高温热处理对罗竹蒸笼径向压力影响的试验研究

刘海庆，姜德龙

（罗定职业技术学院，广东 云浮 527200）

0 引言

我国竹类产品丰富，毛竹是林业重要的经济作物，具有分布广、生长周期短等优点[1]，国内大部分竹类研究都集中在毛竹领域，对罗竹的研究甚少。罗竹是沙罗单竹的别名，是我国南方地区重要竹种之一，具有秆壁甚薄的特点，主要用来编织竹器、蒸笼等。广东省罗定市泗纶镇是竹蒸笼之乡，以本地罗竹为原料，生产出来的蒸笼具有天然的罗竹清香，闻则令人心旷神怡，食物经罗竹蒸笼蒸熟或炊熟，罗竹的清香和微量元素可通过蒸汽渗透到食物中。罗竹蒸笼远销海外，产品供不应求，据不完全统计，泗纶镇及周边乡镇，从事蒸笼加工1.5万多户约2万余人，年产蒸笼7 000万只，产值4亿多元，创汇近3 000万美元。因为竹蒸笼需要在高湿的环境下炊蒸食物，且竹材内富含淀粉、糖类等营养物质，容易滋生霉菌，导致竹蒸笼霉变[2,3]，借鉴木材热处理技术，对竹材进行高温热处理[4-6]，从而达到延长竹蒸笼使用寿命，改善竹蒸笼力学性能的目的[7-9]。本文利用自制的热处理设备对罗竹蒸笼进行高温热处理试验，从热处理温度和时间两方面研究对不同直径罗竹蒸笼的影响，为以罗竹为原材料的竹材改性处理提供借鉴。

1 罗竹蒸笼加工工艺

罗竹蒸笼按照外径尺寸分类，主要有130 mm、150 mm、167 mm、178 mm、205 mm、230 mm、260 mm、280 mm、300 mm、330 mm、370 mm、406 mm、460 mm等。

罗竹蒸笼加工有8个步骤，如图1所示。一是选料，选取当地深山种植4年以上，竹直、径长、节疏的优质罗竹。二是开料，将砍下来的罗竹削去枝叶，并按照需要加工的蒸笼规格将罗竹锯成各种长度，破开、裁好。三是削片，将开好的竹片削去表面竹青，并把竹片刨光滑、大小均匀，同时做好防腐霉消毒处理。四是焙片，将刨好的竹片放在火上烘焙，使其具有良好的柔韧性，晒干后以待编织。五是定型，将烘好的竹片，按照蒸笼的规格要求卷成圆形，用铜线穿好固定，做成蒸笼的外圈。六是防霉，对编织好的蒸笼进行热处理和防虫处理，防止蒸笼发霉。七是晾晒，将蒸笼晒干。八是打磨，将晒干的蒸笼进行打磨，去除毛边，即成蒸笼。

图1 竹蒸笼制作工艺流程Fig.1 Bamboo steamer production process

2 罗竹蒸笼热处理工艺

罗竹高温热处理装置如图2所示，将罗竹蒸笼放置到热处理室10内，摆放整齐，点燃燃烧室7内的竹蒸笼加工的废弃物，加热后的空气通过热循环换热器6进入竖直布置的导热管11，温度控制装置8调节进入热处理室10的空气量，热循环风扇12转动，使热处理室内的空气均匀分布，热处理室内的湿冷空气由抽湿风机4排放到环保除尘器3内，环保除尘器3将湿冷空气内的烟尘等有毒有害物质处理后，气体由排气烟囱2排出，排灰口1取出废弃物。

图2 高温热处理装置示意图Fig.2 schematic diagram of high temperature heat treatment device

竹制品加工废弃物为高温热处理装置加热的能量来源，排灰口取出的废弃物可作为竹子生长的肥料，实现绿色循环。

3 方案设计与试验

3.1 高温热处理试验方案设计

为探索不同竹蒸笼直径、加热温度、时间等参数以及其交互作用对罗竹蒸笼可承受的最大径向压力（简称径向压力），获得最优参数组合，本试验选取正交旋转试验方案。高温热处理温度分别为130℃、150℃、170℃，高温热处理时间分别为1 h、2 h、3 h。将罗竹蒸笼放置在高温热处理装置内，先升温至50℃，然后每小时均匀升温10℃，直至实验温度，最后将热处理后的罗竹蒸笼送入恒温恒湿箱内，在温度（20±2）℃、湿度（65±5）%的条件下进行水分调节，直至竹蒸笼含水率稳定，再测量其径向力。

3.2 试验设备与工具

INSTRON5582万能材料试验机，高温热处理装置，游标卡尺，蒸笼试验箱，恒温恒湿箱等。

3.3 试验材料及方法

罗竹蒸笼为罗定市恒兆蒸笼有限公司生产的罗竹牌蒸笼，蒸笼的材料来自广东省罗定市泗纶镇4～6年生的罗竹。蒸笼试验箱长度为蒸笼直径，宽度为笼高，高度为蒸笼半径，材料试验机从蒸笼未装入试验箱部分加力测试径向力。本试验选择直径130 mm（直径最小的罗竹蒸笼）、205 mm（销量最好的罗竹蒸笼）、460 mm（直径最大的罗竹蒸笼），选取每种直径蒸笼48个，分16组进行试验研究，即每种直径蒸笼径向力试验重复3次。参照GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[10]中规定的方法，测罗竹蒸笼径向力学性能。

3.4 多因素试验

试验因素水平编码表，如表1所示。X1为温度，X2为时间，采取了2因素正交旋转试验设计方法，共有16组试验。

表1 因素水平编码表Tab.1 Coding table of level of experimental factors

4 试验结果

2因素正交旋转试验结果如表2—4所示。y1是直径为130 mm蒸笼的径向压力，y2是直径为205 mm蒸笼的径向压力，y3是直径为460 mm蒸笼的径向压力。为了直观地分析温度、时间与径向压力之间的关系，利用Design-Expert 8.0.10软件对试验数据进行分析，得到温度与时间对直径为130 mm蒸笼径向压力影响的回归方程如式1所示，温度与时间对直径为130 mm蒸笼径向拉力影响的响应曲面图如图3所示。

表2 直径为130 mm蒸笼试验结果Tab.2 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 130 mm

表3 直径为205 mm蒸笼试验结果Tab.3 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 205 mm

表4 直径为460 mm蒸笼试验结果Tab.4 Experimental scheme and results of steamer with diameter of 460 mm

图3 130 mm蒸笼径向压力响应曲面图Fig.3 Response surface diagram of radial pressure of 130 mm steamer

由图3可知，当温度一定时，随着时间的增加，130 mm蒸笼的径向压力逐渐增大，当时间一定时，随着温度的增大，130 mm蒸笼的径向压力先逐渐增大再逐渐减小，响应曲面沿温度方向较沿时间方向变化快，表明温度对130 mm蒸笼的径向压力的影响较时间影响显著。

根据木材学理论及木材碳化机制[11]，随着温度的逐渐升高，罗竹竹材内部的化学成分和组织结构发生显著变化，罗竹的半纤维素、纤维素、木质素开始降解[12]，因为半纤维素分子量低、有支链结构，半纤维素率先开始降解[13]。温度越高，时间越长，半纤维素降解就越多，由于半纤维素对罗竹竹材起着粘结作用[14,15]，它的降解导致罗竹蒸笼承受的径向压力下降。

利用Design-Expert 8.0.10软件对试验数据进行分析，得到温度与时间对直径为205 mm蒸笼的径向拉力影响的回归方程如式2所示，温度与时间对直径为205 mm蒸笼径向压力影响的响应曲面图如图4所示。

图4 205 mm蒸笼径向压力响应曲面图Fig.4 Response surface diagram of radial pressure of 205 mm steamer

由图4可知，当温度一定时，随着时间的增加，205 mm蒸笼的径向压力逐渐增大，当时间一定时，随着温度的增大，205 mm蒸笼的径向压力先逐渐增大再逐渐减小，响应曲面沿温度方向较沿时间方向变化快，表明温度对205 mm蒸笼的径向压力的影响较时间影响显著。

利用Design-Expert 8.0.10软件对试验数据进行分析，得到温度与时间对直径为460 mm蒸笼的径向拉力影响的回归方程如式3所示，温度与时间对直径为460 mm蒸笼径向压力影响的响应曲面图如图5所示。

由图5可知，当温度一定时，随着时间的增加，460 mm蒸笼的径向压力逐渐增大，当时间一定时，随着温度的增大，460 mm蒸笼的径向压力先逐渐增大再逐渐减小，响应曲面沿温度方向较沿时间方向变化快，表明温度对径向压力的影响较时间影响显著。

图5 460 mm蒸笼径向压力响应曲面图Fig.5 Response surface diagram of radial pressure of 460 mm steamer

5 优化与试验验证

在前述建立的130 mm蒸笼的径向压力、205 mm蒸笼的径向压力和460 mm蒸笼的径向压力的二阶多项式模型的基础上，分别以y1、y2和y3为优化目标，应用Design-Expert 8.0.10软件分别对目标函数寻优，目标函数分别为公式4—6所示，得到130 mm蒸笼的径向压力最佳参数组合为：温度144.22℃，时间为2.99 h，径向压力大小为2 062.15 N；205 mm蒸笼的径向压力最佳参数组合为：温度148.53℃，时间为2.72 h，径向压力大小为1 829.96 N；460 mm蒸笼的径向压力最佳参数组合为：温度147.31℃，时间为2.42 h，径向压力大小为1 179.94 N。

根据优化结果对其进一步进行试验验证，得到130 mm蒸笼的径向压力为2 060.8 N，205 mm蒸笼的径向压力为1 827.1 N，460 mm蒸笼的径向压力为1 178.6 N，验证结果与Design-Expert 8.0.10优化结果基本一致，其误差主要为考虑试验过程中设备精度和人为操作对试验造成的误差，验证试验结果与最佳组合下的预测结果比较接近，具有较好的一致性，说明优化模型可行。

6 结论

本文通过自制的高温热处理装置对罗竹蒸笼进行了力学性能试验，通过正交旋转试验，研究了温度与时间及交互作用对罗竹蒸笼径向压力的影响分析，建立了径向压力的数学模型，通过目标优化，得到130 mm、205 mm、460 mm罗竹蒸笼的径向压力最佳参数组合分别为：温度144.22℃，时间为2.99 h；温度148.53℃，时间为2.72 h；温度147.31℃，时间为2.42 h。