竹材熱解過程

羅威

我國是世界竹子分布最為廣泛的國家，不但竹材資源豐富，且種類眾多，這使得我國成為竹材工業化利用最廣泛的國家。現階段，強化對竹材特點、性能的研究成為擴大竹材利用規模，提升竹材制品質量的重要途徑。

竹材在工業與生活中的應用價值

首先，在將竹材經過機械加工后制成各種竹質人造板和竹材制品替代木材的領域內，先后開發了竹材膠合板、竹材膠合水泥模板、竹材地板、竹木復合膠合板、竹材集成材、竹家具和各種竹質生活用品等產品，為產竹區經濟的發展和增加竹農收入做出了重要的貢獻。在當前中國木材價格高于國際市場、工資水平大大低于歐美等發達國家的情況下，竹材工業化利用的產品尚有一定的競爭能力。利用竹材優良的生物學特性和特殊的微觀結構，重視和開發竹材的化學利用，進行深入的研究，開發新的竹產品，尋找合理的生產工藝，增加產品附加值，也是當前竹材產業發展的必由之路。

特別是全竹的家具，業內專家預測在全球木材資源缺乏的情況下全竹家具將成為未來家具的一個重要分支。處理后的竹材板材防蟲蛀，不會開裂、變形、脫膠。由于竹子的天然特性，其吸濕、吸熱性能高于其它木材，竹質家具具有冬暖夏涼，純竹質高檔家具還具有相當的觀賞性。可以預見，全竹家具在國際市場也是大有可為的。

竹材熱解過程國外研究動態

生物質的熱解已然成為一個新興的熱門研究領域，國外關于生物質熱解過程的研究報道大量涌現，相關理論體系逐漸完善起來，現將其中較有代表性的研究成果綜述如下：

Xiao Gang等利用熱分析儀對竹子進行了熱解研究，指出在竹子的熱解過程有三個階段：竹子外邊面的裂解，竹子內部的裂解和二次裂解重焦油。

Rajulu等把巨龍竹在惰性氣氛下利用熱分析儀在加熱速率為10℃/min做了熱解的實驗，并利用FreemanandCarrollmethod法計算動力學參數。

Mingliang DU等對有老化行為的聚丙烯（PP）和埃洛碳納米管（HNT）等納米復合材料進行了熱解特性分析。

Marta Krzesinska等運用元素分析，差示掃描量熱法（DSC）等方法，以鐵竹為例，研究了熱解溫度對單片多孔碳材料物理性能的影響。

WG Weng等人提出了一種一維綜合模型，用來測試碳化材料受到恒定輻射熱通量而被熱解的過程。測試到了整體碳層厚度，熱穿透深度，表面溫度和質量損失率之間的關系。

上世紀90年代日本掀起一場“竹炭熱”引發日本各地關于竹材熱解炭化過程的研究，田島次郎等用炭化爐進行竹材熱解炭化試驗，發現竹炭產率與排煙溫度110—150℃之間的溫升有關；巖田磨治對不同竹材炭化品質進行了研究，認為炭化指標精煉度與表面積、比表面積、亞甲基藍吸附率等因素有關。

竹材熱解過程國內研究動態

由于國內竹材分布廣泛，種類眾多，且我國對竹材的加工運用水平較高，因而國內關于竹材熱解過程的研究成果較為豐富，現將其中較有代表性的研究成果綜述如下：

鄧天異采用高精度熱重分析儀（TG，DTG和DSC），在高純氮的氣氛下，在40—500℃溫度范圍內，考查了不同部位的竹材樣品（分為外、中、里三層）的熱解過程，進行了小樣品竹材在不同加熱速率和樣品狀態下的熱解動力學分析、產率分析及熱解過程中的焙變分析。

徐明綜述了幾類（非）木質植物原料熱解及液化的研究進展，在此基礎上以小型同竹齡毛竹材為樣品，對其在不同升溫速率下進行熱分析，并計算了表觀活化能。為便于分析還應用綜合熱分析儀等，研究了毛竹材的微觀構造及小型同竹齡毛竹材的化學特性差異。

曾凱斌，蔣斌波，陳紀忠在不同升溫速率（5、10、20、30K·min-1）下，對竹材進行TG分析。在313—650K的溫度范圍內，試樣經歷了水分析出、第一步熱解和第二步熱解過程。用Lev-enberg-Marquardt方法對非等溫動力學過程求解熱解動力學參數。

邵千鉤，彭錦等人在研究竹質材料熱解失重行為及其動力學研究中利用熱重分析儀在氮氣氣氛下對兩種竹質材料（毛竹和孝順竹）的熱解失重行為進行了研究。實驗結果表明竹質材料在熱解過程中可分為失水干燥、預熱解、快速熱解和殘余物緩慢分解等4個階段。

王威崗等研究了木質纖維素的熱解特性，并對其熱解過程進行了分析。結果表明，纖維素在不同升溫速率下的熱解分為3個階段：水分的析出、揮發分的析出以及固定炭的生成。并根據積分法中的Coats和Redfem法求解反應的動力學參數（活化能E，頻率因子A）。

文麗華等選取杉木、花梨木和水曲柳為樣品，對其在不同升溫速率下進行了熱分析并將木材的熱解過程分為四個階段，分析了每個階段的化學物理變化以及熱效應的變化，研究了不同升溫速率對熱解過程的影Ⅱ向，并建立了試樣的熱解模型，求出其動力學參數。

齊國利等用綜合熱分析儀研究了在氮氣或二氧化碳作為載氣的條件下，生物質（稻殼、玉米秸稈和木屑）熱解的TG/DTG曲線。依據熱重曲線，將熱解反應分為兩個主導反應區，其拐點溫度為Tf，并利用改良的Coats-Redfern法和常用的46種機理函數，計算出生物質熱分解反應的表觀活化能、反應級數及頻率因子。并利用這些動力學參數，計算出生物質熱解的動力學特征值——反應速率常數k，活化熵AS，活化焓AH，Gibbs自由能AG，以及空間位阻因子P。

施海云，方夢祥等對建筑裝璜中幾種常用板材的熱解行為進行了熱重分析。通過對TG和DTG曲線的分析，深入研究了影響樣品熱解過程的幾個重要因素：升溫速率、樣品粒徑和試樣量對熱解過程的影響。通過對十種模型的比較，發現熱解過程符合兩階段一級反應模型。并得出了各階段的動力學參數、表觀活化能和頻率因子。

崔亞兵，陳曉平等在常壓熱重分析儀和自行研制的加壓熱重分析儀上進行了生物質熱解特性的系統研究，得到了升溫速率、壓力等因素對生物質熱解過程的影響規律。對不同試驗條件下的反應動力學參數進行了求解和比較，并作了機理分析。

胡云楚等用TG—DTA熱分析聯用技術測定了4種常用木材的TG—DTA曲線，并用熱動力學方法處理了TG曲線，獲得了相應的熱解動力學參數。研究發現各種木材在干燥階段和煅燒階段的熱性質大致相似，而炭化階段的熱性質則因木材的化學組成不同而有較大差異。

綜上所述，國內外關于竹材熱解過程的研究成果不斷豐富，而隨著竹材應用領域的日趨廣泛，國內外關于竹材加工設計、防火、助燃、火災危險性等問題的研究需要越來越強烈，因而，深化竹材熱解過程的研究，是提升竹材應用價值和拓寬其應用領域的重要基礎。