夏 雨， 牛帅红， 李延军,3， 夏 俐， 马俊敏， 王 丽， 余肖红

（1.浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300；2.中融科创信息技术河北有限公司，河北 石家庄050000；3.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；4.杭州和恩竹材有限公司，浙江杭州311251；5.浙江庆元县永青国有林场，浙江 庆元323800）

中国是世界竹资源第一大国，竹子栽培和竹材利用历史悠久，在品种、面积、蓄积量、竹制品产量和出口额方面均居世界第一，素有 “竹子王国”美誉。中国竹产业自20世纪90年代开始发展以来，其产品广泛应用于车辆、建筑、家具、装饰等各个领域［1-3］。中国竹家具的历史悠久，风格独特，造型美观，是传统家具的一个重要分支［4-5］。原竹家具是竹家具的重要组成部分，主要使用红竹Phyllostachys iridescins作为加工材料。在实际生产加工中，由于竹材含有较高的纤维素、半纤维素、淀粉、糖类及蛋白质等有机物，原竹家具在储存、加工和使用过程中容易产生虫蛀、霉变和开裂等问题，因此原竹家具用材需进行必要的改性处理［6-7］。竹材高温热处理是借鉴木材热处理技术而提出的改善竹材性能、提高产品质量的一种改性方法［8-11］。高温热处理有利于改善竹材材料的尺寸稳定性、耐腐性、耐候性等性能，实现竹材的高效利用，增加产品种类，提高产品质量［10］。目前，国内外对于竹材热处理的研究多集中于毛竹Phyllostachys edulis［3，6-7，12］，对于红竹热处理研究较少，红竹分布于浙江、江苏、上海、四川和安徽等地，产量丰富，是具有代表性的小径级竹材，笔者对红竹竹材进行高温热处理试验，为原竹家具原料的改性处理和小径级竹的研究提供一定的技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为3年生红竹，采伐自安徽省宁国市。选取表面光滑，无明显缺陷的红竹，距地50 cm处采伐，往上1.5 m为试件原料，采伐12组，15根·组-1，共计180根。分别制作试件，参照GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》［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为壁厚）竹片材试件，测基本密度、干缩率；20 mm×20 mm×tmm竹片材试件，测顺纹抗压强度；160 mm×10 mm×tmm竹片材试件，测抗弯强度；35 mm×20 mm×tmm竹片材试件，测凸型顺纹抗剪强度；280 mm×10 mm×tmm竹片材试件，测凹型顺纹抗拉强度；dmm （d为直径）×40 mm的圆竹材试件，测顺纹抗压强度、顺纹抗剪前度、径向环刚度；dmm×60 cm（测试点无竹节）圆竹材试件，测抗弯强度。

1.2 试验设备

微机控制电子式木材万能试验机（DNS50），高低交变湿热试验箱（ER-10AGP），烘箱（SEG-021），电子分析天平（AB204-N），干燥碳化窑，游标卡尺，螺旋测微器等。

1.3 热处理试验

将试件放置于干燥箱中，初始温度为40℃，隔2 h温度升高5℃，直至103℃，竹材干燥至绝干；将绝干试件分别以温度为110，130，150，170℃，时间分别为1，2，3 h进行常压高温热处理。热处理过程中为防止竹材及圆竹材开裂，采用蒸汽高温热处理，试件放入干燥窑后，开始通蒸汽，进行高温热处理，试件共计12组。热处理后试件放入高低交变湿热试验箱中，以温度（20±2）℃，湿度（65±5）%进行水分调节，待含水率稳定后，进行试验，竹材经过热处理后，其含水率处于稳定状态下为5.5%，因未处理竹材试验时含水率为12%，为了方便对比，将热处理竹材均计为含水率为12%时的强度。

2 结果与分析

2.1 热处理工艺对竹片材物理性能影响

由图1可见：热处理对竹材基本密度、径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率均有影响，根据各性能的方差分析，处理温度和时间对基本密度的影响不显著（P＞0.05），对各项干缩性能的影响显著（P＜0.05），其中温度为主影响因素；未处理竹材（对照）基本密度为0.60 g·cm－3，热处理竹材基本密度最小值为 170℃，3 h时的 0.64 g·cm－3， 最大值为 150℃，3 h时的 0.68 g·cm－3， 比对照增加了 6.9%～13.9%；130和150℃竹材基本密度趋势差异较小，110～150℃呈现随温度升高、时间延长，基本密度增大趋势，170℃则呈相反趋势。径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率随热处理温度增加，数值下降；同一热处理温度下，时间延长，数值也有所下降；170℃时各项干缩率数值差异均较小；未处理竹材径向干缩率为2.2%，弦向干缩率为5.0%，体积干缩率为14.6%，热处理竹材径向干缩率最大为2.3%，数值最小为1.9%，比对未处理竹材变化率为4.55%～13.64%，弦向干缩率最大为4.8%，最小为3.2%，比对变化率为4.00%～36.00%，体积干缩率最大为12.2%，最小为11.0%，比对变化率16.44%～24.66%。

图1 热处理竹材变化Figure 1 Heat-treaded bamboo’s physical properties

2.2 热处理工艺对竹片材力学性能影响

由图2可见：热处理工艺对竹片材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、顺纹抗拉强度有明显的影响，竹片材各力学强度方差分析显示：处理温度为影响力学强度的极显著因素（P＜0.01），处理时间影响不显著（P＞0.05）；力学强度随热处理温度升高整体呈现先上升后下降的趋势；未处理竹片材的抗剪强度、抗拉强度较170℃处理竹材高，这表明热处理温度过高，其力学性能反而有下降趋势；热处理温度为110，130，150℃时，随热处理时间的延长，力学强度呈增大趋势，而170℃则呈相反趋势。未处理竹片材顺纹抗压强度为51.6 MPa，热处理后最小值为69.3 MPa，最大值为72.4 MPa，比对变化率为32.17%～39.72%；未处理竹片材顺纹抗剪强度为19.6 MPa，热处理后最小值为17.5 MPa，最大值为24 MPa，比对变化率为－12.24%～20.91%；未处理竹片材的抗弯强度为142.7 MPa，热处理后最小值为162.3 MPa，最大值为196.6 MPa，比对变化率为13.52%～37.56%；未处理竹片材的顺纹抗拉强度为225.8 MPa，热处理后最小值为156.7 MPa，最大值为250.4 MPa，比对变化率为－30.73%～10.76%。

2.3 热处理工艺对圆竹材力学性能的影响

图3反映了热处理工艺对圆竹材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、径向环刚度［15］的影响，圆竹材各力学性能方差分析可见，温度是影响各力学强度变化的主要因素（P＜0.01），时间影响不显著（P＞0.1）；热处理后圆竹材的力学强度均大于未处理圆竹材；热处理温度为110，130，150℃时，圆竹材的力学强度随温度升高和时间延长呈上升趋势；110，130，150℃的温度条件时，圆竹顺纹抗压强度总体趋势从低到高依次为110，130，150℃，其中110℃与130，150℃差异较大；圆竹材顺纹抗剪强度增幅较缓，10，130，150℃温度之间抗剪强度差异较小；圆竹材抗弯强度3种温度条件差距不明显，时间因素影响较明显；圆竹材径向环刚度增幅较缓，110，130，150℃温度之间强度差异小；在170℃的温度条件下，圆竹材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度及径向环刚度等4个力学性能均呈随时间延长，强度下降的趋势。未处理圆竹材顺纹抗压强度为29.8 MPa，热处理后最小值为40.8 MPa，最大值45.6 MPa，比对变化率为35.90%～52.01%；未处理圆竹材顺纹抗剪强度为11.1 MPa，热处理后最小值为16.2 MPa，最大值为21.6 MPa，比对变化率为43.24%～90.99%；未处理竹圆竹材抗弯强度为18.6 MPa，热处理后最小值为26.8 MPa，最大值为41.7 MPa，比对变化率为42.47%～122.58%；未处理圆竹材径向环刚度为98 kPa，热处理后最小值为100.4 kPa，最大值为159.8 kPa，比对变化率为2.14%～52.55%。可以看出，热处理后圆竹材的力学强度提升较大，这对于制作原竹家具是适合的改性方式。

图2 热处理工艺对竹片材力学性能影响Figure 2 Heat-treaded bamboo sheet’s mechanical properties

3 结论

根据木材学理论及木材碳化机制［16］，竹材在热处理过程中纤维素，尤其是半纤维素发生分解，含量降低，同时竹材内部结构发生变化，导致氢键浓度降低，或氢键被非亲水性基团所取代，引起竹材干缩；在温度为110～150℃时，温度相对较低，竹材内部的纤维素、半纤维素分解缓慢，竹材内部自由水蒸发较多，体积干缩较大，竹材基本密度相对增加，力学性能增加；随着热处理温度的升高，竹材的胞壁物质、半纤维素、纤维素分解剧烈，竹材的胞壁物质减少，而体积基本不变，竹材基本密度相对降低，其力学性能降低。

图3 热处理工艺对圆竹材力学性能的影响Figure 3 Heat-treaded round bamboo’s mechanical properties

由以上分析可知，温度是影响热处理后竹材物理力学性能的显著因素；110℃和170℃时的竹材力学性能较弱，而130℃与150℃的竹材其各项力学性能均相似，因此，首先排除110℃和170℃作为生产中热处理工艺温度；实际生产和热处理过程中，安全、环保、成本等均是需要综合考虑的因素，150℃热处理温度，其消耗燃料、有害气体排放均较多，温度较高，安全隐患较大。因此，最适宜生产的热处理工艺为温度130℃，时间2 h。

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