高溫飽和蒸汽軟化工藝對竹展平板物理力學(xué)性能的影響

邵迎濤，王新洲，李延軍,，吳一飛，許 斌，章衛(wèi)剛

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

我國竹子資源豐富，約有39屬500余種，竹林面積到達世界的1/3[1]。經(jīng)過30 a來對竹材的開發(fā)利用，我國已成為全球最大的竹產(chǎn)品出口國[2]。但由于竹材本身的特殊性，導(dǎo)致傳統(tǒng)竹單元制備工序復(fù)雜，連續(xù)化生產(chǎn)困難，生產(chǎn)效率低；膠合面過多，膠粘劑使用量大，制造成本高且環(huán)保性差[3]。因此，“竹材軟化展平”這一新興技術(shù)得到越來越多的關(guān)注，該技術(shù)是指將新鮮竹筒在高溫高壓(150～190 ℃)飽和蒸汽的作用下，迅速升溫使竹材軟化，再通過展平設(shè)備將其展開[3-4]。該項技術(shù)制造出的竹展平板是一種高利用率、高附加值、環(huán)保竹產(chǎn)品，其技術(shù)核心為竹材的高溫軟化和竹材的無裂紋展平[5]。

為了得到高效無裂縫的展平板，吳一飛等[6]用高溫蒸汽處理溫度(120、140、160、180、200 ℃)、處理時間(5、10 min)處理竹材，發(fā)現(xiàn)高溫蒸汽具有較好的軟化效果，但處理后竹材溫度的迅速降低會造成塑性回彈，不利于展平；錢俊等[7]采用同時提高毛竹含水率和溫度的方法進行了展平試驗，發(fā)現(xiàn)毛竹弧度越小、外徑越大、竹節(jié)越少，展平率越高，裂縫越少；林海等[8]又對竹展平的方法做了改進，提出展開之前去除一部分竹青使軟化過程中的軟化介質(zhì)更容易滲透到竹肉內(nèi)，從而提高軟化效果，減少開裂；張芊等[9]將毛竹筒沿橫向展開，發(fā)現(xiàn)展平后薄壁細胞變形較大，且由于竹黃層凹坑過多導(dǎo)致板材力學(xué)性能下降顯著，同時獲得的板材幅面較小，限制了其應(yīng)用范圍。因此，近些年來，竹材沿縱向展開得以發(fā)展，該板材幅面較大，可更廣泛地應(yīng)用于地板、裝飾材和工程材料等領(lǐng)域。

然而目前關(guān)于竹展平板的性能研究甚少。實驗將毛竹筒沿縱向展開，探究不同軟化溫度和軟化時間對其展平前后在氣干狀態(tài)下物理力學(xué)性能的影響，為竹展平板的生產(chǎn)及推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮毛竹(Phyllostachysedulis)，4～6年生，采伐于浙江麗水竹口鎮(zhèn)。毛竹通直，無明顯缺陷，直徑9～13 cm，壁厚10～14 mm，含水率≥30%；加工成1 m長左右的毛竹筒，待用。

1.2 試驗設(shè)備

含水率測定儀、萬能力學(xué)試驗機、實驗室用烘箱(OHG-9240A)、精度為0.02 mm的游標卡尺等。

1.3 試驗方法

竹筒展開的技術(shù)路線：竹筒→去除內(nèi)節(jié)→去青加工→竹筒開縫→軟化→縱向展平→定型→刨削→銑邊→干燥。采用高溫飽和蒸汽軟化竹筒，軟化溫度為：140、150、160、170、180 ℃；軟化時間為：4、6、8 min。先將處理好的竹筒進行高溫飽和蒸汽處理，測試軟化后竹筒的各項性能，然后將展平所得的竹展平板進行性能對比。根據(jù)GB/T 15780《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》的方法進行性能檢測，試件尺寸為160 mm×10 mm×t(厚度)mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫軟化工藝和展平對竹材物理性能的影響

2.1.1平衡含水率 表1所示的是不同飽和蒸汽工藝處理下毛竹竹筒展平前后平衡含水率(EMC)的變化情況。從表1中可知，平衡含水率隨著軟化溫度的升高而降低。軟化后的竹材在140～160 ℃范圍內(nèi)，平衡含水率變化不大，4、6、8 min處理的竹材分別下降了5.23%、6.19%、11.23%；160～180 ℃范圍內(nèi)，平衡含水率下降幅度增大，4、6、8 min處理的竹材分別下降了9.21%、16.38%、12.38%；與未處理材相比，180 ℃處理4、6、8 min后，其平衡含水率降低了26.88%、39.26%、42.74%。在溫度一定的情況下，軟化后的竹材平衡含水率隨著時間的延長而降低。林勇、張亞梅等人研究了高溫?zé)崽幚韺χ癫奈锢硇阅艿挠绊?，本實驗結(jié)果與其一致[10-11]。這是因為高溫飽和蒸汽軟化處理使竹材細胞壁內(nèi)半纖維素的熱解反應(yīng)使親水基團-OH的大量減少，因而提高了疏水性[12-15]。高溫軟化處理的溫度越高，時間越長，氣干平衡含水率降低得越多。軟化且展平后的竹材EMC變化規(guī)律整體與展平前的相似，但其值普遍小于展平前。竹材展平過程中，展平機對毛竹筒內(nèi)壁層邊加壓邊開斜槽，一方面在竹材內(nèi)壁層增加了許多微小斜裂縫，使竹材內(nèi)部水分容易向空氣中排放，促使竹材水分降低；另一方面竹材受到擠壓，使竹材靠近竹青層竹材致密，密度增大，減小了與空氣中-OH接觸交換的通道[9]。

表1 竹材軟化和軟化展平后的平衡含水率的變化情況Tab.1 The equilibrium water content of bamboo after softening and flattening

2.1.2氣干干縮率 竹材軟化和軟化展平后的氣干徑向和弦向干縮率的變化情況見表2、3。由表2可知，在同一軟化時間下，軟化且展平后的竹材的徑向氣干干縮率隨溫度上升呈逐漸下降趨勢。在140～150 ℃范圍內(nèi)，下降的趨勢較為陡峭，4、6、8 min處理的竹材分別下降了8.29%、27.25%、26.57%；150～180 ℃范圍內(nèi)，下降的趨勢較為平緩，4、6、8 min處理的竹材分別下降了2.36%、8.87%、8.06%。在同一溫度下(160 ℃為例)，隨著軟化時間的增加徑向干縮率減小，4～8 min下降了32.00%。半纖維素是無定形的物質(zhì)，主、側(cè)鏈上含有大量親水基團，是竹材細胞壁中吸濕性最大的組分，也是使竹展平板干縮濕脹的重要原因。竹材經(jīng)過高溫蒸汽處理后，半纖維素的熱解結(jié)晶化使得-OH減少，增加了竹展平板的尺寸穩(wěn)定性[16]。

表2 竹材軟化和軟化展平后的氣干徑向干縮率的變化情況Tab.2 The air dry radial shrinkage of bamboo after softening and flattening

由表3可知，軟化后竹材的弦向氣干干縮率只呈下降趨勢，主要原因是竹材經(jīng)過高溫蒸汽軟化處理后，竹材的半纖維素?zé)峤?，增加了竹展平板的尺寸穩(wěn)定性[16]。另外從表3還可看出軟化且展平后的竹材的弦向氣干干縮率隨溫度上升呈先下降后上升趨勢。140～150 ℃范圍內(nèi)，4、6、8 min處理的竹材分別下降了17.60%、27.05%、25.30%；但在150～180 ℃范圍內(nèi)，4、6、8 min處理的竹材分別上升了16.00%、50.76%、28.66%。軟化且展平后的竹材在140～160 ℃的較低溫度下，竹材軟化的程度不高，在展平過程中易導(dǎo)致開裂，裂縫的出現(xiàn)增加了竹材的無定形區(qū)與空氣中水分的接觸概率，導(dǎo)致其弦向干縮率變化較大；隨著溫度上升裂縫減少，半纖維素隨溫度上升的結(jié)晶化使得-OH減少，因此，在二者共同影響下，竹展平板弦向氣干干縮率下降；而在160℃～180℃較高溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，分子熱運動能力逐漸增強，鏈段開始運動，竹材達到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[17]，塑性提高，此時更易于展平，雖然減少了裂縫的產(chǎn)生，但展平后的竹材在弦向方向上由于竹青層受壓，材質(zhì)致密；竹黃層表面開有斜槽，經(jīng)后期刨削加工去除后留下的內(nèi)層也處于受壓狀態(tài)，材質(zhì)致密，減少了與空氣中水分接觸的通道。因此，在氣干后竹展平板穩(wěn)定性增加，表現(xiàn)在160℃～180℃處理后弦向干縮率基本穩(wěn)定，在3.68%～4.96%之間。因此，弦向干縮率要綜合軟化和展平二者對其共同的影響，可以看出150～160 ℃下對徑、弦向干縮率都有很大程度的下降，展平板的尺寸穩(wěn)定性較好。

表3 竹材軟化和軟化展平后的氣干弦向干縮率的變化情況Tab.3 The air dry tangential shrinkage of bamboo after softening and flattening

2.2 高溫軟化展平對竹材力學(xué)性能的影響

圖1 竹材軟化和軟化展平后的靜曲強度的變化情況Fig.1 MOR of bamboo after softening and flattening

2.2.1靜曲強度 竹展平板靜曲強度的變化主要與纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的變化有關(guān)[18]。圖1、圖2中“展平前”代表軟化后未展平的竹筒；“展平后”代表已經(jīng)展平得到的竹展平板。由圖1可知，同一時間條件下，隨著軟化處理溫度的升高，竹展平板的靜曲強度(MOR)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，最大值出現(xiàn)在軟化處理條件為4 min、170 ℃，為142.35 MPa。在140～170 ℃范圍內(nèi)，靜曲強度逐漸上升，4 min、6 min、8 min處理的竹材分別上升了47.78%、41.20%、34.63%，這與康躍賓[19]對木材進行120℃低溫蒸汽處理研究的結(jié)果一致，主要是由于處理溫度過低，半纖維素因其分子量低、支鏈多開始部分降解，卻不足以使纖維素大分子鏈發(fā)生降解，并且在高溫、高濕環(huán)境下，纖維素中的羥基脫水結(jié)合使非結(jié)晶區(qū)的微纖絲發(fā)生重排，向結(jié)晶區(qū)靠攏取向，增加了纖維素的結(jié)晶度，從而使得靜曲強度略有增加[20]。在170～180 ℃范圍內(nèi)，靜曲強度開始下降，4 min、6 min、8 min處理的竹材分別下降了7.49%、5.83%、0.63%。根據(jù)范文俊研究[21]，當高溫蒸汽處理溫度超過170℃時，白楊木材的化學(xué)成分會產(chǎn)生顯著變化，半纖維素和木質(zhì)素加劇熱解，纖維素也開始降解，細胞壁胞間層劈裂，實質(zhì)密度下降，纖維素又是細胞壁的骨架物質(zhì)，因此力學(xué)性能降低。

同一溫度條件下，隨著時間的增加，竹展平板的靜曲強度逐漸下降。以160 ℃為例，4～6 min、6～8 min、4～8 min竹材的MOR分別下降了3.72%、2.90%、6.50%。軟化時間的延長，一方面增加了三大素降解的程度，另一方面半纖維素中的某些多糖分解為糖醛和糖類的裂解產(chǎn)物，使得竹展平板的靜曲強度明顯降低[22]。在圖1中還可以觀察到軟化后未展平竹材的靜曲強度，其趨勢與展平后的大致相同，但軟化后展平前的竹材的MOR高于展平后的竹材。這是因為靜曲強度與竹材纖維和纖維之間的橫向聯(lián)結(jié)強度有關(guān)，逐級展開的刀輥破壞了竹材本身之間的橫向結(jié)合，降低了其橫紋抗拉強度，進而降低了抗彎強度[5, 23-24]。

圖2 竹材軟化和軟化展平后的彈性模量的變化情況Fig.2 MOE of bamboo after softening and flattening

2.2.2彈性模量 圖2所示的為竹展平板彈性模量的變化情況。彈性模量(MOE)的變化趨勢與靜曲強度相似，總體也是先上升后下降。在軟化溫度170 ℃、時間4 min時，MOE到達最大值，為9 835.46 MPa。在140～170 ℃范圍內(nèi)，4 min、6 min、8 min處理的竹材分別上升了39.83%、34.20%、26.84%；170～180 ℃范圍內(nèi)，4 min、6 min、8 min處理的竹材分別下降了14.15%、12.75%、10.21%。在同一軟化溫度下(以160 ℃為例)，4～6 min、6～8 min、4～8 min竹材的MOE分別下降了3.15%、1.57%、4.67%。軟化后未展平的竹筒的彈性模量其趨勢與展平后的大致相同，但軟化后未展平的竹材的MOE高于展平后的竹材。

3 結(jié)論

采用不同高溫飽和蒸汽軟化工藝對毛竹筒進行軟化展平處理，對比研究處理前后竹材的物理力學(xué)性能，得出以下結(jié)論： (1)竹材的平衡含水率隨高溫飽和蒸汽軟化溫度的升高、軟化時間的延長而降低，展平后竹材的平衡含水率進一步降低。(2)竹材的徑向氣干干縮率隨高溫飽和蒸汽軟化溫度的升高和時間的延長而降低；竹材的弦向氣干干縮率軟化后展平前隨溫度升高呈下降趨勢，但展平后的竹材在140～150 ℃溫度范圍內(nèi)弦向氣干干縮率下降，在150～180 ℃范圍內(nèi)上升。(3)竹展平板的靜曲強度和彈性模量均隨高溫飽和蒸汽軟化溫度升高呈先上升后下降的趨勢，最大值出現(xiàn)在170 ℃、4 min左右，MOR為142.35 MPa，MOE為9 835.46 MPa；而隨軟化時間延長靜曲強度和彈性模量都有所下降。軟化后未展平的竹材的MOR、MOE均高于展平后的竹材。(4)在170 ℃左右，竹展平板的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能綜合性能最優(yōu)。