重組竹方材增濕軟化工藝

王書強，牛帥紅，沈道海，莊仁愛，李延軍（.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 3300；.浙江大莊實業集團有限公司，浙江 杭州 300）

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重組竹方材增濕軟化工藝

王書強1，牛帥紅1，沈道海2，莊仁愛1，李延軍1
（1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2.浙江大莊實業集團有限公司，浙江 杭州 311200）

摘要：針對重組竹方材含水率低、密度大且難刨切的現狀，采用不同壓力的加壓浸注和不同溫度的水煮軟化工藝對重組竹方材進行增濕軟化處理，研究增濕軟化后重組竹方材的增重率、傳熱及硬度的變化情況。研究結果表明：隨著壓力的增大和時間的延續，重組竹方材的增重率逐步增大，壓力1.2 MPa以后增重率增加不明顯；隨著水煮軟化溫度的升高和時間的延續，重組竹方材的增重率變化率呈增大的趨勢，36.0 h后增大趨勢變緩；重組竹內部溫度在8.0 h時已趨于穩定。硬度測試結果表明，經過加壓浸漬和水煮軟化后，重組竹材的硬度下降明顯，和未處理材相比下降了36.2%，而重組竹表面的裂紋長度和寬度有所增加，和未處理材相比裂紋平均長度增加了21.1%，平均寬度增加了16.7%。說明采用加壓浸注和水煮軟化的生產工藝能對重組竹方材起到較好的軟化效果，但也在一定程度上影響了其表面的裂紋長度和寬度。圖4表2參16

關鍵詞：木材科學與技術；重組竹；增濕軟化；加壓浸注；高溫蒸煮

浙江農林大學學報，2016，33（3）：477-482

Journal of ZheJiang A&F University

重組竹的加工利用技術已經十分成熟，眼下已經能夠大規模批量化生產，并且廣泛應用于建筑結構材、家具制造以及裝飾裝修領域。中國的竹資源十分豐富，而重組竹的竹材資源利用率高達90.0%，因此，重組竹的研發利用在保護木材資源，緩解中國木材資源供需緊張的局面上有著不可磨滅的貢獻［1-3］。重組竹新產品的開發利用進展較差，影響了重組竹產業的發展。目前，已經有部分專家學者開始探索重組竹刨切單板的開發，在前期刨切竹單板的研究的基礎上［4-6］提出開發紋理細膩、質量較好的重組竹刨切單板的產品，帶動重組竹加工產業的發展。由于重組竹加工工藝的特殊性，重組竹密度達到了1.1～1.2 g·cm-3，含水率低，硬度大，而且結構十分致密［7-9］，因而難以直接進行刨切。因此，如何提高重組竹方材含水率以達到軟化刨切就成為重組竹刨切單板加工的關鍵難題。本研究以重組竹竹方為研究對象，采用加壓浸注和水煮軟化的生產工藝，增大重組竹方材的含水率與軟化程度，并研究竹方材的導熱情況，解決重組竹單板刨切過程的關鍵難題，為企業生產提供技術支持。

1　材料與方法

1.1試驗材料與設備

重組竹方材來自于浙江紹興竹木制品有限公司，采用6～8年生毛竹Phyllostachys edulis制成去青去黃后的竹片，進行疏解制成精細竹束，經炭化、干燥、浸膠、干燥、冷壓熱固化等工序制備而成，其規格為2 550 mm×140 mm×140 mm，竹方密度為1.1 g·cm-3左右，初始含水率為6.0%～7.0%。

加壓浸注試驗采用DN800-2500型加壓浸漬罐進行；高溫水煮采用自制蒸汽加熱水槽。所有試件都采用磅秤進行質量的稱量。

1.2試驗方法

1.2.1加壓浸注重組竹方材放入加壓罐后，抽真空處理，壓力為0.8 MPa，時間為30 min。處理完后在不同的壓力和時間下進行加壓浸注，分別采用加壓壓力為0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 MPa以及保壓時間為2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 h。以重組竹方材的增重率為評價指標。重組竹方材的增重率按下式計算：RW=（m1-m0）/m0×100%，其中：RW（%）為試件的增量率，m1（g）為試件處理后的質量，m0（g）為試件處理前的質量。

1.2.2水煮軟化水煮軟化試驗在不同的溫度和水煮時間下進行，分別采用溫度為常溫28.0，50.0，70.0℃以及水煮時間為12.0，24.0，36.0，48.0 h的水煮工藝，將重組竹方材放入水煮池中后讓水淹沒方料表面10 cm以上，然后進行升溫，升溫速率為1.0～1.5℃·h-1，升溫至（70.0±5.0）℃進行水煮，以水煮后重組竹方材的增重率為評價指標。

1.2.3傳熱測試將含水率分別為10.0%和20.0%的重組竹方材按圖1所示位置進行打孔處理。將試樣分別放到水溫為70.0℃的恒溫水槽中，讓方料表面露出水面5 mm左右，然后對孔內溫度用溫度測定儀隔0.5 h測定1次，以最終各孔達到穩定不再變化溫度值的為指標。

圖1 重組竹導熱測試的打孔位置Figure 1　 Punch position of thermal conductivity test of recombinant bamboo

1.2.4軟化重組竹硬度測試竹材硬度試件的制作參照國家標準GB/T 1941-2009《木材硬度試驗方法》。試件尺寸為（長×寬×厚）70 mm×50 mm×50 mm，其長軸應與竹材紋理相平行。具體方法如下：采用硬度計測試實驗設備，將試樣放于硬度試驗設備支座上，并使試驗設備的鋼半球直徑為（5.64±0.01）mm端部正對竹片試驗面中心位置，以3～6 mm·min-1的速度將鋼壓頭壓入試樣的試驗面，直至壓入2 mm深。將載荷讀數計下，準確至10 N。

1.2.5軟化重組竹表面裂紋測試試件經軟化處理前后，肉眼觀察記錄試件表面的裂紋數、裂紋長度，顯微鏡觀察裂紋寬度，得到平均裂紋長度和平均裂紋寬度［16］。

2　結果與分析

2.1不同壓力和蒸煮溫度隨時間變化對重組竹方材增重率的影響

圖2所示為重組竹方材在不同壓力和時間下重組竹方材的增重率隨時間的變化。由圖2所示，隨著加壓浸注壓力的增大試件的增重率隨著時間的延長呈逐漸增大的趨勢，這是因為壓力的增加使得試件的內外壓力差變大，使得水分更加容易浸注到試件內部［10］，但如圖2所示：在壓力為1.2 MPa和1.5 MPa時試件的最終增重率趨于一致，壓力大于1.2 MPa后增大趨勢減緩。隨著加壓浸注時間的延長，增重率呈逐漸增大的趨勢，但在8.0 h以后增大趨勢逐漸減緩。在實際生產中，并不是壓力和浸注時間越大越好，一方面要考慮設備的受壓能力，另一方面也要考慮成本，所以在綜合考慮的情況下，應選擇1.2 MPa，8.0 h為最佳的浸注條件。

圖2 壓力對重組竹方材增重率的影響Figure 2　 Influence of pressrue on weight gain rate of recombinant bamboo

圖3 蒸煮溫度對重組竹方材增重率的影響Figure 3　 Influence of temperature on weight gain rate of recombinant bamboo

圖3所示的是重組竹方材在不同溫度和時間水煮后試件增重率的變化情況。從圖3上可知：常溫28.0℃狀態下，重組竹的增重率變化不大，在50.0℃溫度水煮下，增重率隨著水煮時間的延長逐步升高，在36.0 h以后這種升高趨勢也逐漸變小。同樣在70.0℃條件下進行水煮時，36.0 h前試件增重率增加顯著，36.0 h以后隨著時間的延長，增重率逐步上升，但是上升趨勢逐步變緩，所以36.0 h為最佳水煮軟化時間。可以看出重組竹方材由于其制造工藝的特殊性，其結構十分緊湊，導致水分的滲透十分困難，因此，在進行重組竹方料的刨切等工藝時需要采用本研究的加壓浸注和水煮軟化工藝進行增濕軟化處理，提高重組竹方材的增重率及溫度，達到一定程度上的軟化。

2.2重組竹方材內部各點溫度變化

實驗過程中分別采用含水率為10.0%和20.0%的重組竹來研究其內部的導熱性能。如圖1所示：重組竹導熱測試的打孔位置其中前排的1，2，3，4位于整個面的1/4處，中排的1，2，3，4位于整個面的1/2處。上述所有的孔1和孔2為深孔占總厚度h的1/2，孔3和孔4為淺孔占總厚度h的1/4，將溫度測試儀的探頭插入孔中隔0.5 h定點的測孔內溫度的變化，目的就是為了通過測試重組竹內部的溫度來找到最佳的浸漬時間點，即重組竹內部溫度趨于平衡的點。因為竹材和木材的成分和結構很相似，所以竹材軟化與木材軟化具有相似的性質，因為水熱處理（水煮法）軟化重組竹，主要是利用水對纖維素的非結晶區、半纖維素和木素進行潤脹，為分子劇烈運動提供自由體積空間，靠由外到里逐漸對重組竹進行傳導加熱。重組竹方材經水熱處理后，一部分半纖維素易分解溶解成液態，便于在外力作用下產生相對滑移，從而使重組竹方材軟化，加熱可以使非結晶區中的木素、纖維素和半纖維素分子能量加大。在水、熱的作用下，纖維素非結晶區濕脹，木素呈黏流態，半纖維素失去其聯結作用，重組竹塑性加大即重組竹的軟化程度提高，這樣會有利于后期的刨切［11-15］。

圖4所示為重組竹在70.0℃的水浴中水煮，各孔內部溫度隨時間的變化，圖4中顯示內部各孔溫度變化的趨勢都是大致相同的，都是經歷了緩慢升溫、快速升溫和溫度相對平衡的過程，且隨著時間的延長，最終8.0 h各孔的溫度都趨于穩定。圖4中所示：孔的升溫速率和最終的溫度大小依次為孔1＞孔4＞孔2＞孔3，說明了孔內溫度的傳遞方式主要為端部沿長度方向傳導，而沿厚度方向為次或速率不明顯，原因主要與竹材的纖維結構有關。通過比較圖4A與圖4C，圖4B與圖4D可知：重組竹的含水率越高，則其內部導熱速率越快，到達相對平衡溫度的時間越短。其中圖4A圖4B圖所示的前排和中排孔最快在6.0 h左右達到穩定；圖4C圖4D圖所示在5.0 h左右達到穩定，所以在實際操作中為了后期的刨切質量，應增大竹方的含水率，這樣可以在水分和熱的作用下，更好地軟化重組竹。結合水煮軟化試驗和導熱分析試驗可知：當重組竹內部溫度全部達到穩定時約在8.0 h左右，而水煮軟化最佳的浸注時間為36.0 h，所以在重組竹水煮軟化過程中的最佳浸注時間即為試驗的最佳時間。

圖4 孔內部溫度隨時間的變化Figure 4 Internal temperature change of the hole with time

2.3水煮軟化重組竹硬度測試

從表1中可以看出：在70.0℃軟化36.0 h后，重組竹材的硬度下降明顯。和未軟化處理重組竹對比，經70.0℃軟化36.0 h后，硬度下降了36.2%，P值小于0.01。說明處理前后樣品的硬度差異還是非常顯著的，采用水煮軟化處理工藝能顯著提高重組竹的硬度。

表1 70.0℃軟化36.0 h和對照組重組竹材的硬度Table 1　 Hardness of recombinant bamboo after no treatment and softening treatment at 70.0℃for 36.0 h

2.4軟化重組竹表面裂紋情況

軟化處理前，肉眼觀察發現，重組竹表面裂紋都比較細小。原因為重組竹在壓制的過程中，碾壓竹絲和鋪裝時，都會使竹材維管束的方向發生改變，竹絲只是相對的平行，很多維管束都會發生傾斜和彎曲，這些傾斜和彎曲會在一定程度上抑制開裂的蔓延，所以重組竹表面的裂紋較細短［16］；在本研究的條件下軟化處理后試件表面肉眼觀察到裂紋的變化情況如表2。

從表2中可以看出：在70.0℃軟化36.0 h后，重組竹材的表面裂紋數沒有變化而裂紋寬度、裂紋長度有所增加。和未軟化處理重組竹對比，經70.0℃軟化36.0 h后，表面裂紋長度平均增加了21.1%，裂紋寬度平均增加了16.7%，說明水煮軟化處理會在一定程度上增加裂紋的長度和寬度。

表2 重組竹表面裂紋情況Table 2 Cracks in the surface of recombinant bamboo

3　結論

在本研究重組竹方材的加壓浸注過程中，隨著壓力的增長和加壓時間的延長，重組竹方材的增重率呈均勻升高的趨勢，當壓力大于1.2 MPa后，增重率增加趨勢逐漸減緩；加壓時間大于8.0 h后增重率增大的趨勢逐漸減緩。

在本研究的水煮軟化工藝中，重組竹方材的增重率隨著溫度的升高變化率逐漸增大，并且隨著水煮時間的延長，重組竹方材的增重率逐漸增大，但是在36.0 h以后增大的趨勢趨于緩慢。

傳熱試驗表明：重組竹和木材的導熱方向都是端部沿長度方向為主，厚度方向為次。

硬度測試結果表明：經70.0℃軟化36.0 h后，重組竹材的硬度下降明顯，和未處理材相比下降了36.2%。

裂紋測試結果表明：經70.0℃軟化36.0 h后，表面裂紋長度增加了21.1%，裂紋寬度增加了16.7%，而裂紋數沒有變化。

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Humidifying and softening processes of recombinant bamboo

WANG Shuqiang1, NIU Shuaihong1, SHEN Daohai2, ZHUANG Renai1, LI Yanjun1
（1. School of Engineering, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, Zhejiang, China；2. DASSO Industrial Group CO., LTD, Hangzhou 311200, Zhejiang, China）

Abstract:Recombinant bamboo has many good properties, such as nice outlook, fine phisical properties. However, recombinant bamboo has a low moisture content and high density. To determine changes in the weight gain rate and to provide temperature and hardness guidance for humidifying and softening recombinant bamboo, the technique of pressure impregnating and water softening with different pressures and temperatures were conducted. Results showed that with an increase in pressure and time, the weight gain rate increased, but above 1.2 MPa increases in the weight gain rate were not obvious. For the water softening process, with increases of temperature and time, the weight gain rate increased, but slowed after 36.0 h；the internal temperature was stable after 8.0 h. Compared to the control, pressure impregnating and water softening decreased hardness 36.2%. Also, compared to the control group, the crack test showed that crack length increased 21.1%and crack width increased 16.7%. Thus, the manufacturing process had a great positive softening effect on recombinant bamboo, and it had a small nagetive effect on crack length and width with recombinant bamboo surfaces.［Ch, 4 fig. 2 tab. 16 ref.］

Key Words:wood science and technology；recombinant bamboo；humidifying and softening；pressure impregnate；thermophilic digestion

中圖分類號：S781.7；TS652

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0756（2016）03-0477-06

doi：10.11833/j.issn.2095-0756.2016.03.015

收稿日期：2015-03-31；修回日期：2015-10-19

基金項目：杭州市科技發展計劃項目（20150432B44）；浙江省自然科學基金資助項目（LZ13C160003，LY16C160009）

作者簡介：王書強，從事竹材工業化利用研究。E-mail：308601139@qq.com。通信作者：李延軍，教授，博士，博士生導師，從事竹木復合材料及竹材工業化應用研究。E-mail：lalyj@126.com