竹丝装饰材的湿缓冲特性研究∗

李 晖 刘 嵘 陈美玲 吕黄飞 费本华

竹材是一种多孔隙的纤维及树脂自然胶结物，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其分子链上的游离羟基使竹材具有很多能与水结合的亲和点，在大气中容易吸水和蒸发水分，具有良好的环境调湿性[1]。虽然以竹材为基材的装饰材料都具备吸湿解吸的功能，但由于加工工艺的不同，调湿效果大不相同。与薄竹贴面材料、竹家具材、竹地板材等胶合类产品比较，竹丝装饰材料的调湿功能更胜一筹，主要原因在于上述产品是经过热压胶合而成，在热压过程中竹材单元受到压力，原有的垂直纤维长度方向的微观结构遭到破坏。此外，在板坯压实过程中，胶黏剂加速流动，较均匀地扩散渗透到板材的缝隙中去[2]，堵塞了竹材的水分疏导组织，从而限制产品与室内环境中水分的交换。而竹丝装饰材制造过程避免了胶黏剂等树脂、有机物的加入，可保持竹材原生特性具有良好的吸湿解吸能力，这种“被动调节能力”可提高室内环境舒适度和安全性。

竹、木装饰材料的环境学特性研究，多集中在视觉、触觉以及心理感知上[3-5]，虽然有学者对吸湿性能（调湿性能）进行研究[6-8]，但其主要评价指标通常是材料吸放湿的快慢、吸放湿量的大小[9-12]，这些在平衡状态下的吸湿、解吸所测得的物理量在工程中的实际应用已经不能满足能耗计算或者节能设计的要求。因此，需要在周期性变化的动态过程中了解材料的吸放湿能力，即湿缓冲特性。

笔者以未处理和经过阻燃处理、防霉阻燃处理的三种竹丝装饰材为研究对象，通过NORDTEST实验对其湿缓冲值进行测定，并结合长江中上游地区夏季湿度变化规律对测试区间进行调整，确定竹丝装饰材料在高湿环境下的湿缓冲值，探讨了该类材料在室内环境评价中的实际应用价值。研究结果将填补竹丝装饰材湿缓冲性能的空白，测试结果可直接应用于室内节能设计和评估，以量化的方式证明了竹丝装饰材所具备的调湿性能，对竹丝类系列产品的推广应用具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

竹丝装饰材：原料为采自浙江安吉的6年生毛竹[phyllostachys edulis (carr.)J.Houz]。去竹青去竹黄后加工成宽度为5 mm的竹丝，再横向编织制成竹丝装饰材料，其中将近青面的竹丝装饰材标记为OB，近黄面的则标记为IB。

阻燃处理竹丝装饰材：采用满细胞法对以上材料进行磷酸脒基脲阻燃剂的加压浸注，在抽真空加入阻燃剂后在负压0.04 MPa条件下浸渍24 h，卸载完成后持续加压，在压力为0.5～1.2 MPa下浸渍处理60 h。

表面防霉处理竹丝装饰材：对阻燃改性竹丝装饰材表面进行有机碘化物（IPBC）硅丙乳液涂饰，涂饰量为100～150 g/m2。

磷酸脒基脲阻燃剂：液体试剂质量分数为25%，由北京盛大华源科技有限公司提供。

1.2 主要仪器设备

恒温恒湿箱（上海一恒LHS-HC-I型），电子天平，饱和盐溶液干燥器，FEI环境扫描电镜（美国FEGXL30），X-射线衍射仪（美国X’Pertpro 30X）

1.3 试验方法

研究采用NORDTEST法测定湿缓冲值[13-14]。将未处理竹丝装饰材料（C）以及阻燃处理（NP）、防霉涂饰后的改性材（NP4）分为3组（见表1），每组 10个试件。为考察竹丝装饰材在我国长江中上游地区高湿环境下的湿缓冲特性，对武汉地区的3处办公场所（非中央空调模式）进行了为期3个月的湿度变化调研，基本确定7—9月武汉地区室内相对湿度变化区间为60%～85%，基于以上区间，对NORDTEST法的湿度区域进行了相应调整，使之接近真实状况。

试件的尺寸均为100 mm×100 mm×2 mm。试验采用干燥器法，以装有饱和盐溶液的干燥器为基本设置，通过氯化镁(MgCl2)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)和溴化钠(NaBr)饱和溶液调节干燥器相对湿度分别为33%、75%、85%和60%[15]。

竹丝装饰材试样需要在相对湿度为（50±5）%、温度（23±0.5）℃的条件下进行调制处理，直到连续72 h内试样的质量保持恒定为止，确保试样在同一含水率水平。试验以24 h为1个周期，分为吸湿和放湿2个阶段，其中8 h的吸湿阶段和16 h的放湿阶段组成一个完整的材料吸放湿周期。该试验进行4个重复周期得到多个连续周期内竹丝装饰材的质量变化量-时间（m-t）曲线。

1.4 评价指标及计算公式

1.4.1 湿缓冲值

湿缓冲值（MBV）主要描述材料在相对湿度变化过程中的动态吸放湿能力，为动态参数，需要在吸湿-放湿（解吸）循环过程中测试。根据NORDTEST实验结果计算得到的湿缓冲值 [g / ( m2·% RH)]，其计算公式为：

表1 试验材料列表Tab.1 The list of test materials

式中：Δm——材料在吸湿/放湿区间内的质量变化量，g；

S——材料表面积，m2；

ΔRH——相对湿度变化量，%。

1.4.2 结晶度测定

将竹粉样品放到样品架上，用θ/2θ联动扫描。主要扫描参数如下：X光管为铜靶，用镍片消除CuKa辐射，管电压为40 kV，管电流40 mA，扫描速度为0.083 731°/s，样品扫描范围5°～80°，根据衍射图谱强度，采用Segal法计算相对结晶度（Cr,%）[16]，公式为：

式中：I002——（002）晶格衍射强度在2θ=22°的极大峰值；

Iam——2θ=18°时的非结晶背景散射强度。

1.4.3 微观形貌观察

在竹丝的中部选取横切面和纵切面试样，切片后对试样进行喷金处理。通过环境扫描电镜(ESEM)，对阻燃处理前后试样进行微观形貌观察，分析阻燃剂在竹丝（IB、OB）中的浸注情况。

2 结果与分析

2.1 湿缓冲周期内变化规律及测定结果

2.1.1 循环周期内质量变化规律

三种竹丝装饰材在相对湿度区间60%～85%内的质量-时间（m-t）变化曲线如图1。

图1 高湿环境下4个周期内材料的质量变化曲线Fig.1 Curves of mass change in four periods in high humidity environment

从图1中可以看出，在4个稳定周期内竹丝装饰材在吸湿-放湿中质量随着时间变化关系：未处理竹丝装饰材（C-OB、C-IB）、阻燃处理竹丝装饰材（NPOB、NP-IB）和防霉阻燃处理的竹丝装饰材（NP4-OB、NP4-IB）试验周期内的质量变化呈周期性循环，所有组的质量吸放湿循环呈阶梯状上升趋势；在8 h的吸湿过程曲线斜率逐渐变小，这说明了吸湿开始时的速率最大，随着吸湿时间的延长竹丝装饰材的吸湿速率逐渐减慢，这是由于吸湿开始阶段竹丝装饰材的表面能高于吸湿后，此期间在竹丝装饰材表面主要发生单分子吸附，而随着吸湿时间的增加，水分子从竹丝中脱附速度也略微增大，水分子的吸附量缓慢减少的情况下，逸出量增加，宏观上就表现为吸湿速度的减慢[17-18]。在OB组和IB组中各试样吸湿过程质量变化（Δm1）表现为Δm1NP＞Δm1C＞Δm1NP4。磷酸脒基脲的分子结构中脒基上的氮原子是离域体系的一部分,脒基阳离子的电荷分散，并且离子半径远较无机铰离子大，因此电荷密度低,对水分子的静电引力低，水化作用弱，因此其吸湿性能并不强[19]。但吸湿过程中，竹丝装饰材和阻燃剂同时吸收空气中的水分,因此NP组所表现出来的湿缓冲性能是竹丝与磷酸脒基脲阻燃剂的叠加效果，使得NP组的Δm1略高于C组。虽然竹青部位的竹肉（OB）的空隙率小于竹黄部位的竹肉（IB）[20]，但该研究中表现出Δm1OB＞Δm1IB，这说明衡量吸湿能力不能只靠空隙率这个单一指标，水分子在材料中的流通和渗透速度才是影响吸湿进行的重要参数。OB主要结构为维管束组织，其纵向输导组织导管以及横向输导组织纹孔是水分子吸湿渗透的重要通道，在IB中输导组织缺乏，薄壁细胞较多，因此其水分吸收能力略差于OB。在放湿过程中质量变化（Δm2）基本保持一致规律，其中同一周期（24 h）内Δm1＞Δm2，吸湿量略高于放湿量。

2.1.2 湿缓冲值测定结果

通过质量变化和湿度变化值计算出各组竹丝装饰材在高湿区间下的湿缓冲值及其对应的不确定度，如表2所示。

表2 高湿环境下4个吸-放湿周期内材料的湿缓冲值Tab.2 MBV of materials in four stable periods in high humidity environment

由表2可以看出，采用NORDTEST法评定各组的湿缓冲性能为：NP组＞C组＞NP4组；MBV吸湿＞MBV放湿，且经过不确定度评定可知湿缓冲值的不确定度较小，试验误差对结果影响较小，可信赖程度高。防霉阻燃处理组在竹丝装饰材表面进行了有机碘化物硅丙乳液的防霉涂饰，在试样表面形成一层致密的聚合物薄膜[21-24]，对水分的渗透及交换起到了一定的限制作用，因此NP4组所表现出来的湿缓冲效果最差，而NP组湿缓冲性略大于C组主要是由阻燃处理引起的。

2.2 竹丝装饰材料阻燃前后微观形貌分析

鉴于防霉阻燃处理竹丝装饰材的湿缓冲性能有限，其水分的吸附和释放多数来源于竹丝端部未涂饰的横断面，在此对其表面不做深入探讨。利用环境扫描电镜（ESEM）对阻燃前后的竹丝装饰材细胞微观形貌进行观察分析，得到图2未阻燃竹丝装饰材和磷酸脒基脲处理竹丝装饰材的电镜图。由于竹丝装饰材料加工过程中使用过氧化氢进行热漂，因此薄壁细胞中未见淀粉颗粒，SEM图片中未阻燃竹丝装饰材中薄壁细胞腔中无填充物质（图2a），导管的纹孔边缘清晰（图2b）；经过阻燃处理后，竹材的薄壁细胞腔中虽被阻燃剂结晶颗粒填充（图2c），但导管壁附有阻燃剂沉积的（图2d）纹孔仍然显示为通畅状态，这种形貌充分说明了阻燃剂在竹丝装饰材的细胞腔中有一定的沉积，但并未对细胞内部水分的交换与移动造成影响。

图2 环境扫描电镜下竹丝装饰材阻燃前后的微观形貌Fig.2 Microstructure of decorative bamboo before and after fire retardant treatments in environment scanning electron microscope

2.3 阻燃改性后结晶度的变化

利用X-射线衍射法对未阻燃竹丝装饰材（C）和磷酸脒基脲处理竹丝竹丝装饰材（NP）进行内部结构检测，其扫描曲线见图3所示。根据X射线的衍射图计算出未阻燃与阻燃处理竹丝装饰材的相对结晶度分别 为：CrC-OB为54.9%，CrC-IB为47.7%，CrNP-OB为49.8%，CrNP-IB为39.8%。阻燃处理后，竹丝纤维素的相对结晶度有小幅度下降，这说明阻燃剂反复浸渍，有可能改变了纤维素非结晶区的结构，使非结晶区无定形，通常情况下，竹丝装饰材的吸湿性会随着纤维素无定形区（非结晶区）的增加而增加，因此阻燃后的竹丝装饰材吸湿能力高于未阻燃处理材是由竹丝装饰材内部无定形区和阻燃剂共同吸湿造成的。

图3 竹丝装饰材阻燃处理前后的XRD曲线图Fig.3 XRD curves of decorative bamboo filament before and after fire retardant treatments

3 竹丝装饰材料湿缓冲值对室内湿度的影响

墙面是目前房屋结构中面积所占比例最大的组成部分，除去门窗的设计实际墙体和天花板的面积甚至可以达到房间墙体总面积的50%以上，以竹丝装饰材料作为内墙和天花板的装饰材料不仅可以达到美观立体的装饰效果，更能够依靠竹丝装饰材的湿缓冲特性进行室内湿度调节，达到被动调湿节能降耗的目的。

在面积为20 m2的房间中四周被墙体包裹，按照墙体和天花板的表面积总和为60 m2计算，在不考虑室内通风和墙体吸湿的前提下，假设室内湿源所释放的水蒸气都被竹丝装饰材料所吸收，按照公式（1）计算竹丝装饰材料在该房间内的吸（放）湿量[25-26]。

根据高湿区间测得的湿缓冲值为评价指标进行计算可得出各竹丝装饰材料在8 h和16 h内的吸放湿量见表3。

表3 竹丝装饰材对房间湿度的影响值Tab.3 The influence value of decorative bamboo filament on the room moisture g

从上表可以看出，无辅助调湿的情况下，竹丝装饰材料对室内湿度调节具有一定作用，将其大面积应用于建筑物内表面，有调节室内环境湿度的效果。

4 结论

1）三种竹丝装饰材对室内湿环境可起到调节缓冲作用，在吸湿-放湿循环周期内质量变化呈周期性阶梯状上升趋势，各处理组间湿缓冲性能表现为阻燃处理组（NP）＞未处理组（C）＞防霉阻燃处理组（NP4），同组内表现为近青层竹丝装饰材（OB）＞近黄层竹丝装饰材（IB），吸放湿周期内表现为MBV吸湿＞MBV放湿。

2）利用环境扫描电镜和X射线衍射发现：磷酸脒基脲在薄壁细胞中有较好的沉积，但对吸湿-放湿中的水分流动不造成影响；阻燃处理后竹丝装饰材的纤维素相对结晶度略有降低，阻燃处理材纤维素吸湿能力略有增加，由于竹丝装饰材内部无定形区和阻燃剂共同作用而表现出湿缓冲性能增强。

3）通过实例分析得出，高湿地区前述竹丝装饰材料吸放湿量排序为：NPOB＞COB＞NPIB＞CIB＞NP4OB＞NP4IB，竹丝装饰材料NPOB具有最佳的湿缓冲性能。

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