常壓高溫熱處理對紅竹竹材物理力學性能的影響

夏 雨， 牛帥紅， 李延軍,3， 夏 俐， 馬俊敏， 王 麗， 余肖紅

（1.浙江農林大學 工程學院，浙江 杭州 311300；2.中融科創信息技術河北有限公司，河北 石家莊050000；3.南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；4.杭州和恩竹材有限公司，浙江杭州311251；5.浙江慶元縣永青國有林場，浙江 慶元323800）

中國是世界竹資源第一大國，竹子栽培和竹材利用歷史悠久，在品種、面積、蓄積量、竹制品產量和出口額方面均居世界第一，素有 “竹子王國”美譽。中國竹產業自20世紀90年代開始發展以來，其產品廣泛應用于車輛、建筑、家具、裝飾等各個領域［1-3］。中國竹家具的歷史悠久，風格獨特，造型美觀，是傳統家具的一個重要分支［4-5］。原竹家具是竹家具的重要組成部分，主要使用紅竹Phyllostachys iridescins作為加工材料。在實際生產加工中，由于竹材含有較高的纖維素、半纖維素、淀粉、糖類及蛋白質等有機物，原竹家具在儲存、加工和使用過程中容易產生蟲蛀、霉變和開裂等問題，因此原竹家具用材需進行必要的改性處理［6-7］。竹材高溫熱處理是借鑒木材熱處理技術而提出的改善竹材性能、提高產品質量的一種改性方法［8-11］。高溫熱處理有利于改善竹材材料的尺寸穩定性、耐腐性、耐候性等性能，實現竹材的高效利用，增加產品種類，提高產品質量［10］。目前，國內外對于竹材熱處理的研究多集中于毛竹Phyllostachys edulis［3，6-7，12］，對于紅竹熱處理研究較少，紅竹分布于浙江、江蘇、上海、四川和安徽等地，產量豐富，是具有代表性的小徑級竹材，筆者對紅竹竹材進行高溫熱處理試驗，為原竹家具原料的改性處理和小徑級竹的研究提供一定的技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為3年生紅竹，采伐自安徽省寧國市。選取表面光滑，無明顯缺陷的紅竹，距地50 cm處采伐，往上1.5 m為試件原料，采伐12組，15根·組-1，共計180根。分別制作試件，參照GB/T 15780-1995《竹材物理力學性質試驗方法》［13］和 ISO 22157-1-2004Specifies Test Methods for Evaluating the Following Characteristic Physical and Strength Properties for Bamboo［14］。 制成 10 mm × 10 mm ×tmm（t為壁厚）竹片材試件，測基本密度、干縮率；20 mm×20 mm×tmm竹片材試件，測順紋抗壓強度；160 mm×10 mm×tmm竹片材試件，測抗彎強度；35 mm×20 mm×tmm竹片材試件，測凸型順紋抗剪強度；280 mm×10 mm×tmm竹片材試件，測凹型順紋抗拉強度；dmm （d為直徑）×40 mm的圓竹材試件，測順紋抗壓強度、順紋抗剪前度、徑向環剛度；dmm×60 cm（測試點無竹節）圓竹材試件，測抗彎強度。

1.2 試驗設備

微機控制電子式木材萬能試驗機（DNS50），高低交變濕熱試驗箱（ER-10AGP），烘箱（SEG-021），電子分析天平（AB204-N），干燥碳化窯，游標卡尺，螺旋測微器等。

1.3 熱處理試驗

將試件放置于干燥箱中，初始溫度為40℃，隔2 h溫度升高5℃，直至103℃，竹材干燥至絕干；將絕干試件分別以溫度為110，130，150，170℃，時間分別為1，2，3 h進行常壓高溫熱處理。熱處理過程中為防止竹材及圓竹材開裂，采用蒸汽高溫熱處理，試件放入干燥窯后，開始通蒸汽，進行高溫熱處理，試件共計12組。熱處理后試件放入高低交變濕熱試驗箱中，以溫度（20±2）℃，濕度（65±5）%進行水分調節，待含水率穩定后，進行試驗，竹材經過熱處理后，其含水率處于穩定狀態下為5.5%，因未處理竹材試驗時含水率為12%，為了方便對比，將熱處理竹材均計為含水率為12%時的強度。

2 結果與分析

2.1 熱處理工藝對竹片材物理性能影響

由圖1可見：熱處理對竹材基本密度、徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率均有影響，根據各性能的方差分析，處理溫度和時間對基本密度的影響不顯著（P＞0.05），對各項干縮性能的影響顯著（P＜0.05），其中溫度為主影響因素；未處理竹材（對照）基本密度為0.60 g·cm－3，熱處理竹材基本密度最小值為 170℃，3 h時的 0.64 g·cm－3， 最大值為 150℃，3 h時的 0.68 g·cm－3， 比對照增加了 6.9%～13.9%；130和150℃竹材基本密度趨勢差異較小，110～150℃呈現隨溫度升高、時間延長，基本密度增大趨勢，170℃則呈相反趨勢。徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率隨熱處理溫度增加，數值下降；同一熱處理溫度下，時間延長，數值也有所下降；170℃時各項干縮率數值差異均較??；未處理竹材徑向干縮率為2.2%，弦向干縮率為5.0%，體積干縮率為14.6%，熱處理竹材徑向干縮率最大為2.3%，數值最小為1.9%，比對未處理竹材變化率為4.55%～13.64%，弦向干縮率最大為4.8%，最小為3.2%，比對變化率為4.00%～36.00%，體積干縮率最大為12.2%，最小為11.0%，比對變化率16.44%～24.66%。

圖1 熱處理竹材變化Figure 1 Heat-treaded bamboo’s physical properties

2.2 熱處理工藝對竹片材力學性能影響

由圖2可見：熱處理工藝對竹片材順紋抗壓強度、順紋抗剪強度、抗彎強度、順紋抗拉強度有明顯的影響，竹片材各力學強度方差分析顯示：處理溫度為影響力學強度的極顯著因素（P＜0.01），處理時間影響不顯著（P＞0.05）；力學強度隨熱處理溫度升高整體呈現先上升后下降的趨勢；未處理竹片材的抗剪強度、抗拉強度較170℃處理竹材高，這表明熱處理溫度過高，其力學性能反而有下降趨勢；熱處理溫度為110，130，150℃時，隨熱處理時間的延長，力學強度呈增大趨勢，而170℃則呈相反趨勢。未處理竹片材順紋抗壓強度為51.6 MPa，熱處理后最小值為69.3 MPa，最大值為72.4 MPa，比對變化率為32.17%～39.72%；未處理竹片材順紋抗剪強度為19.6 MPa，熱處理后最小值為17.5 MPa，最大值為24 MPa，比對變化率為－12.24%～20.91%；未處理竹片材的抗彎強度為142.7 MPa，熱處理后最小值為162.3 MPa，最大值為196.6 MPa，比對變化率為13.52%～37.56%；未處理竹片材的順紋抗拉強度為225.8 MPa，熱處理后最小值為156.7 MPa，最大值為250.4 MPa，比對變化率為－30.73%～10.76%。

2.3 熱處理工藝對圓竹材力學性能的影響

圖3反映了熱處理工藝對圓竹材順紋抗壓強度、順紋抗剪強度、抗彎強度、徑向環剛度［15］的影響，圓竹材各力學性能方差分析可見，溫度是影響各力學強度變化的主要因素（P＜0.01），時間影響不顯著（P＞0.1）；熱處理后圓竹材的力學強度均大于未處理圓竹材；熱處理溫度為110，130，150℃時，圓竹材的力學強度隨溫度升高和時間延長呈上升趨勢；110，130，150℃的溫度條件時，圓竹順紋抗壓強度總體趨勢從低到高依次為110，130，150℃，其中110℃與130，150℃差異較大；圓竹材順紋抗剪強度增幅較緩，10，130，150℃溫度之間抗剪強度差異較?。粓A竹材抗彎強度3種溫度條件差距不明顯，時間因素影響較明顯；圓竹材徑向環剛度增幅較緩，110，130，150℃溫度之間強度差異小；在170℃的溫度條件下，圓竹材順紋抗壓強度、順紋抗剪強度、抗彎強度及徑向環剛度等4個力學性能均呈隨時間延長，強度下降的趨勢。未處理圓竹材順紋抗壓強度為29.8 MPa，熱處理后最小值為40.8 MPa，最大值45.6 MPa，比對變化率為35.90%～52.01%；未處理圓竹材順紋抗剪強度為11.1 MPa，熱處理后最小值為16.2 MPa，最大值為21.6 MPa，比對變化率為43.24%～90.99%；未處理竹圓竹材抗彎強度為18.6 MPa，熱處理后最小值為26.8 MPa，最大值為41.7 MPa，比對變化率為42.47%～122.58%；未處理圓竹材徑向環剛度為98 kPa，熱處理后最小值為100.4 kPa，最大值為159.8 kPa，比對變化率為2.14%～52.55%?？梢钥闯觯瑹崽幚砗髨A竹材的力學強度提升較大，這對于制作原竹家具是適合的改性方式。

圖2 熱處理工藝對竹片材力學性能影響Figure 2 Heat-treaded bamboo sheet’s mechanical properties

3 結論

根據木材學理論及木材碳化機制［16］，竹材在熱處理過程中纖維素，尤其是半纖維素發生分解，含量降低，同時竹材內部結構發生變化，導致氫鍵濃度降低，或氫鍵被非親水性基團所取代，引起竹材干縮；在溫度為110～150℃時，溫度相對較低，竹材內部的纖維素、半纖維素分解緩慢，竹材內部自由水蒸發較多，體積干縮較大，竹材基本密度相對增加，力學性能增加；隨著熱處理溫度的升高，竹材的胞壁物質、半纖維素、纖維素分解劇烈，竹材的胞壁物質減少，而體積基本不變，竹材基本密度相對降低，其力學性能降低。

圖3 熱處理工藝對圓竹材力學性能的影響Figure 3 Heat-treaded round bamboo’s mechanical properties

由以上分析可知，溫度是影響熱處理后竹材物理力學性能的顯著因素；110℃和170℃時的竹材力學性能較弱，而130℃與150℃的竹材其各項力學性能均相似，因此，首先排除110℃和170℃作為生產中熱處理工藝溫度；實際生產和熱處理過程中，安全、環保、成本等均是需要綜合考慮的因素，150℃熱處理溫度，其消耗燃料、有害氣體排放均較多，溫度較高，安全隱患較大。因此，最適宜生產的熱處理工藝為溫度130℃，時間2 h。

4 參考文獻

［1］ 李延軍，許斌，張齊生，等.我國竹材加工產業現狀與對策分析［J］.林業工程學報，2016，1（1）：2－7.LI Yanjun,XU Bin,ZHANG Qisheng,et al.Present situation and the countermeasure analysis of bamboo timber processing industry in China ［J］.J For Eng,2016， 1（1）： 2 － 7.

［2］ 閆薇，傅萬四，張彬，等.基于規格竹片的膠合界面研究現狀及建議［J］.林業工程學報，2016，1（5）：20－25.YAN Wei,FU Wansi,ZHANG Bin,et al.Research status and suggestion on specification bamboo bonding interface［J］.J For Eng,2016， 1（5）： 20 － 25.

［3］ 黃夢雪，張曉春，余文軍，等.高溫蒸汽軟化竹材的力學性能及結構表征［J］.林業工程學報，2016，1（4）：64－68.HUANG Mengxue,ZHANG Xiaochun,YU Wenjun,et al.Mechanical properties and structure characterization of bamboo softened by high temperature steam ［J］.J For Eng,2016,1（4）：64 － 68.

［4］ 曾利.竹藤家具及其保養與修復技術［J］.林產工業，2010， 37（1）： 40－42.ZENG Li.The conservation and restoration of rattan furniture ［J］.China For Prod Ind,2010,37（1）：40 － 42.

［5］ 何曉琴.中國傳統竹家具的文化特征［J］.世界竹藤通訊，2006，4（2）：42－45.HE Xiaoqin.Culture characteristics of traditional bamboo furniture in China ［J］.World Bamboo Rat,2006,4（2）：42－45.

［6］ 包永潔，蔣身學，程大莉，等.熱處理對竹材物理力學性能的影響［J］.竹子研究匯刊，2009，28（4）：50－53.BAO Yongjie,JAING Shenxue,CHENG Dali,et al.The effects of heat treatment on physical-mechanical properties of bamboo ［J］.J Bamboo Res,2009,28（4）：50 － 53.

［7］ 林勇，沈玨程，于利，等.高溫熱處理竹材的物理力學性能研究［J］.林業機械與木工設備，2012，40（8）：22－24.LIN Yong,SHEN Yucheng,YU Li,et al.Study of physical-mechanical properties of bamboos through high temperature heat treatment［J］.For Mach Woodwork Equip,2012,40（8）：22 － 24.

［8］ 李濤,顧煉百.185℃高溫熱處理對水曲柳木材力學性能的影響［J］.林業科學，2009，45（2）：92－97.LI Tao,GU Lianbai.Effects of high temperature heat treatment at 185 ℃ on mechanical properties of ash wood ［J］.Sci Silv Sin,2009,45（2）：92 － 97.

［9］ 李延軍，唐榮強，鮑濱福，等.高溫熱處理杉木力學性能與尺寸穩定性研究［J］.北京林業大學學報，2010，32（4）： 232 － 235.LI Yanjun,TANG Rongqiang,BAO Binfu,et al.Mechanical properties and dimensional stability of heat-treated Chinese fir ［J］.J Beijing For Univ,2010,32（4）：232 － 235.

［10］ 李延軍，孫會，鮑濱福，等.國內外木材熱處理技術研究進展及展望［J］.浙江林業科技，2008，28（5）：75－79.LI Yanjun,SUN Hui,BAO Binfu,et al.Advances and prospect of research on technology of wood heat-treatment［J］.J Zhejiang For Sci Technol,2008,28（5）：75 － 79.

［11］ 李賢軍，傅峰，蔡智勇，等.高溫熱處理對木材吸濕性和尺寸穩定性的影響［J］.中南林業科技大學學報，2010， 30（6）： 92 － 96.LI Xianjun,FU Feng,CAI Zhiyong,et al.The effect of high temperature thermal treatment on moisture absorption and dimension stability of wood ［J］.J Cent South Univ For Technol,2010,30（6）：92 － 96.

［12］ 侯瑞光，劉元，李賢軍，等.高溫熱處理對重組竹物理力學性能的影響［J］.中南林業科技大學學報，2013， 33（2）： 101 － 104.HOU Ruiguang,LIU Yuan,LI Xianjun,et al.Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of reconstituted bamboo lumber （RBL） ［J］.J Cent South Univ For Technol,2013， 33（2）： 101 － 104.

［13］ 國家技術監督局.GB/T 15780－1995竹材物理力學性質試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，1996.

［14］ ISO/TC 165 Timber Structures.ISO 22157-1-2004Specifies Test Methods for Evaluating the Following Characteristic Physical and Strength Properties for Bamboo［S］.https：//www.iso.org/standard/36150.html.

［15］ 張文福，江澤慧，王戈，等.用環剛度法評價圓竹徑向抗壓力學性能［J］.北京林業大學學報，2013，35（1）：119－122.ZHANG Wenfu,JIANG Zehui,WANG Ge,et al.Radial compression mechanical properties of bamboo-culm by ring stiffness ［J］.J Beijing For Univ,2013,35（1）：119 － 122.

［16］ 吳帥， 于志明.木材炭化技術的發展趨勢［J］.中國人造板，2008，15（5）：3－6.WU Shuai,YU Zhiming.Review on current situation and developing trend of wood carbonization technology ［J］.China Wood-Based Pannels,2008,15（5）：3 － 6.