漂白和熱處理對(duì)竹材化學(xué)組成及重組竹材理化性能的影響

張 建，袁少飛，王洪艷，李 琴

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

重組竹是我國(guó)20世紀(jì)90年代自主研發(fā)的竹材產(chǎn)品，是以資源豐富且生長(zhǎng)周期短的竹材為原料，經(jīng)疏解、浸膠、干燥、組坯、熱壓(或冷壓)膠合而成的板材或方材[1-2]，具有竹材利用率高、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和物理力學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，是1種不可多得的家裝和高強(qiáng)度工程結(jié)構(gòu)用理想綠色材料[3-7]。但由于竹材含有豐富的淀粉、糖類等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易發(fā)生腐朽、霉變和蟲(chóng)蛀，造成硬度、強(qiáng)度、可使用性等降低甚至消失[8-9]。重組竹防霉防腐處理十分重要，常用的處理方法就是對(duì)原料進(jìn)行漂白或高溫?zé)崽幚?，目的就是去除竹材中易引起霉變腐朽蟲(chóng)蛀的營(yíng)養(yǎng)成分，達(dá)到提高防腐防霉效果的作用[10-11]。分別對(duì)重組竹生產(chǎn)用竹束進(jìn)行漂白處理和高溫?zé)崽幚恚到y(tǒng)研究分析漂白和高溫?zé)崽幚韺?duì)竹材化學(xué)組成及重組竹材力學(xué)和防腐防霉性能的影響變化情況，旨在為重組竹生產(chǎn)和防腐防霉產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

竹材原料為2種竹束，1種竹束來(lái)自同1株新砍伐的毛竹(Phyllostachysedulis)，竹齡5 a，經(jīng)截?cái)?、沖片、剖分、輾壓、裁斷等工序加工而成，規(guī)格為500 mm×30 mm×3 mm，用于測(cè)試毛竹竹材主要化學(xué)組成；另1種竹束，取自重組竹材原料加工企業(yè)，為多棵新砍伐的毛竹經(jīng)截?cái)唷_片、剖分、輾壓等工序加工而成，規(guī)格為500 mm×30 mm×3 mm，用于制備重組竹材。過(guò)氧化氫，分析純，濃度30%，成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)。硅酸鈉，分析純，含量19.3%～22.8%，成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)。酚醛樹(shù)脂取自安吉奇辰竹業(yè)有限公司，固體含量45.8%，pH值9.2，粘度106.6 mPa·s。

1.2 主要儀器

214GKC型控溫水浴鍋(上海蘇達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限國(guó)內(nèi)公司)；FESTOOL CS70EB型精密推臺(tái)鋸(圖特斯工具系統(tǒng)技術(shù)上海有限公司)；TD 20002型電子天平(余姚市金諾天平儀器有限公司)；SARTORIUS AG電子天平(賽多利斯上海貿(mào)易有限公司)；DHG-9203A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；FZ 102型微型植物粉碎機(jī)(天津泰斯特儀器有限公司)；101-6型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠)；250T型重組竹材冷壓機(jī)(安吉華森液壓機(jī)廠)；SM-150型框鋸機(jī)(廣東省佛山市順德區(qū)萬(wàn)利德機(jī)械有限公司)；MWD-W50型人造板力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司)；MJX-250C型霉菌培養(yǎng)箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；SW-CJ-1BU型超凈工作臺(tái)(蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司)；YXQ-LS-75型立式壓力蒸汽滅菌器(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1毛竹主要化學(xué)組成的測(cè)定 主要測(cè)試毛竹竹材中粗蛋白、酸不溶木質(zhì)素、綜纖維素等主要化學(xué)組成，其中粗蛋白含量按照GB/T 15673-2009《食用菌中粗蛋白含量的測(cè)定》測(cè)試，酸不溶木質(zhì)素含量按照GB/T 2677.8-94《造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》測(cè)試，綜纖維素含量按照GB/T 2677.10-1995《造紙?jiān)暇C纖維素含量的測(cè)定》測(cè)試。每種樣品做3次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.3.2重組竹材密度的測(cè)定 按照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中4.2的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3重組竹材含水率、水平剪切強(qiáng)度、順紋靜曲強(qiáng)度和順紋彈性模量的測(cè)定 按照GB/T 21128-2007《結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板》中相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4重組竹材防霉性能的測(cè)定 按照GB/T 18261-2013《防霉劑對(duì)木材霉菌及變色菌防治效力的試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，霉菌采用桔青霉和綠色木霉。

1.3.5重組竹材防腐性能的測(cè)定 按照GB/T 13942.1-2009《木材耐久性能 第1部分：天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，腐朽菌采用密粘褶菌和彩絨革蓋菌2種。

圖1 不同處理時(shí)毛竹粗蛋白含量Fig.1 Crude protein content of bamboo under different treatments

圖2 不同處理時(shí)毛竹酸不溶木質(zhì)素含量 Fig.2 Acid-insoluble lignin content of bamboo under different treatments

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1竹材處理 對(duì)竹束進(jìn)行3種不同條件的處理。第1種處理是竹束在干燥箱中50 ℃條件下干燥含水率至10%～14%，作為對(duì)照竹束。第2種處理是漂白處理，漂白液濃度4%、漂白溫度60 ℃、漂白時(shí)間90 min，加入0.5%硅酸鈉，浴比為25∶1。漂白后將竹束水洗后干燥含水率至10%～14%，作為漂白處理竹束。第3種處理是高溫?zé)崽幚恚合?，將新砍伐毛竹輾壓成竹束后，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱里內(nèi)，160 ℃條件下將竹束處理3 h，室內(nèi)放置7 d，作為熱處理竹束。處理時(shí)干燥箱底部放置4個(gè)500 mL且裝滿蒸餾水的燒杯。測(cè)試毛竹化學(xué)組成的竹束裁成30 mm×30 mm×3 mm，每種條件處理(25±5)g；制備重組竹材的竹束每種條件處理9 kg。

圖3 不同處理時(shí)毛竹綜纖維素含量Fig.3 Holocellulose content of bamboo under different treatments

1.4.2 重組竹材制備 模具規(guī)格為500 mm×100 mm×60 mm，每種處理的竹束壓制2個(gè)重組竹方。重組竹材設(shè)定密度1.1 g·cm-3，酚醛樹(shù)脂固體含量調(diào)為25%，竹束浸膠10 min，瀝膠后在55 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥至含水率10%～14%。稱重后將竹束裝料，進(jìn)行冷壓組坯、裝模；在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)加熱固化定型，具體為加熱到100 ℃處理2 h、140 ℃處理2 h、120 ℃處理3 h、80 ℃處理1 h；室內(nèi)養(yǎng)生48 h，拆模后用多片框鋸制得500 mm×90 mm×15 mm重組竹材。

2 結(jié)果與討論

2.1 漂白和熱處理對(duì)毛竹主要化學(xué)組成的影響

圖1、圖2和圖3分別是毛竹粗蛋白、酸不溶木質(zhì)素和綜纖維素3個(gè)主要化學(xué)組成含量的試驗(yàn)結(jié)果。粗蛋白、淀粉和糖類等物質(zhì)是引起竹材發(fā)霉、腐朽和蟲(chóng)蛀的重要成分之一。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，漂白處理或熱處理均可以有效降低竹材中粗蛋白含量。漂白處理效果最好，竹材中粗蛋白含量降低到1.11%，降低率達(dá)43.7%；熱處理后竹材粗蛋白含量降低到1.19%，降低率達(dá)39.6%。酸不溶木質(zhì)素和綜纖維素是構(gòu)成毛竹結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì)，決定著竹材的力學(xué)性能。漂白或熱處理后，竹材的酸不溶木質(zhì)素含量均增加，提高6.5%以上，而綜纖維素均略有降低，變化不大。這主要是因?yàn)樘幚磉^(guò)程中纖維素和半纖維素部分發(fā)生了熱解或氧化降解[12]。

2.2 漂白和熱處理對(duì)重組竹材物理力學(xué)性能的影響

從表1試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3種竹束制備的重組竹材的順紋靜曲強(qiáng)度達(dá)到120 MPa以上、順紋彈性模量達(dá)到11 600 MPa以上、水平剪切強(qiáng)度達(dá)到16.5 MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T 21128-2007《結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板》中最高等級(jí)A級(jí)的要求，其中順紋靜曲強(qiáng)度和順紋彈性模量測(cè)試結(jié)果均是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的1.3倍以上，水平剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果均是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值5.5倍以上。采用漂白和熱處理竹束制備的重組竹材在順紋靜曲強(qiáng)度和順紋彈性模量?jī)身?xiàng)指標(biāo)上均高于未處理竹束制備的重組竹材，水平剪切強(qiáng)度相差不大。這個(gè)結(jié)論也與前面的竹材的酸不溶木質(zhì)素含量均增加，綜纖維素均略有降低這一試驗(yàn)結(jié)果相一致。

表1 3種重組竹材物理力學(xué)性能Tab.1 The physical and mechanical properties of three kinds of bamboo scrimbers

2.3 漂白和熱處理對(duì)重組竹材防腐防霉性能的影響

分析表2中的試驗(yàn)結(jié)果可得到，3種竹束制備的重組竹材防霉性能均很差，對(duì)2種霉菌的防治效力均為0。在防腐性能方面，熱處理竹束制備的重組竹材防腐性能最好，其次依次是漂白處理竹束制備的重組竹材和未處理竹束制備的重組竹材。竹束熱處理后制備的重組竹材防腐性能達(dá)到Ⅰ級(jí)強(qiáng)耐腐，對(duì)2種腐朽菌的質(zhì)量損失率均在10%以下，平均質(zhì)量損失率為8.92%。漂白處理竹束制備的重組竹材對(duì)2種腐朽菌的質(zhì)量損失率在11%～12%之間，平均質(zhì)量損失率為11.58%，達(dá)到Ⅱ級(jí)耐腐；未處理竹束制備的重組竹材對(duì)2種腐朽菌的質(zhì)量損失率在12%～14.5%之間，平均質(zhì)量損失率為13.26%，達(dá)到Ⅱ級(jí)耐腐。

表2 3種重組竹材防腐防霉性能Tab.2 The anti-mildew and preservation properties of three kinds of bamboo scrimbers

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了漂白和高溫?zé)崽幚韺?duì)毛竹化學(xué)組成及重組竹材理化性能影響的研究，研究發(fā)現(xiàn)漂白或熱處理均可有效去除竹材中的粗蛋白，去除率分別達(dá)43.7%和39.6%；漂白或熱處理后，竹材的酸不溶木質(zhì)素含量均有所增加，而綜纖維素含量有所降低。漂白或熱處理不會(huì)影響重組竹材的物理力學(xué)性能，其中順紋靜曲強(qiáng)度和順紋彈性模量?jī)身?xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于未處理竹束制備的重組竹材。竹材防霉性能較差，但具有天然的耐腐性能，達(dá)Ⅱ級(jí)耐腐。漂白或熱處理均不能改善竹材防霉性能，霉菌防治效力仍為0，但可提高其防腐性能，其中竹束熱處理后制備的重組竹材可達(dá)到Ⅰ級(jí)強(qiáng)耐腐。