竹材热解过程

罗威

我国是世界竹子分布最为广泛的国家，不但竹材资源丰富，且种类众多，这使得我国成为竹材工业化利用最广泛的国家。现阶段，强化对竹材特点、性能的研究成为扩大竹材利用规模，提升竹材制品质量的重要途径。

竹材在工业与生活中的应用价值

首先，在将竹材经过机械加工后制成各种竹质人造板和竹材制品替代木材的领域内，先后开发了竹材胶合板、竹材胶合水泥模板、竹材地板、竹木复合胶合板、竹材集成材、竹家具和各种竹质生活用品等产品，为产竹区经济的发展和增加竹农收入做出了重要的贡献。在当前中国木材价格高于国际市场、工资水平大大低于欧美等发达国家的情况下，竹材工业化利用的产品尚有一定的竞争能力。利用竹材优良的生物学特性和特殊的微观结构，重视和开发竹材的化学利用，进行深入的研究，开发新的竹产品，寻找合理的生产工艺，增加产品附加值，也是当前竹材产业发展的必由之路。

特别是全竹的家具，业内专家预测在全球木材资源缺乏的情况下全竹家具将成为未来家具的一个重要分支。处理后的竹材板材防虫蛀，不会开裂、变形、脱胶。由于竹子的天然特性，其吸湿、吸热性能高于其它木材，竹质家具具有冬暖夏凉，纯竹质高档家具还具有相当的观赏性。可以预见，全竹家具在国际市场也是大有可为的。

竹材热解过程国外研究动态

生物质的热解已然成为一个新兴的热门研究领域，国外关于生物质热解过程的研究报道大量涌现，相关理论体系逐渐完善起来，现将其中较有代表性的研究成果综述如下：

Xiao Gang等利用热分析仪对竹子进行了热解研究，指出在竹子的热解过程有三个阶段：竹子外边面的裂解，竹子内部的裂解和二次裂解重焦油。

Rajulu等把巨龙竹在惰性气氛下利用热分析仪在加热速率为10℃/min做了热解的实验，并利用FreemanandCarrollmethod法计算动力学参数。

Mingliang DU等对有老化行为的聚丙烯（PP）和埃洛碳纳米管（HNT）等纳米复合材料进行了热解特性分析。

Marta Krzesinska等运用元素分析，差示扫描量热法（DSC）等方法，以铁竹为例，研究了热解温度对单片多孔碳材料物理性能的影响。

WG Weng等人提出了一种一维综合模型，用来测试碳化材料受到恒定辐射热通量而被热解的过程。测试到了整体碳层厚度，热穿透深度，表面温度和质量损失率之间的关系。

上世纪90年代日本掀起一场“竹炭热”引发日本各地关于竹材热解炭化过程的研究，田岛次郎等用炭化炉进行竹材热解炭化试验，发现竹炭产率与排烟温度110—150℃之间的温升有关；岩田磨治对不同竹材炭化品质进行了研究，认为炭化指标精炼度与表面积、比表面积、亚甲基蓝吸附率等因素有关。

竹材热解过程国内研究动态

由于国内竹材分布广泛，种类众多，且我国对竹材的加工运用水平较高，因而国内关于竹材热解过程的研究成果较为丰富，现将其中较有代表性的研究成果综述如下：

邓天异采用高精度热重分析仪（TG，DTG和DSC），在高纯氮的气氛下，在40—500℃温度范围内，考查了不同部位的竹材样品（分为外、中、里三层）的热解过程，进行了小样品竹材在不同加热速率和样品状态下的热解动力学分析、产率分析及热解过程中的焙变分析。

徐明综述了几类（非）木质植物原料热解及液化的研究进展，在此基础上以小型同竹龄毛竹材为样品，对其在不同升温速率下进行热分析，并计算了表观活化能。为便于分析还应用综合热分析仪等，研究了毛竹材的微观构造及小型同竹龄毛竹材的化学特性差异。

曾凯斌，蒋斌波，陈纪忠在不同升温速率（5、10、20、30K·min-1）下，对竹材进行TG分析。在313—650K的温度范围内，试样经历了水分析出、第一步热解和第二步热解过程。用Lev-enberg-Marquardt方法对非等温动力学过程求解热解动力学参数。

邵千钩，彭锦等人在研究竹质材料热解失重行为及其动力学研究中利用热重分析仪在氮气气氛下对两种竹质材料（毛竹和孝顺竹）的热解失重行为进行了研究。实验结果表明竹质材料在热解过程中可分为失水干燥、预热解、快速热解和残余物缓慢分解等4个阶段。

王威岗等研究了木质纤维素的热解特性，并对其热解过程进行了分析。结果表明，纤维素在不同升温速率下的热解分为3个阶段：水分的析出、挥发分的析出以及固定炭的生成。并根据积分法中的Coats和Redfem法求解反应的动力学参数（活化能E，频率因子A）。

文丽华等选取杉木、花梨木和水曲柳为样品，对其在不同升温速率下进行了热分析并将木材的热解过程分为四个阶段，分析了每个阶段的化学物理变化以及热效应的变化，研究了不同升温速率对热解过程的影Ⅱ向，并建立了试样的热解模型，求出其动力学参数。

齐国利等用综合热分析仪研究了在氮气或二氧化碳作为载气的条件下，生物质（稻壳、玉米秸秆和木屑）热解的TG/DTG曲线。依据热重曲线，将热解反应分为两个主导反应区，其拐点温度为Tf，并利用改良的Coats-Redfern法和常用的46种机理函数，计算出生物质热分解反应的表观活化能、反应级数及频率因子。并利用这些动力学参数，计算出生物质热解的动力学特征值——反应速率常数k，活化熵AS，活化焓AH，Gibbs自由能AG，以及空间位阻因子P。

施海云，方梦祥等对建筑装璜中几种常用板材的热解行为进行了热重分析。通过对TG和DTG曲线的分析，深入研究了影响样品热解过程的几个重要因素：升温速率、样品粒径和试样量对热解过程的影响。通过对十种模型的比较，发现热解过程符合两阶段一级反应模型。并得出了各阶段的动力学参数、表观活化能和频率因子。

崔亚兵，陈晓平等在常压热重分析仪和自行研制的加压热重分析仪上进行了生物质热解特性的系统研究，得到了升温速率、压力等因素对生物质热解过程的影响规律。对不同试验条件下的反应动力学参数进行了求解和比较，并作了机理分析。

胡云楚等用TG—DTA热分析联用技术测定了4种常用木材的TG—DTA曲线，并用热动力学方法处理了TG曲线，获得了相应的热解动力学参数。研究发现各种木材在干燥阶段和煅烧阶段的热性质大致相似，而炭化阶段的热性质则因木材的化学组成不同而有较大差异。

综上所述，国内外关于竹材热解过程的研究成果不断丰富，而随着竹材应用领域的日趋广泛，国内外关于竹材加工设计、防火、助燃、火灾危险性等问题的研究需要越来越强烈，因而，深化竹材热解过程的研究，是提升竹材应用价值和拓宽其应用领域的重要基础。