桐油处理对竹材抗老化性能的影响

宋志红 徐懿

摘要[目的]研究桐油处理对竹材抗老化性能的影响。[方法]分别以金竹和楠竹为研究对象，研究桐油浸泡处理的2种竹材在WCAMA 6循环加速老化完成后，其抗拉强度、抗压强度、抗拉弹性模量的变化，用4种指标的平均保留率来揭示桐油对竹材抗老化性能的影响。[结果]虽然2种竹材的力学性能有一定差异，但在加速老化试验完成后2种竹材的抗压强度和抗拉弹性模量的保留率均很高，同时桐油处理试件的抗拉强度和抗压弹性模量的保留率与未经桐油处理的相比有所降低。[结论]桐油处理对评判竹材抗老化性能关键指标抗压强度提高最为明显，而难以提高其在加速老化环境下的抗拉强度和抗压弹性模量。在竹结构设计工作中，这些力学性能指标可为桐油处理后竹材抗老化性研究提供参考依据。

关键词金竹；楠竹；桐油；抗老化；保留率

中图分类号S795文献标识码A文章编号0517-6611（2017）16-0156-04

Effect of Tung Oil Treatment on Antiaging Property of Bamboo

SONG Zhihong1， XU Yi2*

（1.The Authority of National Nature Protection Area in Leigong Mountain， Qiandongnan， Guizhou 557199；2.Department of Civil Engineering Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract[Objective]To study effect of tung oil treatment on antiaging property of bamboo. [Method]Taking Phyllostachys parvifolia and Phyllostachys pubescens as the research subjects， the changes about the bamboos tensile strength， compressive strength， tensile modulus and compressive elastic modulus of two kinds of bamboo oil soaked with tung oil in WCAMA six accelerated cycle aging were studied.The average retention rate of the indexes were used to evaluate the aging resistance of the spacimens immersed by tung oil.[Result]The results showed that although the mechanical properties of the two kinds of bamboo are different， the compressive strength and tensile modulus of the two kinds of bamboo are very high after the accelerated aging test. The tensile strength and the retention ratio of the compressive elastic modulus of the treated tung oil samples are lower than those without tung oil treatment. [Conclusion]The treatment of tung oil treatment is the most important indicator to evaluate the antiaging performance of bamboo， and the compressive strength is the most obvious， but it can not improve the tensile strength and compressive modulus in the accelerated aging environment. In the design of bamboo structure， these mechanical properties can provide reference for the study of antiaging of bamboo treated with tung oil.

Key wordsPhyllostachys parvifolia；Phyllostachys pubescens；Tung oil；Aging resistance；Retention rate

我國竹類资源丰富，目前已广泛应用于各个生产领域[1]。竹材物理力学特性好，具有强度高、弹性好、性能稳定、密度适中的特点[2]。在西南竹资源丰富地区，人们常采用竹材建造拱形蔬菜大棚、阳光温室等农业构筑物，充分利用了竹材的抗压性能。然而，竹材老化对竹材力学性能影响明显，进而影竹响结构的使用寿命，因此减缓竹材抗老化性能的衰减成为一项重要工作。

目前，对竹材力学性能的研究测试多以竹片作为测试单元，探讨竹龄、竹秆部位、方向等对竹材物理力学性质的影响。周芳纯等[3-4]研究了含水率、竹的部位、种属、竹龄及立地条件对竹材力学性能的影响，并得出竹材的力学强度与含水率成反比；杨云芳等[5]研究表明，红壳竹竹材物理力学性质与竹龄有密切关系，其中顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度和抗弯强度都随着竹龄的增加而增大，5～6年生达最大值。

针对木板材加速老化性的实验室研究方法有很多，如欧洲BS EN1087-1标准，加拿大CAN/CSA-1088标准，法国European AFNOR-313标准，美国WCAMA标准等试验方法。国内也多数采用ASTM D1037、DIN68763（V100）和BS5669等常用的加速老化试验方法来评定人造板材的耐久性[6-10]。国内延缓竹材及木材在自然环境下的老化，多采用浸染化学防水制剂或油脂的化学处理方法和物理红外加热蒸烤的方法来减少物理光热的老化作用[11]。而桐油作为一种天然防水材料，获取方便，在竹木结构中应用广泛[12]，但是针对其能否减缓抗老化性能衰减尚不清楚。因此，研究桐油对竹材抗老化性能的影响，提高竹结构的使用寿命有着重要意义。

笔者通过研究竹材的顺纹抗拉强度、顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量等力学性能指标，比较桐油处理过的试件与未处理试件在WCAMA 6循环加速老化试验[13]过程中变化规律，以6轮老化试验后力学指标的平均保留率作为评判标准来衡量桐油处理对竹材抗老化性能的影响。

1材料与方法

1.1试件材料及制作

试验采用的金竹（Phyllostachys parvifolia）和楠竹（Phyllostachys pubescens）由甘荫塘建筑竹材市场提供。竹龄为2～3 a，管径均约80 mm。在同一批次不少于1 000株的样竹中分散选取具有代表性且无缺陷的竹子，试件取自于竹子的中部平直段。根据《建筑用竹材物理力学试验方法》JG/T 199—2007[14]规定，由下部到上部在同一竹材上按顺序编号截取。沿环向截取试件时，将相邻的3个竹片试件制作成为一个相应对照组，编号“1”作为对照试件，不参与老化试验，编号“2”的试件做桐油浸泡处理，编号“3”作为未做作桐油处理的试件，其中编号“4”的试件作为补偿试件，按批次编号。试件毛坯截取方式如图1所示。

顺纹抗拉及抗拉弹模试件：顺纹抗拉试件制作成为330 mm×15 mm×t mm的试条，中间有效部位尺寸为60 mm×4 mm×t mm，其中t为试件的厚度。每个老化周期测定6块试件，測定值取平均值，共制作48块试件，其中的12块做补偿试件，2种竹材，总计96个试件，每处理方法一致（图2）。

顺纹抗压试件：顺纹抗压强度试件制作成15 mm×

15 mm×t mm的试条，同样每个老化周期测定6块试件取平

均值，每个力学指标试件制作48块试件，其中12块作为补偿试件用于对不同阶段破坏试件进行替换，共96个试件。

顺纹抗压弹性模量试件：将试件制作成为60 mm×15 mm×t mm的试条；其中t为试件的厚度。同样每个老化周期测定6块试件，测定值取平均值，每个力学指标试件制作48块试件，其中12块作为补偿试件，用于对不同阶段破坏试件进行替换。2种竹材共96个试件，每组处理方法一致。

试件2个弦面保留竹青和竹黄原样，并对试件编号、分组、记录后在自然条件下汽干，含水量10%～18%；然后把每个对照组中需要做桐油处理的试件分离出来，用桐油浸泡处理72 h，真空度9.33 kPa，养护干燥后待用。经过桐油浸泡处理后，将其置于光照条件良好的通风坏境下养护干燥，试件之间不得堆叠和相互遮挡，环境温度保持在（25±2）℃，相对湿度63%±15%，自然条件下不满足时，采用恒温恒湿保养箱进行养护干燥。

1.2试验原理和方法

WCAMA 6循环老化法[13]的试验原理是通过不断改变竹材的环境温度和湿度，使竹材不断吸湿解析，体积不断膨胀，干燥过程中随着温度的升高，竹材细胞干缩失水，使分子由大变小，破坏其分子键。随着试验周期的推移，竹材在吸胀干缩的循环应力作用下，材料抵抗破坏能力逐渐降低，最终达到完全破坏。其处理过程：浸泡竹材试件（图3a）→煮沸竹材试件（图3b）→竹材试件的干燥（图3c）→养护调质处理（图3d）。WCAMA老化法分6個周期进行，每一循环的具体步骤：①冷水浸泡30 min，温度为19～27 ℃，真空度9.33 kPa；②沸水煮3 h；③干燥（105 ℃）20 h。每一周期需时23.5 h，共需时141 h。

2结果与分析

2.1顺纹抗拉强度

在拉伸试验中，若试件破坏时的试件断裂位置不在试件有效部位，则该试验数据应予以舍弃，采用补偿试件数据。考虑不同含水率对试验方法和试验数据的影响，针对试验数据的记录进行含水率（12%）修正后抗拉强度结果见表1。由表1可知，在经过WCAMA 6循环老化试验后，与对照组比较，2种竹材虽然在各循环周期内抗拉强度值局部出现波动，但总体呈现出递减的趋势，表明WCAMA 6循环老化试验对竹材产生了老化作用。2种竹材比较，抗拉强度存在明显差异，金竹抗拉强度大于楠竹，主要是由2种竹材的生长环境存在差异及竹材自身基体和维管束排列顺序、数量不同等因素引起。从循环后与对照组比值获得的保留率[7]可以看出，桐油处理竹材的抗拉强度保留率比未经桐油处理的要低，也说明桐油处理对竹材抗抗拉强度性能提升作用不明显。

2.2顺纹抗拉弹性模量

顺纹抗拉弹性模量试验中，在测定试件顺纹抗拉弹性模量时，通过微控电子万能力学试验机夹式应变计测量变形，可通过计算机操作界面观察试验力与变形的关系，得出试验力-变形曲线，换算出弹性模量值，结果见表2。由表2可知，2种竹材对照组弹性模量整体表现较均匀，说明竹材的材料属性较稳定，在未参与老化前，金竹抗拉弹性模量值为20.07 GPa，楠竹抗拉弹性模量值为13.39 GPa；金竹抗拉弹性模量值明显比楠竹高，主要是由2种竹材自身形状、维管束排列差异、生长环境不同等因素引起。同时，经过WCAMA 6轮老化试验后，从弹性模量变化值可知，2种竹材在各循环周期中弹性阶段变形差异不明显，桐油处理与未经桐油处理的竹材的抗拉弹性模量值较为接近。6轮循环后的竹材抗拉弹性模量的平均保留率均比较高，表明桐油处理对提高2种竹材的抗拉弹性模量效果不明显，老化试验对2种竹材的弹模削弱也不明显。

2.3顺纹抗压强度

利用金竹、楠竹2种竹材制作的抗压强度试件研究桐油处理与未经桐油处理在WCAMA 6循环老化过程中对其抗压强度的影响，确定桐油处理对竹材的抗压强度是否有明显影响。同样，为保证试验结果的准确性，考虑不同含水率对试验方法和试验数据的影响，针对试验数据的记录进行含水率（12%）修正后取该组试验平均值，结果见表3。

由表3可知，在经过WCAMA 6循环老化试验后，2种竹材的桐油处理和未经桐油处理与对照组比较，其抗压强度得到一定提升，说明加速老化的湿热环境提高了竹材抗压强度。然而，通过6轮循环完成后横向对比的保留率，可以看出桐油处理2种竹材的抗压强度比未经桐油处理提高更为显著，表明桐油处理对竹材参与WCAMA 6循环老化试验后抗压强度有提升作用。另外2种竹材比较，抗压强度仍存在明显差异，楠竹抗壓强度均大于金竹。

2.4顺纹抗压弹性模量

测定试件顺纹抗压弹性模量，采用万能力学试验机循环加载，DH3818静态应变测试仪采集系统设置为连续采样，以每间隔1 s记录1次应变值，可测得试件的时间-应变关系曲线，整理得出抗压弹性模量平均值（表4）。

由表4可知，在经过WCAMA 6循环老化试验中，金竹在各循环周期内抗压弹性模量变化波动较大，但与对照组相比，各循环周期内的2种参与循环的试件抗压弹性模量均有所降低，表明加速老化对竹材产生了老化效果。6轮循环完成后，金竹的桐油处理试件比未经桐油处理试件的抗压弹性模保留率要低，表明在WCAMA 6循环老化试验过程中，桐油处理不仅未起到增强抗压弹模的作用，反而削弱了竹材的抗压弹性模量，使得其弹性阶段抵抗变形能力减弱。桐油处理对竹材的抗压弹性模量未起到提高作用，该指标作为抗老化性能指标并未达到预期效果。

3结论

（1）对于金竹和楠竹2种不同竹材而言，4种力学指标中，金竹的平均抗拉强度、抗拉弹性模量比楠竹要高，这与竹材维管束排列差异、生长环境及材料性质相关。

（2）根据2种竹材在参与WCAMA 6循环老化试验后的保留率可知，桐油对竹材的抗压强有较大提升，而对抗拉强度和抗压弹性模量有一定削弱作用，对抗拉弹性模量影响不明显，说明桐油在老化环境中使部分力学性能获得较高的保留率，对提高竹材抗老化性有一定的作用。桐油处理竹材抗压强度提升明显，这有助于提高应用在蔬菜大棚中的轴向受力竹拱结构的承载力。

（3）在实验室模拟干湿热老化条件与自然环境下的老化相比是有差异的，4种力学性能指标改变的差异性也揭示了还有更多其他因素影响着竹材的老化性，这有待后期探究。

参考文献

[1] 国家林业局.2008-2009年中国森林资源经营发展研究及投资分析报告[M].北京：中国林业出版社，2008.

[2] 国家林业局.林业发展“十一五”和中长期规划测定[R].2010.

[3] 周芳纯.竹材物理力学性质的研究[J].南京林产工业学院学报，1981（2）：1-31.

[4] 周芳纯，张春霞，唐进根，等.竹材力学性质测定报告[J].竹类研究，1991（1）：7-12.

[5] 杨云芳，俞友明，方伟，等.红壳竹竹材物理力学性质的研究[J].浙江林学院学报，1998，15（2）：158-163.

[6] 魏万姝，覃道春.不同竹龄慈竹重组材强度和天然耐久性比较[J].南京林业大学学报（自然科学版），2011，35（6）：111-115.

[7] 余德新，宋一然.人造板的加速老化試验研究[J].林产工业，1993，20（4）：17-19.

[8] 龙玲，陈士英.酚醛刨花板加速老化试验的研究[J].木材工业，1995，9（3）：6-9.

[9] TOMAK E D，TOPALOGLU E，AY N，et al.Effect of accelerated aging on some physical and mechanical properties of bamboo[J].Wood science and technology，2012，46（5）：905-918.

[10] 虞华强，江泽慧，任海青，等.竹篾层压板的力学性质及耐老化性能研究[J].木材加工机械，2006（3）：1-4.

[11] 王雅梅.竹材耐腐性的研究及防腐药剂的选择[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2004.

[12]

魏绣枝，王颖.桐油资源的深度开发与利用[J].广西林业科学，1994，23（2）：105-106.

[13] West Coast Adhesives Manufactures Association Technical Comnittee.A proposed new test for accelerated aging of phenolic resinbonded particleboard [J].Forest products journal，1986，16（6）：19-23.

[14] 樊承谋，潘景龙，陈志勇，等.建筑用竹材物理力学性能试验方法：JG/T 199—2007[S].北京：中国标准出版社，2007：1-16.