热处理对竹材物理力学性能的影响(修改)

1热处理对竹材物理力学性能的影响包永洁1，蒋身学1，程大莉1，傅万四21.南京林业大学南京2100372.国家林业局北京林业机械研究所北京100013摘要：对6年生竹材进行不同温度和时间的热处理，测试热处理前后竹材的干缩湿涨和主要力学性能的变化。结果表明：随着热处理温度的提高和热处理时间的延长，竹材的干缩湿涨率呈下降趋势，同时主要力学性能也逐渐下降。关键字：竹材热处理；干缩率；湿涨率；力学性能TheEffectofHeatTreatmentonPhysico-mechanicalPropertiesofBambooBAOYongjie,JIANGShenxue,FUWansi1.NanjingForestryUniversityNanjing2100372.BeijingForestrymachineryResearchInstituteoftheStateForestryAdministrationBeijing100013Abstract:6-yearbamboospecimenswerefirstheat-treatedundervarioustreatingtemperatureandtime,andthentheirshrinkageandswellingcharactersandmainmechanicalpropertiesweretestedbeforeandafterheattreatment.Theresultsshowthattheratiosofshrinkageandswellingofbamboodescendfallowingtheraiseoftreatmenttemperatureandtime.Ontheotherhand,themainmechanicalpropertiesofbamboodeclineafterheattreatmenttoo.Keywords:Bambooheattreatment;shrinkage;swelling;mechanicalproperties我国森林资源贫乏，而竹类资源却十分丰富。由于竹材的化学成分与木材相比含有较高的淀粉、糖类及蛋白质等有机物质[1]，因而竹材制品在贮存、加工及使用过程中易发生霉变、虫蛀和开裂变形等问题。为了提高竹材及其制品的尺寸稳定性、改变其颜色、延长其使用寿命，对竹材进行改性处理非常重要。竹材热处理是借鉴木材热处理技术而提出的一种改善竹材性能、提高产品质量的方法。目前国内外关于木材热处理技术在工艺和应用上的研究已经比较成熟，在荷兰、法国、芬兰等国家都已经实现了热处理木材的生产和应用[2-5]。但是国内外关于竹材高温热处理的研究还很少[6-8]。本文主要讨论不同热处理温度和时间对竹材干缩湿涨及主要力学性能的影响。1.试验材料与方法：1.1试验材料试验材料为6年生毛竹，采自浙江省诸暨市齐村向阳山坡，样竹齐地伐倒后标上北向，然后每株从距基部100cm起，截取120cm的长筒段3段，并将竹筒由北向南方向剖成10等分竹条，最后将竹条去除竹节截断成小条，并在各个竹条上进行编号。1.2试验设备热处理炭化箱、蒸汽发生器、恒温恒湿箱、万能力学试验机、实验室用烘箱、游标卡尺、数字显示螺旋测微仪、水浴锅等。1.3试验方法：围绕热处理温度、热处理时间开展两因素三水平试验。试验温度：150℃、180℃、210℃，试验时间：2h、3h、4h。热处理后的竹材按照国标GB/T15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》中的规格制成试件。为了保证各种试件取自竹竿上相对一致的位置，每一段试材从基部至上部依次按下列顺序截取试件：密度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度、弦向抗弯弹性模量，并保留试材弦面竹青与竹黄的原状。将试件送入温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%的恒基金项目：国家“十一五”科技支撑计划“以竹代木高效利用关键技术装备研究与开发”(编号：2006BAD11A16)通讯作者：蒋身学(1953-)，男，研究员，从事竹材加工利用研究，E-mail:[e-mail]2温恒湿箱中调节含水率直至稳定。然后根据GB/T15780-1995对竹材干缩性、弦向抗弯强度、弦向抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度进行测定；湿涨性根据GB/T1934.2-91《木材湿涨性测定方法》进行测定。2.结果与分析由于不同热处理工艺处理后竹材的平衡含水率不同，为了便于比较将不同含水率的各项性能值换算成同一含水率12%时的值。2.1干缩率应说明在什么处理时间条件下得出以下图表，不同处理温度下竹材的干缩率见图1。0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.0050100150200250温度（℃）干缩率（%）径向气干干缩率弦向气干干缩率径向全干干缩率弦向全干干缩率气干体积干缩率全干体积干缩率从图1可以看出热处理温度对竹材的干缩率影响非常显著，竹材的所有干缩率都随着热处理温度的升高而下降。20℃到150℃干缩率下降幅度比较小，180℃→210℃下降幅度明显加大。热处理过程中纤维素、尤其是半纤维素发生分解，含量下降，同时结构也发生了变化，导致-OH键浓度降低，或-OH键被非亲水性基团所取代，从而使干缩率减小。与未处理材相比，从20℃→210℃径向气干干缩率下降了63.22%，弦向气干干缩率也下降了58.84%，径向全干干缩率下降了60.36%，弦向全干干缩率下降了62.57%，气干体积干缩率下降了60.17%，全干体积干缩率下降了58.72%。不同处理时间对竹材干缩率的影响见图2。(也应说明在什么处理温度)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.001234时间（h）干缩率（%）径向气干干缩率弦向气干干缩率径向全干干缩率弦向全干干缩率气干体积干缩率全干体积干缩率图1.处理温度对竹材干缩率的影响Fig.1Theeffectoftreatmenttemperatureonshrinkageratioofbamboo图2.处理时间对干缩率的影响Fig.2Theeffectoftreatmenttimeonshrinkagerationofbamboo3从图2中可以看出，热处理时间对竹材的干缩率也有影响，竹材的干缩率随着热处理时间的延长也逐渐降低。与未处理材相比，从0→4h，弦向气干干缩率降低了50.8%，径向气干干缩率降低了51.96%，弦向全干干缩率降低了51.46%，径向全干干缩率降低了43.56，全干体积干缩率下降了42.81%，气干体积干缩率下降了51.30%。2.2湿涨率应说明处理时间，不同处理温度的竹材湿涨率见图3。0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.014.0050100150200250温度（℃）湿涨率（%）全干至气干径向湿涨率全干至气干弦向湿涨率全干至气干体积湿涨率全干至吸水稳定径向湿涨率全干至吸水稳定弦向湿涨率全干至吸水稳定体积湿涨率图3可以看出，热处理温度对竹材湿涨率影响非常显著，竹材的湿涨率随着热处理温度的升高呈下降趋势。150℃之前竹材主要成分几乎不发生化学变化，180℃→210℃半纤维素急剧降解，纤维素也开始分解，导致半纤维素主链和侧链上的亲水性基团减少，纤维素中羟基浓度减少，从而降低了竹材的吸湿性。与未处理材相比，从20℃→210℃，竹材的全干至气干径向湿涨率降低了55.56%，全干至气干弦向湿涨率从20℃→210℃降低了49.50%，全干至吸水稳定径向湿涨率降低了57.36%，全干至吸水稳定弦向湿涨率降低了53.89%，全干至气干体积湿涨率降低了48.69%，全干至吸水稳定体积湿涨率降低了56.92%。不同处理时间对竹材湿涨率的影响见图4。(同样应说明其处理温度)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.014.001234时间（h）湿涨率（%）全干至气干径向湿涨率全干至气干弦向湿涨率全干至气干体积湿涨率全干至吸水稳定径向湿涨率全干至吸水稳定体积湿涨率全干至吸水稳定体积湿涨率图3.处理温度对竹材湿涨率的影响Fig.3Theeffectoftreatmenttemperatureonswellingrationofbamboo图4.处理时间对竹材湿涨率的影响Fig.4Theeffectoftreatmenttimeonswellingratioofbamboo40.010.020.030.040.050.060.070.080.0050100150200250温度（℃）顺纹抗压强度(MPa)图4可以看出，竹材的湿涨率随热处理时间的延长也呈下降趋势，但热处理时间对湿涨率的影响不显著。与未处理材相比，从0-4h，全干至气干弦向湿涨率下降了35.78%，全干至气干径向湿涨率下降了46.67%，全干至吸水稳定弦向湿涨率降低了46.11%，全干至吸水稳定径向湿涨率降低了42.90%，全干至吸水稳定体积湿涨率降低了46.33%。全干至气干体积湿涨率降低了36.31%。2.3力学性能竹材的力学性能是影响竹材最终用途的主要指标之一。根据极差及方差结果分析，热处理时间对竹材主要力学性能影响不显著，因此将处理时间作为常数，主要讨论热处理温度对竹材五项主要力学性能的影响(见图5、图6、图7、图8、图9)。0.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0050100150200250温度（℃）弦向抗弯强度(MPa)8000.08200.08400.08600.08800.09000.09200.09400.09600.09800.010000.0050100150200250温度（℃）弦向抗弯弹性模量(MPa)150.0155.0160.0165.0170.0175.0180.0050100150200250温度（℃）顺纹抗拉强度(MPa)0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.0050100150200250温度（℃）顺纹抗剪强度(MPa)图5抗弯强度与处理温度的关系Fig.5TherelationbetweenMORandtreatmenttemperature图6抗弯弹性模量与处理温度的关系Fig.6TherelationbetweenMOEandtreatmenttemperature图7顺纹抗拉强度与处理温度的关系Fig.7Therelationbetweentensilestrengthparalleltograinandtreatmenttemperature图8顺纹抗剪强度与处理温度的关系Fig.8TherelationbetweenshearingstrengthparalleltograinandtreatmenttemperatureFig图9顺纹抗压强度与处理温度的关系Fig.9Therelationbetweencompressionstrengthparalleltograinandtreatmenttemperature5从以上图表可以看出竹材的弦向抗弯强度、弦向抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度五项力学性能都随着热处理温度的升高而降低。一般在150℃前竹材的力学性能下降较少，180℃→210℃力学性能的下降率较大。一方面由于随着热处理温度的升高胞壁物质分解，导致竹材的密实度降低，进而力学强度下降；另一方面是热处理过程中随着热处理温度的升高半纤维素被大量分解，同时纤维素也发生降解，纤维素聚合度降低，氢键被破坏，进而力学强度下降。从20℃到210℃，与未处理材相比，处理竹材的弦向抗弯强度下降了20.96%，弦向抗弯弹性模量下降了6.51%，顺纹抗压强度下降了26.65%，顺纹抗拉强度下降了12.20%，顺纹剪切强度下降了46.79%。3.结论1.热处理温度对竹材干缩率和湿涨率的影响比热处理时间显著。随着热处理温度提高和热处理