高温热处理对重组竹物理力学性能的影响

侯瑞光，刘 元，李贤军，孙润鹤，乔建政

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

高温热处理对重组竹物理力学性能的影响

侯瑞光，刘 元，李贤军，孙润鹤，乔建政

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

在4个不同的温度和时间水平下，对新鲜毛竹竹束进行了高温干燥-热处理，利用冷压热固化方法压制重组竹，研究了热处理温度和时间对重组竹物理力学性能的影响规律。结果表明：经过干燥-热处理后，重组竹的耐水性能有所提高，24 h吸水率（RWA）和吸水厚度膨胀率（RTS）下降幅度分别达6.31%～30.09%和3.96%～40.26%；重组竹的内结合强度(SIB)和静曲强度(SMOR)呈逐渐降低趋势，在本研究范围内，分别降低14.34%～60.96%和21.54%～64.48%。但重组竹的弹性模量(EMOE)与热处理温度的提高和时间的延长没有明显变化。

毛竹竹束；重组竹材；干燥-热处理；物理力学性能

近年来，重组竹系列产品的产业化规模不断扩大，已成为竹产品系列当中最具发展潜力的竹产品之一。它具有原材料利用率高、生产工艺简单和良好的物理力学性能等特点，是制造家装材料和工程材料的理想原料[1-4]。但是竹束（重组竹基本单元）含有丰富的淀粉和糖类物质，致使重组竹在生产和使用过程中极易受到细菌（如霉菌、腐朽菌）和害虫（如白蚁、木蠹虫）的破坏，严重影响了其装饰效果和使用寿命[5]。为减少细菌和害虫对重组竹的危害，提高重组竹的理化性能，在压制重组竹板材之前，一般需要对竹束分别进行干燥和热处理，其工艺流程为：在温度为120～140℃，压力为0.3～0.5 MPa的热处理罐内，以饱和水蒸汽为传热介质，对竹束处理1～4 h，然后采用风机再将炭化后的竹束迅速冷却后重新堆垛，送入常规干燥室将其干燥至含水率12%以下[6-7]。该工艺存在着劳动强度大（需要两次堆垛、两次拆垛）、能耗高（炭化后需冷却再加热）、操作繁琐、工作效率低等缺陷。本研究在业已成熟的木材热处理技术的基础之上，将竹束的干燥与热处理合二为一，系统研究干燥-热处理对重组竹物理力学性能的影响规律，以期为简化重组竹生产工序、降低成本提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材 料

毛竹疏解竹束，尺寸为400 mm×100 mm×20 mm；酚醛树脂胶粘剂（PF）：固体含量40%，购自太尔胶粘剂（广东）有限公司。

1.2 仪器与设备

高温热处理箱（长沙市金来木业有限公司，型号：Ф325×650）；冷压机（青岛国森机械有限公司，型号：LY200*95-180/5）；电子式万能试验机(济南试金集团有限公司，型号：MWD-W10)；电子天平（上海光正医疗仪器有限公司，型号：YP10001）。

1.3 方法与步骤

重组竹制造工艺流程：竹束→干燥-热处理→浸胶→干燥→组坯→冷压→热固化→成品。

分别在温度为140、160、180、200℃和时间为0.5、1、2、3 h的水平下将新鲜竹束于油浴型热处理箱内进行干燥-热处理，共计16组处理试件。热处理结束后将竹束放置7 d使其充分平衡，再将热处理竹束连同干燥后的新鲜竹束（含水率在12%以下）在固体含量为28%的浸胶池中浸渍15 min，沥干后使用干燥箱在63℃的条件下将竹束的含水率干燥至12%以下。将干燥好的竹束称重纵向放入模具中，在约60 MPa的压力下高压成型，将模具锁定后送入温度为120℃的固化室内固化10 h。固化结束后用风机吹冷，去销，取出重组竹，去头，刨光。将重组竹在室内放置7 d后用于测量重组竹的物理力学性能。根据GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，分别测量各处理水平下重组竹的吸水率（RWA）、吸水厚度膨胀率（RTS）、内结合强度（SIB）、静曲强度（SMOR）和弹性模量（EMOE）[8]。因重组竹板材的内结合强度较大，因此在测量时用锯机在试件厚度中间开一周深为15 mm的小槽，宽度为锯片的宽度（约3 mm）。

重组竹试验设计密度为1.2 g/cm3，实际板材的密度为0.93 g/cm3～1.11 g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 高温热处理对重组竹物理性能的影响

图1和图2分别表示不同干燥-热处理条件下重组竹材的24 h吸水率（RWA）和吸水厚度膨胀率（RTS）。从图中可以看出，随着处理温度的升高和时间的延长，重组竹板材的吸湿性和吸水厚度膨胀率逐渐降低，表明干燥-热热处理对提高重组竹的尺寸稳定性起到了十分积极的作用。

图1 热处理对重组竹吸水率的影响Fig. 1 Effects of different thermal treatment on 24 hours RWA of reconstituted bamboo lumber

图2 热处理对重组竹吸水厚度膨胀率的影响Fig. 2 Effects of different thermal treatment on 24 hours RTS of reconstituted bamboo lumber

由 图 1可 知， 温 度 为 140、160、180和200℃时吸水率分别为7.94%～8.47%、7.35%～8.03%、6.64%～7.45%和6.32%～6.85%，与对照重组竹（吸水率9.54%）相比，在本研究范围内，通过干燥-热处理可以使重组竹的吸水率降低6.31%～30.09%；从图1中还可以看出，在相同处理温度下，随着处理时间的延长，重组竹的吸水率略微下降，但下降幅度不大，说明热处理温度对重组竹吸水率的影响程度要大于处理时间对重组竹吸水率的影响程度。

由图2可知，各组重组竹试件的吸水厚度膨胀率均比较小。从图上可以看出，温度为140、160、180和200℃时24 h吸水厚度膨胀率分别为 2.36%～ 3.27%、1.52%～ 2.68%、1.45%～2.09%和1.11%～1.83%，与对照重组竹（RTS为3.03%）相比，在本研究范围内，通过干燥-热处理可以使重组竹的吸水厚度膨胀率降低幅度可达到3.96%～40.26%；且热处理温度对吸水厚度膨胀率的影响程度比处理时间的影响程度更为显著，当温度在160℃以上时，1～3 h处理时间对吸水厚度膨胀率的影响极小。

经过不同条件的干燥-热处理后，重组竹24 h吸水率和吸水厚度膨胀率降低的主要原因是因为竹材细胞壁内无定形区内纤维素分子链之间的羟基发生“架桥”反应，脱出水分，产生醚键，导致微纤丝的排列更加有序，向结晶区靠拢，使游离羟基的数量明显减少，从而使重组竹的耐水性能得到提高[9-12]。对竹束红外特征分析也表明（见图3），干燥-热处理能够使竹材羟基的吸收峰强度降低，表明竹材内部自由羟基含量的减少，从而在理论上验证了干燥-热处理能使重组竹的耐水性能得到提高。

图3 不同热处理温度竹束的红外光谱图Fig.3 HTIR of bamboo bundles with different thermal treatment temperature

图4 一体化处理对重组竹弹性模量的影响Fig. 4 Effects of thermal treatment on EMOE of reconstituted bamboo lumber

图5 干燥-热处理对重组竹静曲强度的影响Fig. 5 Effects of thermal treatment on 24 hours SMOR of reconstituted bamboo lumber

2.2 高温热处理对重组竹力学性能的影响

图4～图6分别表示不同干燥-热处理条件对重组竹弹性模量、静曲强度和内结合强度的影响规律。从图4可以得出，竹束经过干燥-热处理后，重组竹的弹性模量变化不大，即热处理温度和时间对重组竹的弹性模量无显著影响；各热处理后重组竹的弹性模量主要集中在10 500 MPa～12 000 MPa，呈现无规律变化。由图5可知，随着热处理温度的升高和处理时间的延长，热处理重组竹的静曲强度呈逐渐下降的趋势。在本研究范围内，相对于对照重组竹，干燥-热处理使重组竹的静曲强度降低21.54%～64.48%。从图中可知，处理温度对重组竹静曲强度的影响程度要比处理时间对静曲强度的影响程度要大，且随着处理温度的增加，处理时间对重组竹静曲强度的影响程度逐渐减弱。如在140℃处理条件下，0.5 h～3 h重组竹静曲强度最大相差22.67%；在200℃处理条件下，0.5 h～3 h重组竹静曲强度最大16.84%。从图6可以看出，随着热处理温度的升高和时间的延长，重组竹内结合强度也呈逐渐降低的趋势。在本研究范围内，与对照重组竹相比（内结合强度2.81 MPa），干燥-热处理使重组竹的内结合强度降低14.34%～60.96%；热处理温度对重组竹内结合强度的影响程度要比处理时间对内结合强度的影响程度要大。静曲强度和内结合强度是评价人造板理化性能的两个重要指标，在本研究范围内，当处理温度达到180℃，静曲强度和内结合强度相对于对照重组竹最低已下降40.64%和46.10%，因此在当重组竹用于结构件时，采用干燥-热处理工艺处理竹束时，温度尽量控制在180℃以内。

经过干燥-热处理后的竹束，特别是180℃和200℃两个温度水平下，竹束韧性变差，竹束内部三大素发生热降解等一系列复杂反应，导致重组竹的静曲强度和内结合强度有较大的下降，这和前人对高温热处理竹材和木材的力学性能的研究成果一致[13-16]，但是下降幅度较大，具体原因可能是与饱和水蒸气热处理工艺相比，干燥-热处理工艺使重组竹的降解更为剧烈。且处理温度越高，时间越长，竹束韧性越差，并在约60 MPa的压力下，竹束压溃严重。热处理温度对重组竹静曲强度和弹性模量的影响程度比处理时间的影响程度要大，主要是因为温度是竹材三大组成成分降解的主要因素，而热处理时间对竹材三大组成成分的降解贡献不大。干燥-热处理工艺对重组竹的弹性模量的变化不明显也与前人的科研成果相一致[17-20]。这主要是因为，竹材三大素当中，纤维素赋予竹材硬度和刚性，木素填充其中起硬固物质的作用。而纤维素和木素的热稳定性比较高，在本研究范围内，纤维素和木素在高温热处理过程中可认为只是部分发生了分解，因此，干燥-热处理后重组竹的弹性模量没有发生明显的变化。

图6 干燥-热处理对重组竹内结合强度的影响Fig. 6 Effects of thermal treatment on SIB of reconstituted bamboo lumber

3 结 论

本课题采用冷压-高温固化法将高温干燥-热处理后竹束压制成重组竹。对不同处理条件的重组竹进行物理力学性能测试，结论如下：

（1）经过干燥-热处理后，重组竹的耐水性能有所提高。随着高温热处理温度的提高和时间的延长，重组竹24 h 吸水率（RWA）和吸水厚度膨胀率（RTS）呈逐渐降低的趋势。其中，吸水厚度膨胀率下降较为明显。在温度200℃，3h处理条件下，重组竹的吸水厚度膨胀率下降近40%。

（2）经过干燥-热处理后，重组竹的静曲强度（SMOR）和内结合强度(SIB)不同程度的降低。随着高温热处理温度的提高和时间的延长，重组竹的静曲强度和内结合强度分别降低21.54%～64.48%和14.34%～60.96%。但重组竹的弹性模量随着处理处理温度的提高和时间的延长没有明显变化。

（3）热处理温度对重组竹的24吸水率（RWA）、吸水厚度膨胀率（RTS）、静曲强度（EMOE）和内结合强度（SIB）的影响程度比热处理时间的影响程度显著。

[1] 于文吉.我国重组竹产业发展现状与趋势分析[J].木材工业,2012,26(1)：11-14.

[2] 秦 莉，于文吉.重组竹的研究现状与展望[J].世界林业研究，2009，22(6)：56-59.

[3] 李 琴，华锡奇，戚连忠.重组竹发展前景展望[J].竹子研究汇刊，2001，20(1)：76-79.

[4] 张齐生.当前发展我国竹材工业的几点思考[J].竹子研究汇刊，2000，19(3).

[5] 秦 莉，于文吉，余养伦. 重组竹材耐腐性能的研究[J].木材工业，2010，21(4)：9-11.

[6] 李延军，孙 会，鲍滨福,等.国内外木材热处理技术研究进展及展望[J].浙江林业科技，2008，28(5)：75-78.

[7] 曲保雪，朱立红.热处理木材国内外研究现状与应用前景分析[J].河北林果研究，2008，23(3)：276-279.

[8] 龙传文，李年存.人造板工艺实验及性能测定方法[M].长沙：中南林学院，2005:153-162.

[9] 包永洁，蒋身学，程大莉，等.热处理对竹材物理力学性能的影响[J].竹子研究汇刊，2009，28(4)：50-53.

[10] 蒋身学，程大莉，张晓春.高温热处理竹材重组材工艺及性能.林业科技开发,2008,22(6): 80-82.

[11] 李贤军，刘 元.高温炭化热处理对木材平衡含水率的影响规律[J].木材加工，2009：50-51.

[12] 张亚梅，于文吉.热处理对竹材性能及变色的影响[J].木材加工机械，2008,(4)：40-47．

[13] 秦 莉.热处理对重组竹物理力学及耐久性能影响的研究[D].北京：中国林业科学研究院，2010.

[14] 张亚梅.热处理对竹材颜色及物理力学性能影响的研究[D].北京：中国林业科学研究院，2010.

[15] Bekhta P, Niemz P. Effect of high temperature on the change in colour, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood[J]. Holzforschung. 2003, 57(5): 539-546.

[16] Fruhwald E. Effect of high-temperature drying on properties of Norway spruce and larch[J]. Holz Roh Werkst，2007, 65(6):411-418.

[17] Bror Sundqvist, Olov Karlsson, Ulla Westermark. Determiantion of formic-acid and acetic acid concentrations formed during hydrothermal treatment of birch wood and its relation to colour,strengthand hardness[J]. Wood Sci. Technol., 2006, 40(7):549-561.

[18] 李 能,陈玉和,包永洁,等.国内外竹材防腐的研究进展[J].中南林业科技大学学报,2012,32(6).

[19] 李新功,胡 南,李 辉.竹席/竹碎料新型建筑模板制备工艺研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(1).

[20] 李贤军,蔡智勇,傅 峰,等.高温热处理对松木颜色和润湿性的影响规律[J].中南林业科技大学学报,2011,31(8).

Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of reconstituted bamboo lumber (RBL)

HOU Rui-guang, LIU Yuan, LI Xian-jun, SUN Run-he, QIAO Jian-zheng
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The experiments of fresh bamboo bundles heat treatment were conducted with four different temperatures and four different duration time, and the reconstituted bamboo lumber (RBL) was made from the bamboo bundles by adopting cold heat-curing method.The effects of treatment temperature and duration time on physical-mechanical properties were investigated. The results show that the heat treatment obviously strengthened the 24 hours water proof property and the water absorption(RWA) rate and thickness swelling rate after water absorption(RTS) declined by 6.31% ～ 30.09% and 3.96% ～ 40.26% respectively, in contrast to the untreated bamboo lumber;and the internal bond strength(SIB) and static bending strength(SMOR) signif i cantly decreased with increasing temperature and duration time; in contrast to the untreated lumber, the heat treatment made the values of SIBand SMORdecreased from 14% to 40% and 22% to 64%, respectively. While the EMOEof RBL didn’t markedly varied as the heat treatment temperature raised and treating time prolonged.

bamboo bundles; reconstituted bamboo lumber; dry and heat treatment; physical-mechanical properties

S781.7；S795

A

1673-923X(2013)02-0101-04

2012-11-07

湖南省科技重大专项（2011FJ1006）；教育部新世纪优秀人才支持计划项目；湖南省科技支撑计划项目( 2010NK3039)

侯瑞光（1988-），男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向：木材功能性改良；E-mail：452883852@qq.com

刘 元（1960-），湖南衡阳人，博士，教授，博导，研究方向：竹材、木材功能性改良；E-mail：liuyuan601220@163.com

[本文编校：邱德勇]