微波处理对圆竹软化效果的影响*

2023-02-20朱骏杰曹明鑫马静文王雪花

林产工业 2023年1期

朱骏杰余斌曹明鑫马静文王雪花

（1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037；2.瑞盈高科技术有限公司，浙江湖州 313009）

我国拥有丰富的竹类资源，享有“竹子王国”的美誉[1-2]。对竹材进行有效利用，提高竹制品加工利用效率是实现我国资源自足、发展绿色低碳经济的重要途径[3]。竹家具产业是新兴的低碳产业，在各类家具产品中，圆竹家具以深厚的文化底蕴深受消费者喜爱[4]。但是，目前圆竹家具生产机械化程度较低，如圆竹家具加工中定直、定弯的软化环节，主要通过人工将圆竹置于火上烘烤完成[5-6]。这种软化方式无具体工艺参数，软化效果取决于操作者的经验，个体差异较大，重复性不高，从而直接影响产品质量，且生产效率低下，不利于圆竹家具的工业化生产。

微波软化常用于木材加工，其原理类似传统的高温软化，旨在通过提升木材内部温度，使其内部分子剧烈碰撞、摩擦，将微波能转化为热能，达到三大素的软化点[7-8]。微波软化速度快，且不易引起木材内部含水率的梯度变化[9-10]。现阶段，关于木材微波软化的研究较多[11-15]，而关于竹材的相对较少。吴一飞[16]设置微波功率180、360 W和720 W，软化时间1、2 min和3 min，探索工艺参数对毛竹片软化效果的影响。结果表明：随着微波功率的增加和时间的延长，毛竹片的弹性模量先下降后上升，在360 W、1 min条件下处理后弹性模量下降最大，较未处理材下降41.7%。郝睿敏[17]对微波软化工艺进行了细化，研究微波功率（200、300、400、500、600、700 W）、时间（120、180、240、300、360、420 s）及竹片含水率（13%、30%、50%、70%、90%）三个因素对软化效果的影响。结果发现，在毛竹片初含水率为90%，微波功率为500 W、处理时间为240 s时，毛竹片的软化效果最佳。上述研究均是以竹片作为基本单元，然而关于圆竹微波软化技术的研究鲜有报道。

针对圆竹软化效率低、缺乏工业应用性工艺参数的现状，以及微波软化效率高、加热均匀等优点，本文以小径圆竹家具中常用的红竹（Phyllostachys iridescens）为研究对象，研究微波功率、微波处理时间及初含水率对圆竹软化效果的影响，以期为圆竹家具构件的工业化软化加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

红竹（Phyllostachys iridescens），采自浙江百丈，竹龄3年，外径38～42 mm，无明显缺陷。取离地面30 cm向上2.5 m的竹段作为试验材料。

1.2 设备

摇臂式圆锯机，MJ2236，马氏。微波炉，M1-L201B，美的。万能力学试验机，AG-X50KN，日本岛津。

1.3 试验设计

研究微波功率、微波处理时间和初含水率三个因素对红竹圆竹软化效果的影响。

1.3.1 微波功率微波炉可用功率为200 W（解冻），300 W（中低火），500 W（中火），700 W（中高火），800 W（高火）。试验采用0 （对照组）、200、300、500、700 W及800 W六个功率水平对竹筒进行单因素试验，竹筒含水率约为45.3%，微波处理时间为240 s。试验重复数为10次。

1.3.2 微波处理时间

以0（对照组）、120、180、240、300 s及360 s六个微波处理时间对竹筒进行单因素试验，微波功率为500 W，竹筒初含水率约为45.3%。试验重复数为10 次。

1.3.3 竹筒初含水率

预试验发现，绝干竹筒经微波处理时，会出现严重开裂、炭化，并伴有大面积焦灼的现象（如图1所示），无法满足使用需求。此外，圆竹在制作圆竹家具时未去除竹青，且中空壁薄，将其调至较高含水率费时效果不佳，不符合实际生产要求。而已有研究发现，提高含水率对降低玻璃化转变温度、弹性模量等效果并不显著[16-18]，且含水率过高不利于圆竹软化弯曲后的定型处理。

图1 绝干竹筒微波处理过度炭化Fig.1 Carbonization of oven-dry bamboo treated by microwave treatment

鉴于此，本试验采用10.6%（气干）和45.3%（鲜竹砍伐后在冰箱中放置2 个月）两个含水率水平进行单因素试验，微波功率为500 W，处理时间为240 s。试验重复数为10 次。

1.4 软化效果评价

拉伸应变与压缩应变法、弹性模量（MOE）、抗弯强度（MOR）法通常用于判断木材的软化效果。圆竹中空壁薄，拉伸或压缩应变过程中各部位变形量差异较大，采用拉伸应变与压缩应变法较复杂。同时竹材属于高聚物材料，微波处理造成圆竹内部温度升高会发生玻璃化转变，导致抗弯弹性模量降低[16-17]，因此本试验以MOE和MOR作为软化效果评价依据。

测试方法参考标准ISO22157-1:2004《圆竹物理力学性能的测定》，对红竹筒进行三点弯曲试验，加载方法如图2 所示。两支座间的跨距为160 mm，加载速度为5 mm/min。

图2 加载方法示意图Fig.2 Loading method

试验步骤如下：

1）将圆竹横截为200 mm（长）×tmm（壁厚）的无节竹筒。

2）测量竹筒平均外径（D）和平均内径（d）。测量平均外径时，在竹筒长度方向两端及中间任意选A、B、C三点，沿圆竹直径方向，找到与A、B、C相对应的点A'、B'、C'，测量A、B、C三点处的外径，将A、B、C三点处的平均值作为平均外径。测量平均内径时，在两端位置各选取E、F两点，以相同的方法测量出平均内径，如图3所示。

3）圆竹经过设定的微波功率、时间处理后立即取出，对其进行MOR和MOE的测试。

4）将圆竹近似为标准圆管构件进行MOR和MOE的计算，公式如（1）和（2）所示[19]：

式中：E为抗弯弹性模量，MPa；σ为抗弯强度，MPa；L为跨距，mm；Pmax为破坏荷载，N；ΔP为上、下限荷载之差，N；Δf为上、下限荷载对应位移，mm；D为平均外径，mm；d为平均内径，mm。

2 结果与分析

2.1 微波功率对圆竹软化效果影响

微波功率对圆竹MOR和MOE的影响如图4、5所示。微波功率增大，圆竹MOE总体先下降后升高，较未处理材下降35.14%～65.23%。圆竹MOR总体呈下降趋势，较未处理材下降24.53%～47.21%。由表1可知，微波功率对圆竹软化效果影响显著。

表1 不同微波功率下的抗弯弹性模量方差分析与显著性检查Tab. 1 The variance analysis and significance of bamboo MOE under diあerent microwave power

图4 不同微波功率处理后圆竹的弹性模量Fig.4 MOE of round bamboo treated by diあerent microwave power

在微波作用下，圆竹内部分子发生碰撞、摩擦从而产生热量，导致内部温度升高[11]。当微波功率为200 W和300 W时，由于功率较低，圆竹内部分子运动不剧烈，温度提升小，达不到木质素和半纤维素的玻璃化转变温度，因此MOE及MOR下降幅度小。当功率提升至500 W时，圆竹内部分子运动变得剧烈，内部温度提升，达到木质素和半纤维素的软化温度。在微波作用下，木质素与碳水化合物之间的连接键被破坏，圆竹细胞壁内的自由空间体积增大[13]，因此MOE和MOR大幅下降，MOE达到最小值，软化效果良好。当功率提升至700 W或800 W时，可听见“咔咔”的脆裂声响。这是因为高功率使圆竹内部温度短时间内大幅度上升，大量水分蒸发，内部水分汽化产生一定的蒸汽压，水蒸气持续膨胀带来的压力使得圆竹内部发生开裂等破坏。这与毛竹片经微波软化后类似，毛竹片经600 W或700 W处理后，含水率降低，内部水蒸气膨胀导致MOR回升，软化效果减弱[16-17]。功率为700 W时，水分散失较多，润胀效果减弱，圆竹的MOE和MOR上升，软化效果减弱。经800 W处理后，圆竹的MOR再次下降并达到最小值，这是由于高功率导致内部温度急剧上升，大量水蒸发，且红竹竹壁厚度仅有6～8 mm，细胞壁受到的水蒸气压力，造成严重内裂，强度下降。

图5 不同微波功率处理后圆竹的抗弯强度Fig.5 MOR of round bamboo treated by diあerent microwave power

2.2 微波时间对圆竹软化效果影响

微波时间对圆竹MOE和MOR的影响如图6、7 所示。随着微波处理时间延长，圆竹MOE逐渐下降，较未处理材下降64.09%～75.44%。圆竹MOR总体呈下降趋势，较未处理材下降38.46%～46.35%。由表2 可知微波处理时间对圆竹软化效果影响显著。

表2 不同微波时间处理后抗弯弹性模量方差分析与显著性检查Tab.2 The variance analysis and significance of round bamboo MOE treated by diあerent microwave time

图6 不同微波时间处理后圆竹的弹性模量Fig.6 MOE of round bamboo treated by microwave time

当处理时间为120 s时，圆竹MOE较未处理材已经有较大幅度下降，说明微波对圆竹具有较好的传热效率。微波作用下，圆竹内部分子运动加剧，温度升高，造成MOE下降较大。随着微波处理时间从120 s增至360 s，圆竹内部分子运动更加激烈，内部温度进一步升高，达到玻璃化转变温度，复合物之间氢键出现破坏，导致分子之间的结合强度下降，发生分子构象重排[20]，从而圆竹更易产生形变，并在360 s时达到最小值。MOR在0～120 s下降，180～300 s小幅度上升。根据相关研究，含水率为80%左右的毛竹片经微波功率540 W、180 s处理后，含水率可降低82%，可见微波处理可大大降低竹材含水率[16]。因此，随着处理时间的延长，圆竹失去大量水分从而润胀减弱，塑性减小。MOR在300～360 s再次下降并达到最低值，这主要是因为在微波持续作用下，半纤维素的降解导致强度下降[12]。同时，圆竹内部短时间产生大量水蒸气，细胞腔内压力升高与外部形成压力差，水分在压力作用下持续、快速膨胀，但竹青具有锁水作用，水分难以通畅排出[21-22]。单薄的竹壁持续受到内部水蒸气膨胀所带来的压力，当压力突破竹壁的承受极限时，圆竹内部发生内裂致使强度下降。

图7 不同微波时间处理后圆竹的抗弯强度Fig.7 MOR of round bamboo treated by diあerent microwave time

2.3 初含水率对圆竹软化效果影响

含水率约为45.3%的圆竹经500 W、240 s微波处理后，其MOE和MOR较气干圆竹大幅下降，分别下降了81.75%和65.13%，如图8 所示。可见大幅提高圆竹含水率可增加微波软化效果。

图8 不同含水率处理后圆竹的弹性模量和抗弯强度Fig.8 MOE and MOR of round bamboo with diあerent MC treated by microwave

微波处理中，水分作为极性分子有利于提高圆竹软化效果，圆竹在水热的共同作用下软化[17]。当圆竹处于气干状态时，含水率过低，内部水分主要以结合水的形式存在，吸附在纤维素的非结晶区。结合水虽然可以使纤维素发生润胀，但由于含量过少，对非结晶区的润胀效果不明显，因此处理后气干圆竹MOE仍然较高，软化效果较弱。随着含水率增至45.3%，此时圆竹的含水率已高于纤维饱和点，结合水处于饱和[23]。纤维素非结晶区上的游离羟基更易吸收水分，因此水分对纤维素的润胀效果更加明显，增加了分子链之间的距离，从而使纤维之间更易产生滑移[24-25]。此外，游离羟基吸收的水分可降低纤维素内部的结合力[12-13]，因此MOE下降幅度大，软化效果良好。由图可见，圆竹的MOR随着含水率的增高而减小，原因在于圆竹内部水分具有催化剂的作用，在高温环境下可使纤维素、半纤维素及木质素的分子链发生断裂，从而降低圆竹强度[26]。当含水率提升至45.3%左右时，圆竹内部所含水分以结合水和自由水的形式存在。在高温环境下，这一部分自由水会快速蒸发，但由于受到圆竹形态特征及竹青的阻碍，水蒸气难以排出从而给细胞腔带来持续压力，圆竹强度降低。