高溫熱處理對竹束顏色和平衡含水率的影響

孫潤鶴，劉 元，李賢軍，侯瑞光，喬建政

（中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

高溫熱處理對竹束顏色和平衡含水率的影響

孫潤鶴，劉 元，李賢軍，侯瑞光，喬建政

（中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

在4個不同的溫度和時間水平下，對新鮮毛竹竹束進行了高溫熱處理，研究了處理溫度和時間對竹束顏色和平衡含水率的影響規律。結果表明：熱處理能使竹束顏色均勻加深，獲得不同的裝飾效果；隨著處理溫度和時間的增加，竹束的明度和黃藍色品指數顯著降低；竹材的平衡含水率呈逐漸降低的趨勢。在本研究范圍內，與對照件相比，通過高溫熱處理最大可使竹束明度、黃藍色品指數分別降低66.28%、63.36%，平衡含水率降低41.94%。

毛竹竹束；熱處理；顏色；平衡含水率

我國竹林面積、蓄積量、竹業產值均居世界首位，素有“竹子王國”之稱[1-4]。與木材相比，竹材具有強度與硬度大、韌性好、紋理優雅美觀等特點，是制造工程結構和家裝材料的理想原料[5-10]。但與此同時，竹材內淀粉、糖類物質含量豐富，使得其在加工和使用過程中極易受到細菌（如霉菌、腐朽菌）和害蟲（如白蟻、木蠹蟲）的侵襲，嚴重影響了其裝飾效果和使用壽命[11]。為減少細菌和害蟲對竹材和竹制品的危害，提高竹制品的耐腐、抗蟲和尺寸穩定性，在竹制品生產過程中，一般需要對竹材進行高溫炭化和干燥處理，其工藝過程一般為：在溫度為120～140℃的高溫處理罐內，采用鍋爐供給的飽和水蒸汽對竹材炭化處理1～4 h，將竹材炭化為咖啡色，然后再將炭化后的竹材重新

堆垛，送入常規干燥室將其干燥至含水率在12%以下[12-15]。該工藝存在著操作繁瑣、勞動強度較大（需要兩次堆垛、兩次拆垛）、工作效率低、處理時間較長的缺陷。本研究在借鑒業已成熟的木材炭化處理技術的基礎上，將竹材的干燥與炭化處理工序合二為一，系統研究熱處理對重組竹制造用竹束顏色和平衡含水率的影響規律，以期為簡化重組竹生產工序、降低成本提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材 料

疏解新鮮毛竹Phyllostachys pubescens竹束，購自湖南益陽桃江縣，竹齡4年。竹束含水率大于50%，長度為450 mm。竹束試件要求無變色、霉變等可見缺陷。

1.2 儀器與設備

高溫熱處理箱（長沙市金來林業有限公司，型號:Ф325×650）；WCS-色差儀（上海精密科學儀器有限公司，型號:WSC-S）；全自動電腦恒溫干燥箱(杭州藍天化驗儀器廠，型號：DHG-9203C )。

1.3 方法與步驟

對竹束進行干燥和高溫熱處理時，干燥溫度恒定為120℃，熱處理溫度（140、160、180和200℃）和時間（0.5、1、2和3h）均為4個水平，總共進行16組干燥-熱處理試驗。在干燥-熱處理的初期升溫段，從室溫升高到120℃，升溫速度控制在20℃/h，在120℃附近保溫至竹束含水率干燥到12%以下。當竹束含水率降低到12%以內后，再將高溫熱處理箱內溫度升高到試驗設定值（140、160、180和200℃），并保持相應時間（0.5、1、2和3h）。干燥-熱處理結束后，關閉加熱器，使高溫熱處理箱溫度逐漸降低到80℃，再打開蒸汽發生器對竹束進行調濕處理(約10 min)。調濕結束后，將高溫熱處理箱溫度降至室溫，再取出竹束，在室內放置30 d后用于顏色和平衡含水率的測量。木材顏色的測量和計算采用國際照明委員會推薦的CIE標準色度學系統（L*a*b*）進行。測量熱處理竹和對照件的平衡含水率時，先稱取在室內放置30 d后的竹束初始質量，再將其烘至絕干，稱取絕干質量,反算出不同處理條件下竹束的平衡含水率。

2 結果與討論

2.1 高溫熱處理對竹束顏色的影響

圖1顯示了干燥-熱處理竹束與對照竹束的外觀顏色對比。在圖中，除了對照竹束外，每1行中的4個熱處理試件具有相同的處理溫度（溫度標在圖右邊），每1列具有相同的處理時間（時間標在圖下邊）。從圖中可以看出，處理溫度達到160 ℃以上，與對照竹束相比，竹束呈現出明顯的裝飾性咖啡色，溫度越高，竹束顏色變化越大。在同一熱處理溫度條件下，隨著熱處理時間的延長，竹束顏色略呈增加趨勢；溫度越高，處理時間對竹束顏色變化的影響越不顯著。除了定性觀察干燥-熱處理處理前后竹束顏色的直觀變化外，本研究還使用色差計定量分析了干燥-熱處理對竹束明度（L*）和黃藍色品指數（b*）的影響規律。

圖1高溫熱處理處理竹束與對照竹束顏色對比Fig. 1Color comparison of thermal treated and untreated bamboo bundles

圖2 和圖3分別表示了干燥-熱處理對竹束明度和黃藍色品指數的影響規律。由圖2可知，隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，竹束的明度L*逐漸降低。與對照件（L*=71.74）相比，在本研究范圍內，通過熱處理可以使竹束的明度降低13.71%～66.28%。當處理溫度高于140 ℃時，提高處理溫度和延長處理時間能顯著降低竹束的黃藍色品指數，但溫度在140 ℃時，高溫熱處理對竹束黃藍色品指數的影響不明顯（見圖3）。與對照件（b*=20.4）相比，在本研究范圍內，通過熱處理可以使竹束的黃藍色品指數最多下降63.36%。在上述兩個色度學參數中，熱處理對竹材明度的影響最為顯著，對黃藍色品指數的影響次之。方差分析表明，熱處理溫度和熱處理時間對竹束明度和黃藍色品指數有顯著影響，但熱處理溫度對竹束顏色的影響程度比熱處理時間對竹束顏色的影響程度要大。

高溫熱處理竹材顏色的改變主要歸因于熱處理過程中竹材細胞壁內主要成分的降解，尤其是半纖維素中戊聚糖的降解[16-18]。另外一個造成竹材顏色改變的重要原因是竹材抽提物，特別是是酚類物質含量的改變。需要指出的是，與染色不同，高溫熱處理改變顏色具有整體性和均勻性，不會出現染色處理過程中經常發生的著色不均勻和易脫色的情況。因此，當需要獲得比竹材本色深的裝飾性顏色時，高溫熱處理不失為一種環保、可行、經濟的竹材調色方法。

圖2 高溫熱處理對竹束L*的影響Fig.2Effect of heat treatment on L＊ of bamboo bundles

圖3高溫處理對竹束b*的影響Fig.3Effect of heat treatment on b＊ of bamboo bundles

2.2 高溫熱處理對竹束平衡含水率的影響

圖4 表示了在熱處理時間均為4 h時，熱處理溫度對竹束平衡含水率的影響規律。從圖中可以看出，所有熱處理竹束的平衡含水率都明顯低于對照竹束的平衡含水率，且隨著熱處理溫度的提高，竹束的平衡含水率逐漸降低。當熱處理溫度為140、160、180和200℃時，竹束的平衡含水率分別為15.32%、15.08%、13.00%和10.80%，與對照竹束（EMC為 18.60%）相比，其平衡含水率分別降低了17.63%、18.92%、30.11%和41.94%。方差分析也表明了在140～200℃范圍內，熱處理溫度對竹材平衡含水率的影響非常顯著。

圖5表示了熱處理溫度均為200℃時,熱處理時間對竹束平衡含水率的影響規律。從圖中可以看出，經過不同時間的高溫熱處理后，所有熱處理竹束的平衡含水率都低于對照竹束，且隨著熱處理時間的延長，竹材的平衡含水率逐漸降低。當熱處理時間為0.5、1、2、3h時，竹束的平衡含水率分別為14.95%、12.45%、11.66%、10.80%。與對照竹束相比，其平衡含水率分別降低了19.62%、33.06%、37.31%、41.94%。方差分析表明熱處理時間介于0.5～3h時，熱處理時間對竹材平衡含水率的影響顯著。但與熱處理溫度對竹材平衡含水率的影響程度相比，熱處理時間對竹材平衡含水率的影響程度要小。

圖4 熱處理溫度對EMC的影響Fig.4 Effect of heat treatment on EMC with different temperature

圖5 熱處理時間對EMC的影響Fig.5 Effect of heat treatment on EMC with different time

從上述試驗結果可以看出，對竹束進行干燥-熱處理處理可以顯著降低竹束的平衡含水率，且隨著熱處理溫度的升高和處理時間的延長，竹束平衡含水率降低越大。其原因可能是：在高溫熱處理過程中，竹材細胞壁纖維素非結晶無定形區內的纖維素分子鏈之間的羥基發生架橋反應，脫出水分，產生醚鍵，導致無定形區內微纖絲的排列更加有序，纖維素游離羥基的數量減少，吸濕性能下降；另外，竹材內半纖維素多聚糖分子鏈上的乙酰基發生水解而生成醋酸，使得吸水性較強的羰基數量減少，半纖維素的吸濕性能下降；最后，在熱處理過程中，細胞壁3大成分物質中具有很強吸濕性的半纖維素含量降低，使得吸濕性整體下降[19-22]。以上3大因素共同作用，使得高溫熱處理后竹束吸濕性能降低，從而使以竹束為構成單元的重組竹的尺寸穩定性得到提高。最后，需要指出的是，與現有的竹材高溫高壓飽和水蒸氣高溫熱處理工藝相比，采用本研究所發明的常壓干燥-熱處理工藝可以簡化工序，顯著降低勞動強度，減少處理時間，提高勞動效率，但其處理溫度要提高近70℃，竹材的脆性有所增加。

3 結論

本研究在4個溫度水平（140、160、180和200℃）和4個時間水平（0.5、1、2和3h）下對毛竹竹束進行高溫熱處理，研究了處理溫度和處理時間對竹束顏色的影響規律。結果表明：

（1）在本研究范圍內，通過高溫熱處理可以使竹束的顏色均勻加深，從而使重組竹板材的裝飾性增強；干燥-熱處理可以使竹束明度（L*）降低13.71%～66.28%，黃藍色品指數（b*）最高可降低63.36%；熱處理對竹材明度影響最顯著，對黃藍指數的影響次之。

（2）隨著熱處理溫度和時間的延長，竹束的平衡含水率（EMC）逐漸降低，其最高降低幅度可達10.80%。

（3）熱處理溫度對竹束的明度（L*）、黃藍色品指數（b*）和平衡含水率（EMC）的影響程度比熱處理時間的影響程度顯著。

[1] 任明亮.中國竹產業國際競爭力研究[D].北京：北京林業大學碩士論文，2008.

[2] 張齊生.當前發展我國竹材工業的幾點思考[J].竹子研究匯刊，2000，19（3）：16-19.

[3] 董文淵.21世紀中國竹產業可持續發展的歷史機遇[J].世界林業研究，2003，16（1）：42-45.

[4] 李增耀. 發展竹產業實現生態經濟可以持續發展[J]，生態經濟，2001，4（1）：34-36.

[5] 張齊生，孫豐文. 我國竹材工業的發展展望[J]. 林產工業，1999,( 4) : 3-5.

[6] 謝朝柱. 湖南竹業發展的現狀、目標及對策[J]. 經濟林研究，2008，26（4）：121-124.

[7] 夏傳格. 湖南楠竹業現狀與發展對策[J]. 經濟林研究，2003，21（4）：146-147.

[8] 秦 莉，于文吉. 重組竹的研究現狀與展望[J]，世界林業研究，2009，22（6）：56-59.

[9] 吳 巖，李玉順. 改性竹材的應用與前景[J]，森林工程，2008，24（6）：68-71.

[10] 蔣身學，程大莉，張曉春.高溫熱處理竹材重組材工藝及性能[J].林業科技開發，2008,22(6):80-82

[11] 秦 莉，于文吉，余養倫. 重組竹材耐腐性能的研究[J]. 木材工業，2010,21(4):9-11.

[12] SINIM K, TONI A , PERTTI V. The water absorption of sapwoodand heartwood of Scots pine and Norway spruce heat2treated at 170 ,190 , 210 and 230 ℃[J] . Holz als Roh2und Werkstoff , 2006 , 64 :192- 197.

[13] KAMDEN D P , PIZZI A , JERMANNAUD A. Durability of heat2treated wood[J].Holz als Roh2und Werkstoff , 2002,60:1-6.

[14] NGUILA I G, PETRISSANM, GERARDIN P. Chemical reactivity ofheat2treated wood [J].Wood Science and Technology,2007, 41:157- 168.

[15] BOONSTRAM J , ACKER J , KEGEL E , et al. Optimization of atwo2stage heat treatment process durability aspects[J]. Wood Scienceand Technology , 2007,41:31- 57.

[16] 張亞梅，于文吉. 熱處理對竹材性能及變色的影響[J]. 木材加工機械，2008,（4）：40-47.

[17] 張亞梅，于文吉. 熱處理對毛竹竹材顏色變化的影響[J]. 木材工業，2009，23(5)：5-7.

[18] 魏新莉，向仕龍. 高溫熱處理對軟木材色的影響[J]. 中南林業科技大學學報，2012，1（32）：66-69.

[19] 張亞梅.熱處理對竹材顏色及物理力學性能影響的研究[D].北京：中國林業科學碩士論文,2010.

[20] 李賢軍，蔡智勇.高濕熱處理對松林顏色和潤濕性的影響規律[J].中南林業科技大學學報，2011,8(31)：178-182.

[21] 李賢軍，劉 元. 高溫炭化熱處理對木材平衡含水率的影響規律[J]. 木材加工，2008,10(3):50-51.

[22] 史 薔，鮑甫成，呂建雄. 熱處理對圓盤豆木材尺寸穩定性的影響[J].中南林業科技大學學報，2011，31(7)：24-27.

Effects of heat treatment on color and equilibrium moisture content of mao-bamboo bundles

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

The experiments of heat treatment for bamboo bundles were conducted at 4 varying temperatures and 4 varying durations,and the effects of treatment temperature and duration time on the color and equilibrium moisture content(EMC) were investigated. The results show that heat treatment can make the color of mao-bamboo bundles uniformity darken and thus get different decoration effects;and the lightness and yellow-blue value of bamboo bundles signif i cantly decreased with increasing temperature and duration time，while the red-green value varied irregularly, EMC also became lower; and thermal treatment can decrease the lightness yellow-blue value and EMC of bamboo bundles went up to 66.28%, 63.36% and 41.94%.

bamboo bundles of Phyllostachys pubescens; heat treatment; color; equilibrium moisture content

S784

A

1673-923X(2012)09-0138-04

2012-05-17

湖南省科技重大專項（2011FJ1006），教育部新世紀優秀人才支持計劃項目；湖南省科技支撐計劃項目( 2010NK3039)

孫潤鶴(1987)，男，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向為木材材性與功能性改良；E-mail: sunrh_mu@163.com

劉 元(1960-)，男，湖南衡陽人，博士，教授，博導，主要研究方程為木材功能性改良；E-mail:liuyuan60@hotmail.com

[本文編校：歐陽欽]