此，对竹重组材进行改性处理，提高其尺寸稳定性，延长竹材人造板的使用寿命是很有必要的[5]。

高温热水处理是一种简单环保无污染的热处理改性竹材的方法，可以使竹重组材的尺寸稳定性、防腐性以及生物耐久性得到提高[6～8]。本试验采用美国标准ASTM G154 CYCLE6对热水抽提后的竹重组材进行紫外老化处理，通过测量紫外老化后竹重组材表面颜色的变化，来评价高温热水处理工艺后竹重组材的颜色耐久性。

1 材料与方法

1.1 试验材料和方法

竹束：购于浙江永裕竹业股份有限公司，毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）竹片去青去黄，进行碾压疏解。锯制后试件的尺寸为：长450 mm，宽10 ～ 30 mm，厚2 ～ 5mm，初含水率为10% ～ 12%。

胶黏剂：酚醛树脂胶黏剂，购于浙江永裕竹业股份有限公司，固含量为36%，密度为1.16g/cm3。

1.2 试验设备

电热蒸煮锅（ZQS1）；压力成型机（XLB-D500×500）；烘箱（LC-213 爱斯佩克）；紫外老化实验箱（QUV）；全自动测色色差仪（DP-3）；扫描电子显微镜（SEM）等。

1.3 试验方法

1.3.1 竹束热水抽提 将竹束置于容量15 L的电热蒸煮锅中进行高温热水处理，处理条件分别为120、140、160℃和时间60 m in，处理温度为160℃和时间30、60、90 min。每次处理时，竹束与水的质量比为1：10，设备以3℃/min的速率升温至预设温度，保温达到预定时间后进行卸压，然后取出试件风干、干燥至含水率为12%待用。

1.3.2 竹重组材的压制 将竹束浸于酚醛树脂胶黏剂中，取出沥干10 min，使浸胶量达到14%左右；然后将浸胶后的竹束置于50℃的干燥箱中，干燥至含水率为 8%左右；采用手工组坯方式将竹束进行纵向组坯，板坯的尺寸为450 mm×300 mm×12 mm（长×宽×厚），将板坯放置在模具中进行热压，热压参数：热压温度为160℃，热压时间为12 min，热压压力为5.5MPa。将制备好的竹重组材坯料在自然环境下放置2 ～ 3 d，再进行锯裁、砂光。

1.3.3 紫外老化试验 根据美国标准ASTM G154 CYCLE6紫外老化试验标准进行老化试验，将试样板材放在紫外光耐气候老化试验箱的试样架上，对板材首先进行光照辐射8 h，光照强度为1.55 W/m2，温度为60℃，然后到冷凝阶段，温度为50℃，时间为4 h。将试样按照这个循环方式加速老化24、36、48、96、192 h后，分别进行各项性能测试。

1.3.4 SEM测试 首先将竹重组材锯制成5 mm×5 mm的小试块，用刀刮平表面，放入抽真空喷金设备的样品托中，喷金约90 s。然后将试样放入扫描电镜样品托上，抽真空，待压力达到规定要求后，开始观察。

1.3.5 性能测试 采用北京市兴光测色仪器公司生产的 DP-3型全自动测色色差仪检测色差，测量中使用 D65光源，测量探头的直径为8 mm，测量可直接得到L*、a*、b*值，然后按公式（1）计算色差：

式中，△L*和△a*、△b*分别代表处理前后L*、a*、b*值的变化值。△E*ab值大小代表处理前后颜色变化的大小。

2 结果与分析

2.1 表面颜色变化

从图1中可以看出，在前36 h内，竹重组材的明度指数L*值均随着辐射时间的增加而明显下降，辐射36 h后数值变化较小，其中未处理和120℃处理的竹重组材降幅相比于140℃和160℃的显著，分别是20.9%、21.5% 和14.2%、15.2%。色品指数a*值总体呈上升趋势，其增长趋势与明度指数L*值下降趋势基本一致，在36 h内，未处理和120℃处理的竹重组材a*值增长幅度较大，而140℃和160℃处理的竹重组材a*值增长幅度较小，变化趋势平缓。色度指数b*值，同L*值和a*值一样，在36 h内增速较快，但之后随着辐照时间的增加基本保持不变。总色差ΔE*ab随着辐照时间的增加而增大，其中160℃处理的竹重组材的变化值最小，仅为9.1，其次依次为140℃、120℃和未处理试件，这说明随着热水处理温度的升高，竹重组材的表面颜色在紫外光照条件下的变化越小，高温热水处理有助于竹重组材颜色稳定性的提高。

图1 不同温度热水处理后竹重组材紫外老化后的颜色变化（t = 60 min）Figure 1 Color difference of ultraviolet aged reconstituted bamboo lumber with different temperature hot water treatment（t=60min）

从图2中可以看到，明度指数L*值随着老化时间的延长而呈现下降的趋势；色品指数a*值与色品指数b*值则相反，但呈现大致相同上升趋势；总色差ΔE*ab也是随着时间的延长而增加，但是从图中可以看到经过 30、60 min热水处理后竹重组材的颜色稳定性与经过90 min热水处理后的竹重组材的颜色稳定性基本保持在同一水平，由此可以看出时间对竹重组材颜色的影响并不显著。竹重组材的颜色变化主要由于竹材内部含有发色基团和助色基团，而这些基团主要存在于木质素以及少量的黄铜、木酚素等结构中。高温热水处理的过程中，竹重组材中的木质素含量会随着热水处理温度的上升和时间的增加而降解，竹材内部的抽提物质也会随着在热水处理过程中从木材内部移至表面，从而使竹重组材的颜色趋于稳定。

图2 不同时间热水处理后竹重组材紫外老化后的颜色变化（T = 160℃）Figure 2 Color differentce of ultraviolet aged reconstituted bamboo lumber with different duration of hot water treatment（T = 160℃）

2.2 高温热水处理前后竹重组材的表面形貌

图3 扫描电镜下竹重组材表面形貌Figure 3 SEM images of surface of reconstituted bamboo lumber

从图3可以发现，经过高温热水处理的竹重组材的表面破损程度较大，表面的组织变得较松散，而未经高温热水处理的竹重组材表面相对比较致密。主要是在高温热水处理的过程中，竹重组材中的半纤维素和木质素会随着热水处理温度的上升和时间的增加而逐渐降解，导致竹材内部组织疏松、松散。

3 结论

（1）毛竹竹重组材颜色稳定性随着高温热水处理温度的升高而提升，160℃下ΔE*ab值最小为9.1，而高温热水处理时间对竹重组材颜色稳定性的影响并不显著。

（2）通过电镜扫描可以发现，经过高温热水处理的竹重组材的表面破坏程度比未经高温热水处理的竹重组材的表面破坏程度要高，表面组织也变得更加的松散，而未处理的竹重组材表面要相对致密。

[1] 赵仁杰，喻云水. 竹材人造板工艺学[M]. 北京：中国林业出版社，2002.

[2] 张自斌，周光益，林亲众. 我国丛生竹研究进展与问题探讨[J]. 热带林业，2007，35（2）：12－15.

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Effect of Hot Water Treatment on Color Fastness and Surface of Reconstituted Bamboo Lumber

ZHUANG Ren-ai1，ZHANG Wei-gang1，LI Yan-jun1,2*，WANG Shu-qiang1，WANG Li1，PANG Xiao-ren1
（1. School of Engeering, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Wood Science and Technology, Lin’an 311300, China）

Bamboo bundles were hot water treated at 120, 140, 160℃ with duration of 60 minutes, and at 160℃ with duration of 30, 60 and 90 m inutes, and then treated bundles were pressed to reconstituted bamboo lumber(RBL). Color fastness of RBL was tested by climate chamber, and surface of RBL was observed by SEM. The results showed that the color fastness of RBL increased with temperature, the m inimum color difference under 160℃ was 9.1, and treatment duration had no evident effect on color fastness. SEM demonstrated that surface of treated RBL was damaged compared with no treatment.

bamboo bundles; hot water treatment; reconstituted bamboo lumber; ultraviolet aging; surface morphology

S781.6

：A

1001-3776（2016）02-0054-04

2015-08-09；

：2016-01-18

浙江省自然科学基金（LZ13C160003，LY16C160009）；浙江省科技厅项目（2013C14006，2015F50051）；浙江省林业工程一级重中之重学科开放基金（2014lygcz005）

庄仁爱（1991－），男，硕士研究生，从事木材科学与技术研究；*通讯作者。