竹材軟化處理技術(shù)的改善

竹材軟化處理技術(shù)的改善Rui-xiangChengQi-shengZhangShu-juanSui摘要：在制造竹單板時，為了提高竹塊軟化效率，通常采用在竹材軟化處理期間加入化學(xué)試劑（例如NaHCO）的方法。但是傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀的結(jié)3果顯示，用NaHCO軟化處理的竹材光譜與沒有經(jīng)過軟化處理或沒有用NaHCO軟3 3化處理的竹材光譜比較，其木聚糖中C=O的伸縮振動在1733cm-i處的譜帶強度有所降低。也就是說，用NaHCO軟化處理后，竹材的半纖維素破壞了，這就意3味著用NaHCO軟化處理竹材不是一個理想的軟化處理方法。因此，本文中采用3在120°C密閉容器中處理30分鐘的軟化技術(shù)。專立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀結(jié)果顯示：沒有經(jīng)過軟化處理的竹材的FTIR光譜和在120C條件下軟化處理30分鐘的竹材的光譜相比幾乎沒有區(qū)別，這就意味著在120C條件下軟化處理30分鐘對竹材的成分沒有影響。動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）的結(jié)果顯示：未經(jīng)過軟化處理的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T）是120C，在120C條件下軟化處理30分鐘g的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是88C。在120C條件下軟化處理30分鐘的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比未經(jīng)軟化處理的竹材的減少了26.7%。測量的硬度結(jié)果顯示：在120C條件下軟化處理30分鐘的竹條比未經(jīng)軟化處理的竹材的硬度降低了42.0%?54.6%。硬度和DMA的結(jié)果顯示：竹材在120C條件下處理30分鐘的軟化處理是有效的。引言背襯無紡布的刨切竹單板展示了一種竹材開發(fā)與發(fā)展的新方法。這種通過無紡布加強的竹單板有許多特點，例如高附加值，方便使用以及在國內(nèi)外有巨大潛在的市場。背襯無紡布的刨切竹單板有許多用途?？梢杂盟鳛榧揖弑砻娴难b飾材料。由于竹材具有獨特的紋理和良好的耐磨性，也可以用作室內(nèi)裝飾材料。例如，它可以用作墻板、地板、天花板等的裝飾表面材料。竹單板的裝飾效果有一種特殊的鄉(xiāng)土風格。此外，由于它的良好的可塑性，可被用來做手工藝品。通常用不同的模具把它制作成各種具有獨特形狀的手工藝品，例如，竹餐盤、竹果盤、竹篩子等。刨切竹單板的工藝流程如下：在制造刨切竹單板的時候，有必要使竹塊完全軟化，以便獲得高表面質(zhì)量的竹單板。常用的竹材軟化過程如下：首先，把竹塊浸在40-50熱水里6-10小時；

然后使水溫逐漸升到80-120°C,保持1-2小時；最后，自然冷卻到50-70（Lietal.2001)。因為竹材吸水很慢，用這種常規(guī)軟化方法的竹塊的軟化時間持續(xù)很久。通常，為了快速軟化竹材，在沸水中加入10%的NaHCO(Heetal.2001;Li32000;LiandHuang-Pu2001;Lietal.2003)因為Na+能快速進入竹材內(nèi)部，使竹材水分增加二到三倍，竹材的塑性也同樣增強。本文的目的是檢測NaHCO3是否改變了竹材的成分。因此，在本文中研究了一種良好的軟化處理方法。材料與方法材料：本實驗中使用的竹材是5年生的毛竹。用傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀檢測用NaHCO3軟化處理的竹材的效果把竹子劈成尺寸為70mmX20mmX6mm的竹條。然后從同樣的竹條中劈三段，分別編號1、2、3。把這些試件分成三組：一組是控制組，編號1；一組是不加NaHCO在100°C水中軟化2小時，編號2；最后一組是加NaHCO在100°C水中軟3 3化2小時，編號3。所有的試件在103±2°C的烘箱里干燥直到絕干，然后磨成粉末狀使其能通過60目的篩子。把過濾下來的木粉保留用于做紅外光譜分析。在MAGNA-IR560光譜儀上進行傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析，MAGNA-IR560光譜儀產(chǎn)自美國Nicolet公司。用溴化鉀壓片技術(shù)記錄光譜。在采集光譜之前，把干竹粉和溴化鉀混合來制作壓片。本文中傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀的譜帶范圍為4000-400cm-1。在密閉容器中確定高溫軟化處理的時間的測試方法在竹地板廠，為了使竹條炭化，通常把竹條放進一個密閉爐內(nèi)，然后向爐內(nèi)通飽和蒸汽直到內(nèi)部溫度達到130T60C。在高溫高濕環(huán)境下，竹條的顏色變成棕色(Fu2001)。為了避免竹材炭化，首先要考慮密閉爐內(nèi)合適的溫度和壓力。如果密閉爐內(nèi)蒸汽壓太高，竹材很容易炭化變成棕色。因此，考慮到平衡竹塊的軟化處理效率和炭化的因素，本文采用120C的軟化溫度。竹材彈性模量(MOE)的測試方法依據(jù)GB/T17657-1999，準備好150mmX20mmX6mm規(guī)格的竹材試件。把試樣分成兩個系列，一個是經(jīng)過120C軟化處理的，另一個作為對照組。120C軟化處理的時間為20、30和45min。在軟化處理之后，把試樣從水中取出擦干。然后馬上測試彈性模量。在ANS萬能力學(xué)試驗機上分別測試對照組和在120C軟化處理的竹材的彈性模量，ANS萬能力學(xué)試驗機產(chǎn)自中國深圳XinSanSi1ahle[BondassignmentsinFTIRspectraofnotsoftening-treatedbamboosoftening-treatedbamboowithoutNaHCO3andsofiening-ireaiedbamboowithNaHCO3Bandposition(cm-1)AssignmentsNotsofiening-ireatedbambooSofiening-ireatedbamboowithoutNaHCO3Sofiening-ireatedbamboowithNaHCO31,7371,7411,733C=0stretchingvibrationinxylan1*6331,6341,638H-O-HstretchingvibrationofadsorbedwalerL604L604U597Benzeneringstretchingvibrationinlignin計算有限公司。本實驗采用中點撓度測試。標距是120mm；在試件中間區(qū)域加載荷。在測試時，竹條的竹青厚度方向朝下。從萬能力學(xué)試驗機中直接讀出載荷和變形值。然后計算彈性模量值，填入表1。用傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀測試竹材在一個密閉容器中溫度120°C軟化處理30分鐘的效果把控制組試樣和120C軟化處理30分鐘的試樣放進103±2°C的烘箱干燥直到絕干，然后磨成能通過60目篩子的粉末。在采集光譜之前，把干竹粉和溴化鉀混合來制作壓片。本文中傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀的譜帶范圍為4000-400cmT。用DMA測試竹材在一個120C密閉容器中軟化處理30分鐘的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度把試樣分成對照組和在120C軟化處理30分鐘的組。兩組試樣是從相同的竹條中劈出，分別標上1、2。記號1的試樣是對照組；記號2的是在一個120C密閉容器中軟化30分鐘的組。然后把所有試樣放在103±2C的烘箱干燥直到絕干。準備好尺寸為60mmX8mmX5mm的竹材試樣。在本試樣中用到的動態(tài)力學(xué)儀器是一臺德國制造的的NETZSCHDMA242，該儀器有控制冷卻配件。用三點彎曲模式對竹材進行試驗。對于所有的動態(tài)試驗，在試件上加載4N的動態(tài)應(yīng)力。所用的頻率為3.3Hz。溫度范圍為35-200C。升溫速率為5°C?min-1。竹材硬度測定的測試方法根據(jù)國家標準GB/T1941-1991（測定木材硬度的標準測試方法）制作測定竹材硬度的試件。試件尺寸為70mmX20mmX6mm，其長軸平行于竹材紋理。把試件分成兩組：控制組和120°C軟化處理30分鐘的組。由于竹條的尺寸小，如果用普通直徑（11.28mm）的鋼半球，在加壓的時候很容易劈開，會影響實驗結(jié)果的精度。因此，在本文中測試竹條硬度時采用直徑4mm的非標準鋼半球。竹材硬度通過用靜載荷把直徑4mm的鋼半球壓進竹材讀取載荷最高值獲得。硬度單位為N。測定竹材硬度的試驗方法如下：把試件放在萬能力學(xué)試驗機的端點支承上，直徑4mm的鋼半球正對著試件中部，鋼沖頭以3-6mm/min的速率壓進竹條2mm深，讀取載荷值，精確到10N。本試驗的硬度數(shù)據(jù)填入表2。1able2TheMOEofbambooblockbeforeandaftersofteningtreatmentathigh,temperatureItemNosofteningtreatmentSofteningtreatmentSofteningtreatmentSofteningtreatmentfor2()minal120°Cfor30minat120cCfor45minat120°CMOE.MpaMC/%MOE.MPaMC/%MOEMPaMC/%Mean8,9127,62538.636,41746.285,42650.23C'v%6.685.039.186.837.037.236.55Moisturecontentofnotsoftening-treatedbamboowas10.76%MOEModulusofelasticity,MCmoisturecontent竹材硬度測量在木材萬能試驗機上完成，萬能試驗機是由SIBERHEGNERCo.Ltd制造。結(jié)果與討論用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀檢測用NaHCOs軟化處理竹材的效果11^?1.FTIRspectraofbainboowithnoteinai-LreaImebit.softeinai]-elitilieiitwillioutNAHCO^；aiidsi)ftei1ing-ti"cdtma11williNAHCO^；INotsoflejjing-tredtedbamboo-2Softening-1realedbamboowillioutNAIICO^.3Softeniiiig^LreatedbamboowithNAHCO咅圖1顯示了未經(jīng)軟化處理的竹材、未用NaHCO軟化處理的竹材、用NaHCO3 3軟化處理的竹材的FTIR光譜圖。和未經(jīng)軟化處理的竹材相比，未用NaHCO軟化處理的竹材與用NaHCO軟化3 3處理的竹材的在1634cm-i附近的譜帶增加了。在1634cm-i區(qū)域吸收的主要原因來自于試驗中水分子的HOH的彎曲振動(Harringtonetal.1964；Li1994),由于干纖維素對水分的吸收非常快速，導(dǎo)致HOH彎曲振動不能移動。未用NaHCO3軟化處理的竹材與用NaHCO軟化處理的竹材在1634cm-1附近的譜帶強度增加的3原因是竹材中抽提物減少，使竹材在軟化處理之后容易吸濕。由于C=O伸縮振動(Khanetal.1993;Caoetal.1996;Michell1988)與未經(jīng)軟化處理的竹材比較，用NaHCO軟化處理的竹材在1733cm-1附近的譜帶減3少了。那是因為半纖維素中的木聚糖降解成低聚合度的聚合物，甚至是單糖。竹材中1597cm-1附近的譜帶，是由于木質(zhì)素中著名的苯環(huán)的拉伸模式(Rodriguesetal.1998)。當與未經(jīng)軟化處理的竹材比較時，用NaHCO軟化處3理的竹材在1597cm-1附近的譜帶幾乎沒有改變。也就是說，用NaHCO軟化處理對3木質(zhì)素沒有效果。主要的譜帶分配陳列在表1中。用NaHCO軟化處理在一定程度上毀壞了竹材的半纖維素。同時，因為竹材3吸水較慢，用常規(guī)方法竹塊的軟化時間持續(xù)更長。并且，這種化學(xué)軟化方法經(jīng)常容易導(dǎo)致水污染。因此，在接下來研究中，將要采用一種有效的方法，用這種方法竹塊在高溫密閉容器中軟化。在密閉容器中測定軟化處理的時間的試驗方法Fig.2RehlionbetweenhighlemperLilnresofteningIreatmenltimeimdmuisiureconltntofbaniboo

Iabie3Thehardnessofnotsoftening-ireaiedandsoftening-ireaiedbamboostripal120QCfor30min(N)ItemNosofteningtreatmentSofteningtreatmental for30minSurfacenearouterpartofbambooSurfacenearinnerpartofbambooSurfacenearouterpanofbambooSurfacenearinnerpartofbambooMean1.8081.454L04S658CV%14.5315.5315.6820.73Moisturecontentofnotsoftening-treatedbamboowas10%:moisturecontentofbambooaftersofteningireatmentat120°Cfor3()minwas44.5%Iig.3FTIRspectraofnotsoftening-treatedbambooandsoftening-ireaiedbambooat]20°Cfor30min.INotsoflening-ireatedbamboo.2Softening-treatedbambooal12for30min卜1牛4ThecurveofTangentdeltaofDMAversuslemperaiureofnotsoftening-treaiedandsoftening-treatedbamboo.1Noisofiening-ireatedbamboo.2Sofiening-ireatedbambooal120°Cfor30min表2顯示了竹塊在高溫軟化處理前后的彈性模量。表2可看出未經(jīng)軟化處理的竹材的平均彈性模量是8912MPa,在高溫軟化處理之后竹材的平均彈性模量大大降低。竹材在120°C軟化處理45分鐘的平均彈性模量降低到5426MPa，這就意味著高溫軟化處理能提高竹材的塑性，保證單板表面質(zhì)量。圖2表明延長軟化處理時間，竹材含水率增加。從含水率增加角度考慮，高溫軟化更長時間對竹材是有利的。但是在高溫軟化處理30分鐘之后，竹塊含水率增加非常慢。而且，延長高溫軟化處理時間，竹材更可能變色。因此，額外的高溫軟化處理時間是不合適的?？紤]到這些因素，確定了120C軟化處理時間是30分鐘。用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀檢測在密閉容器中竹材高溫處理的效果圖3顯示了未經(jīng)軟化處理的竹材和在120C軟化處理30分鐘的竹材的FTIR光譜。圖3的曲線表明在未經(jīng)軟化處理的竹材和在120C軟化處理30分鐘的竹材之間的FTIR光譜幾乎沒有什么不同，這就意味著在120C軟化處理30分鐘對竹材的化學(xué)成分幾乎沒有影響。在密閉容器中軟化處理后竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定圖4顯示了未經(jīng)軟化處理的竹材和在120°C軟化處理30分鐘的竹材的DMA的tan6對溫度的曲線。未經(jīng)軟化處理的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是120C，而在120C軟化處理30分鐘的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是88Co與未經(jīng)軟化處理的竹材相比，在120C軟化處理30分鐘的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了26.7%。竹材硬度的測定表3顯示了未經(jīng)軟化處理的竹條和在120C軟化處理30分鐘的竹條的硬度。表3的結(jié)果顯示在120C軟化處理30分鐘之后竹材的硬度大大減少，在靠近竹材外部和內(nèi)部附近的表面硬度分別降低了42.0%和54.7%。竹材硬度在120C軟化處理30分鐘后大大降低的主要原因是水分子進入到竹材纖維素的無定形區(qū)，使其變濕并且使竹材纖維膨脹。因此，這個處理方法有好的軟化效果。結(jié)論FTIR的結(jié)果顯示由于木聚糖中C=O的伸縮振動，用NaHCO3軟化處理的竹材光譜與沒有經(jīng)過軟化處理或沒有用NaHCO軟化處理的竹材光譜比較，在31733cm-1出的譜帶強度減少。也就是說，竹材的半纖維素在用NaHCO3軟化處理后毀壞了；因此，本文采用在120C處理30分鐘的軟化方法。FTIR的結(jié)果表明未經(jīng)軟化處理的竹材和在120C軟化處理30分鐘的竹材之間幾乎沒有區(qū)別，這表明在120C軟化處理30分鐘對竹材的化學(xué)成分沒有什么影響，和普通的用NaHCO3軟化處理相比具有明顯的優(yōu)勢。未經(jīng)軟化處理的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是120C，而在120C軟化處理30分鐘的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是88C。與未經(jīng)軟化處理的竹材相比，在120C軟化處理30分鐘的竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了26.7%，這意味著軟化效果是明顯的。本試驗的硬度數(shù)據(jù)顯示在120C軟化處理30分鐘之后，靠近竹材外部和內(nèi)部附近的表面硬度分別降低了42.0%和54.7%，這就意味著軟化效果是有效的。參考文獻CaoZ-R,YanW-P,GuoW-L(1996)Studiesonbondingmechanismofdry-pressbinderlessfiberboard.PartFTIRstudyofbinderlessfiberboards.ChinaWoodInd10(5):3-6FuF-J(2001)Theeffectofchemicaltreatmentonbamboocarbonization.ForestSciTechnol26(6):43-44HarringtonKJ,HigginsHG,MichellAJ(1964)InfraredspectraofeucalyptusregnansF.Muell.andPinusradiataD.Don.Holzforschung18(4):108-113HeD-F,CuiC-F,ZengQ-J,SongJ(2001)Preliminarystudyonbambooveneerpeeling.ChinaWoodInd6:29-30KhanMA,IdrssAliKM,BasuSC(1993)IRstudiesofwoodplasticcomposites.JApplPoly