油浴热处理对竹材干缩性和力学性能的影响

岳祥华 左奇玉 张双燕

(1 国际竹藤中心安徽太平试验中心 安徽黄山 245700；2 安徽农业大学林学与园林学院 合肥 230036)

随着木材资源日益短缺和现有资源保护力度的加大，非木材生物质资源的开发和利用受到越来越多的关注和肯定。竹材是我国重要的速生、可再生森林资源之一，具有生长速度快、产量高、力学强度高等特点，近年来在家具、建筑等领域具有“以竹代木”的巨大潜力，被认为是替代木材的重要生物质材料[1]。但目前我国竹材领域依然存在利用率低、经济效益差的缺陷，这与竹材独特的结构密切相关：竹材径向上外侧竹青结构致密、胶合性能差，内侧竹黄组织疏松、横向强度低，因此竹青和竹黄经常在生产中被脱除而成为了剩余物(含量约占30%)，造成了极大的资源浪费。此外，竹材含水率的变化会导致竹材发生干缩或膨胀，最终会导致竹制品发生严重变形或开裂。竹材所具有的物理结构不均匀性、亲水性，严重降低了竹材的利用率和使用寿命。充分利用竹青和竹黄，降低亲水性，提高竹材的综合利用率，对加速竹产业发展具有重大意义[2]。

近年来，热处理被认为是生物质材料改性的有效手段，它无须添加任何化学药剂，主要是以蒸汽、热油、惰性气体等为导热介质，通过高温进行热处理，促使材料内部发生物理和化学变化，从而有效降低材料的尺寸稳定性和耐腐性能[3]。王雅梅等[4]通过傅里叶变换红外光谱分析了植物油浴热处理前后樟子松化学成分的变化。Okon等[5]研究了不同硅油热处理条件对杉木化学成分、热稳定性和力学性能的影响。目前关于木材高温热处理的研究较多，但在竹材高温热处理方面的系统性研究较少。此外，在竹材热处理过程中，竹青和竹黄的存在对处理中导热介质的渗透行为影响鲜有研究。本研究主要探讨油浴热处理对毛竹干缩性、密度、含水率和力学性能的影响。设定了2种毛竹原料，一种是保留竹材的竹青和竹黄(简称为“带青带黄”)，另一种则是去除了竹青和竹黄，只保留竹肉(简称为“去青去黄”)，系统研究不同温度(150～210 ℃)和时间(1～3 h)下竹材各项物理力学性能的变化，以期为竹材的热处理工艺和竹材的加工利用提供参考依据[6]。

1 材料与方法

1.1 试样制备

毛竹，采自安徽省黄山区，3年生，胸径10.8 cm，高度15.1 m。按照国标 GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》进行试样采集并进行相应的试件制作。为分析竹青、竹黄对热处理工艺的影响，将制备好的竹材试样平均分成2组，一组去除竹青和竹黄，一组则不去除竹青和竹黄，备用。

1.2 热处理工艺

本研究以机油为导热介质，采用油浴热处理对毛竹材进行改性，选用温度和时间2个因素。热处理温度设置为150、180、210 ℃；热处理时间设定为1、3、5 h。处理结束后，将试样取出，采用滤纸将试样表面多余的油擦拭干净，冷却至室温。最后将所有处理和未处理的试材放入恒温、恒湿箱中，备用。

1.3 物理力学指标测定

1)密度和含水率测定。按照国标GB/T 15780-1995测定竹材试样的气干密度、绝干密度和含水率。

2)干缩率测定。按照国标GB/T 15780-1995分别测定竹材气干和全干2种状态下2个方向(径向和弦向)的干缩率。

3)力学性能测定。按照国标GB/T 15780-1995测定竹材的抗弯强度和抗弯弹性模量。

2 结果与讨论

2.1 热处理对竹材含水率和密度的影响

带青带黄毛竹以及去青去黄毛竹2种试样经过不同温度和时间油浴热处理后的含水率变化如图1所示。可以看出，随着热处理温度超过180 ℃，试样的含水率开始出现明显的下降，当温度为180 ℃时，去青去黄毛竹和带青带黄的平均含水率分别下降8.57%和22.34%；当温度提升至210 ℃时，去青去黄毛竹下降42.86%，带青带黄毛竹下降了34.86%。对比可以看出，毛竹去除竹青和竹黄之后，其含水率下降程度更为明显，这是因为竹青一侧组织最为致密，阻碍了热处理过程中竹材内部水分蒸发的路径，使得竹材含水率变化较不明显。

图1 热处理对毛竹含水率的影响

竹材密度大小反映出竹材细胞壁中物质含量的多少，是竹材一个重要的指标，竹材密度与强度呈正比，即在含水率相同的情况下，竹材密度大，则竹材强度高。图2为不同热处理条件下竹材的全干密度(图2a)和气干密度(图2b)。从图中可以看出：热处理温度和时间对竹材的密度影响较为明显。随着热处理时间的增加，热处理温度的上升，去青去黄和带青带黄竹材全干密度和气干密度均是呈现先减小后增加的变化变化趋势，超过180 ℃后略有减小。在210 ℃热处理后，热处理时间对密度几乎无影响。在相同热处理条件下，去青去黄竹材气干密度要比带青带黄小。

图2 热处理对毛竹密度的影响

2.2 热处理对竹材干缩率的影响

竹材干缩性是竹材固有的缺点之一，对竹材加工利用影响极大。竹材的干缩性越大，加工后的竹制品发生开裂和翘曲变形等缺陷越为严重，对竹材干缩性的研究，可为竹材的合理干燥提供参考。图3和图4分别是毛竹经不同热处理后，在气干和全干2种状态下横向干缩率(弦向和径向)的变化情况。

图3 热处理对毛竹气干干缩率的影响

图4 热处理对毛竹全干干缩率的影响

从图3和图4可以看出，无论是带青带黄还是去青去黄，不同热处理条件对毛竹横向干缩率的影响规律相似，即在相同热处理温度条件下，热处理时间对毛竹的横向干缩率影响不大，仅有小幅度下降；在相同热处理时间条件下，随着热处理温度的升高，毛竹的横向干缩率明显下降，显著改善了毛竹干缩性大的固有缺陷。显然，和延长热处理时间相比，提高热处理温度对降低竹材干缩性的效果更为明显。洪欢等[7]考察了不同热处理温度和时间对木材的影响规律，结果表明提高热处理温度可显著提高木材的性能，而热处理时间延长的效果不佳，这与本文发现的规律相似。

此外，在同一热处理条件下，可以发现带青带黄毛竹的横向干缩率均小于去青去黄毛竹的横向干缩率。比如，当热处理温度为210 ℃时，带青带黄毛竹的弦向和径向全干缩率分别下降32.5%和42.4%，而去青去黄毛竹的弦向和径向全干缩率分别下降31.2%和38.2%，这充分说明了竹青和竹黄的存在可以改善竹材的干缩性，有利于提高竹材的尺寸稳定性。

2.3 热处理对竹材力学性能的影响

竹材抗弯强度和抗弯弹性模量是评价竹材性质的重要指标，2种毛竹试样经不同热处理后的力学性能变化见图5。由图5可知，竹材的抗弯强度和弹性模量在150 ℃处理1 h时，只有小幅度下降，继续处理至2或3 h后，开始有明显降低。之后，随着温度的升高和时间的延长，总体呈下降趋势。当热处理温度达到210 ℃时，竹材的力学性能大幅度降低，带青带黄毛竹抗弯强度下降了28.3%，去青去黄毛竹抗弯强度下降了39.8%；带青带黄抗弯弹性模量下降了36.2%，去青去黄抗弯弹性模量下降了42.3%。和干缩性一样，处理温度是影响竹材力学性能的主要因素，处理时间为次要因素。高伟[8]研究了高温热处理对速生桉木力学性能的影响，得出了类似的结果，这主要是因为当高温热处理超过180 ℃时，半纤维素发生降解，导致竹材纤维素之间的柔性连接强度降低，脆性增大[9]。值得注意的是，带青带黄毛竹的抗弯强度和弹性模量的下降幅度均小于去青去黄毛竹。

图5 热处理对毛竹力学性能的影响

3 结论

油浴热处理是改善竹材性能的有效途径。热处理对竹材的含水率影响大，处理后竹材含水率显著下降，密度增加，干缩率下降，克服了竹材干缩性差的缺点。高温热处理后的竹材力学性能总体呈下降趋势，过高的热处理温度(210 ℃)导致竹材抗弯强度下降28.3%～38.8%，抗弯弹性模量下降36.2%～42.3%。在同样的热处理条件下，带青带黄竹材的物理力学性能均高于去青去黄竹材，说明保留竹材的竹青竹黄对热处理十分有利，且同时能提高竹材的利用率。