漂白和热处理对竹材化学组成及重组竹材理化性能的影响

张 建，袁少飞，王洪艳，李 琴

(1.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省竹类研究重点实验室，浙江 杭州 310023)

重组竹是我国20世纪90年代自主研发的竹材产品，是以资源丰富且生长周期短的竹材为原料，经疏解、浸胶、干燥、组坯、热压(或冷压)胶合而成的板材或方材[1-2]，具有竹材利用率高、生产工艺简单和物理力学性能优越等特点，是1种不可多得的家装和高强度工程结构用理想绿色材料[3-7]。但由于竹材含有丰富的淀粉、糖类等营养物质，易发生腐朽、霉变和虫蛀，造成硬度、强度、可使用性等降低甚至消失[8-9]。重组竹防霉防腐处理十分重要，常用的处理方法就是对原料进行漂白或高温热处理，目的就是去除竹材中易引起霉变腐朽虫蛀的营养成分，达到提高防腐防霉效果的作用[10-11]。分别对重组竹生产用竹束进行漂白处理和高温热处理，系统研究分析漂白和高温热处理对竹材化学组成及重组竹材力学和防腐防霉性能的影响变化情况，旨在为重组竹生产和防腐防霉产品开发提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

竹材原料为2种竹束，1种竹束来自同1株新砍伐的毛竹(Phyllostachysedulis)，竹龄5 a，经截断、冲片、剖分、辗压、裁断等工序加工而成，规格为500 mm×30 mm×3 mm，用于测试毛竹竹材主要化学组成；另1种竹束，取自重组竹材原料加工企业，为多棵新砍伐的毛竹经截断、冲片、剖分、辗压等工序加工而成，规格为500 mm×30 mm×3 mm，用于制备重组竹材。过氧化氢，分析纯，浓度30%，成都市科龙化工试剂厂生产。硅酸钠，分析纯，含量19.3%～22.8%，成都市科龙化工试剂厂生产。酚醛树脂取自安吉奇辰竹业有限公司，固体含量45.8%，pH值9.2，粘度106.6 mPa·s。

1.2 主要仪器

214GKC型控温水浴锅(上海苏达实验仪器有限国内公司)；FESTOOL CS70EB型精密推台锯(图特斯工具系统技术上海有限公司)；TD 20002型电子天平(余姚市金诺天平仪器有限公司)；SARTORIUS AG电子天平(赛多利斯上海贸易有限公司)；DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；FZ 102型微型植物粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)；101-6型电热鼓风恒温干燥箱(杭州蓝天化验仪器厂)；250T型重组竹材冷压机(安吉华森液压机厂)；SM-150型框锯机(广东省佛山市顺德区万利德机械有限公司)；MWD-W50型人造板力学试验机(济南时代试金仪器有限公司)；MJX-250C型霉菌培养箱(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)；SW-CJ-1BU型超净工作台(苏净集团苏州安泰空气技术有限公司)；YXQ-LS-75型立式压力蒸汽灭菌器(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)。

1.3 实验方法

1.3.1毛竹主要化学组成的测定 主要测试毛竹竹材中粗蛋白、酸不溶木质素、综纤维素等主要化学组成，其中粗蛋白含量按照GB/T 15673-2009《食用菌中粗蛋白含量的测定》测试，酸不溶木质素含量按照GB/T 2677.8-94《造纸原料酸不溶木素含量的测定》测试，综纤维素含量按照GB/T 2677.10-1995《造纸原料综纤维素含量的测定》测试。每种样品做3次重复，结果取平均值。

1.3.2重组竹材密度的测定 按照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中4.2的规定进行测试。

1.3.3重组竹材含水率、水平剪切强度、顺纹静曲强度和顺纹弹性模量的测定 按照GB/T 21128-2007《结构用竹木复合板》中相关要求进行测试。

1.3.4重组竹材防霉性能的测定 按照GB/T 18261-2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》进行测试，霉菌采用桔青霉和绿色木霉。

1.3.5重组竹材防腐性能的测定 按照GB/T 13942.1-2009《木材耐久性能 第1部分：天然耐腐性实验室试验方法》进行测试，腐朽菌采用密粘褶菌和彩绒革盖菌2种。

图1 不同处理时毛竹粗蛋白含量Fig.1 Crude protein content of bamboo under different treatments

图2 不同处理时毛竹酸不溶木质素含量 Fig.2 Acid-insoluble lignin content of bamboo under different treatments

1.4 试验设计

1.4.1竹材处理 对竹束进行3种不同条件的处理。第1种处理是竹束在干燥箱中50 ℃条件下干燥含水率至10%～14%，作为对照竹束。第2种处理是漂白处理，漂白液浓度4%、漂白温度60 ℃、漂白时间90 min，加入0.5%硅酸钠，浴比为25∶1。漂白后将竹束水洗后干燥含水率至10%～14%，作为漂白处理竹束。第3种处理是高温热处理，常压下，将新砍伐毛竹辗压成竹束后，在电热恒温鼓风干燥箱里内，160 ℃条件下将竹束处理3 h，室内放置7 d，作为热处理竹束。处理时干燥箱底部放置4个500 mL且装满蒸馏水的烧杯。测试毛竹化学组成的竹束裁成30 mm×30 mm×3 mm，每种条件处理(25±5)g；制备重组竹材的竹束每种条件处理9 kg。

图3 不同处理时毛竹综纤维素含量Fig.3 Holocellulose content of bamboo under different treatments

1.4.2 重组竹材制备 模具规格为500 mm×100 mm×60 mm，每种处理的竹束压制2个重组竹方。重组竹材设定密度1.1 g·cm-3，酚醛树脂固体含量调为25%，竹束浸胶10 min，沥胶后在55 ℃电热鼓风干燥箱内干燥至含水率10%～14%。称重后将竹束装料，进行冷压组坯、装模；在电热鼓风干燥箱内加热固化定型，具体为加热到100 ℃处理2 h、140 ℃处理2 h、120 ℃处理3 h、80 ℃处理1 h；室内养生48 h，拆模后用多片框锯制得500 mm×90 mm×15 mm重组竹材。

2 结果与讨论

2.1 漂白和热处理对毛竹主要化学组成的影响

图1、图2和图3分别是毛竹粗蛋白、酸不溶木质素和综纤维素3个主要化学组成含量的试验结果。粗蛋白、淀粉和糖类等物质是引起竹材发霉、腐朽和虫蛀的重要成分之一。从试验结果来看，漂白处理或热处理均可以有效降低竹材中粗蛋白含量。漂白处理效果最好，竹材中粗蛋白含量降低到1.11%，降低率达43.7%；热处理后竹材粗蛋白含量降低到1.19%，降低率达39.6%。酸不溶木质素和综纤维素是构成毛竹结构的基本物质，决定着竹材的力学性能。漂白或热处理后，竹材的酸不溶木质素含量均增加，提高6.5%以上，而综纤维素均略有降低，变化不大。这主要是因为处理过程中纤维素和半纤维素部分发生了热解或氧化降解[12]。

2.2 漂白和热处理对重组竹材物理力学性能的影响

从表1试验结果来看，3种竹束制备的重组竹材的顺纹静曲强度达到120 MPa以上、顺纹弹性模量达到11 600 MPa以上、水平剪切强度达到16.5 MPa以上，远远优于GB/T 21128-2007《结构用竹木复合板》中最高等级A级的要求，其中顺纹静曲强度和顺纹弹性模量测试结果均是标准规定限值的1.3倍以上，水平剪切强度测试结果均是标准规定限值5.5倍以上。采用漂白和热处理竹束制备的重组竹材在顺纹静曲强度和顺纹弹性模量两项指标上均高于未处理竹束制备的重组竹材，水平剪切强度相差不大。这个结论也与前面的竹材的酸不溶木质素含量均增加，综纤维素均略有降低这一试验结果相一致。

表1 3种重组竹材物理力学性能Tab.1 The physical and mechanical properties of three kinds of bamboo scrimbers

2.3 漂白和热处理对重组竹材防腐防霉性能的影响

分析表2中的试验结果可得到，3种竹束制备的重组竹材防霉性能均很差，对2种霉菌的防治效力均为0。在防腐性能方面，热处理竹束制备的重组竹材防腐性能最好，其次依次是漂白处理竹束制备的重组竹材和未处理竹束制备的重组竹材。竹束热处理后制备的重组竹材防腐性能达到Ⅰ级强耐腐，对2种腐朽菌的质量损失率均在10%以下，平均质量损失率为8.92%。漂白处理竹束制备的重组竹材对2种腐朽菌的质量损失率在11%～12%之间，平均质量损失率为11.58%，达到Ⅱ级耐腐；未处理竹束制备的重组竹材对2种腐朽菌的质量损失率在12%～14.5%之间，平均质量损失率为13.26%，达到Ⅱ级耐腐。

表2 3种重组竹材防腐防霉性能Tab.2 The anti-mildew and preservation properties of three kinds of bamboo scrimbers

3 结论

实验开展了漂白和高温热处理对毛竹化学组成及重组竹材理化性能影响的研究，研究发现漂白或热处理均可有效去除竹材中的粗蛋白，去除率分别达43.7%和39.6%；漂白或热处理后，竹材的酸不溶木质素含量均有所增加，而综纤维素含量有所降低。漂白或热处理不会影响重组竹材的物理力学性能，其中顺纹静曲强度和顺纹弹性模量两项指标均优于未处理竹束制备的重组竹材。竹材防霉性能较差，但具有天然的耐腐性能，达Ⅱ级耐腐。漂白或热处理均不能改善竹材防霉性能，霉菌防治效力仍为0，但可提高其防腐性能，其中竹束热处理后制备的重组竹材可达到Ⅰ级强耐腐。