熱處理對竹材理化性能影響研究進(jìn)展

霍鑫升，楊國超，張求慧

熱處理對竹材理化性能影響研究進(jìn)展

霍鑫升，楊國超，張求慧

（北京林業(yè)大學(xué) a.木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.木材科學(xué)與工程北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

歸納國內(nèi)外現(xiàn)有熱處理工藝對竹材理化性能的影響的研究進(jìn)展，分析不足，并提出熱處理竹材作為代木材料在包裝領(lǐng)域的未來研究趨勢。綜述不同熱處理竹材工藝（包含時(shí)間條件、溫度條件、介質(zhì)種類）的研究現(xiàn)狀，總結(jié)竹材理化性能的變化特點(diǎn)。當(dāng)前熱處理技術(shù)作為環(huán)保簡易的竹改性技術(shù)表現(xiàn)出一定優(yōu)勢，但單一的工藝條件對竹材原有性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)向影響，需對工藝參數(shù)和反應(yīng)條件進(jìn)行開發(fā)改進(jìn)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的制備裝置。采用熱處理?xiàng)l件多線程綜合工藝可以在優(yōu)化竹材性能的同時(shí)，保持甚至降低中高溫對竹結(jié)構(gòu)的破壞，從而增加熱處理竹材的使用年限，并拓展其使用領(lǐng)域。

竹材性能；熱處理；代木材料；環(huán)保包裝

竹子具有成材快、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、美觀等特點(diǎn)，且易于加工。第九次中國森林資源報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，全國竹林面積已達(dá)641.16 萬hm2[1]，堪稱世界竹產(chǎn)品生產(chǎn)第一大國。由古至今，竹包裝在我國有著豐富的應(yīng)用，如竹籃、竹筐、竹箱等，具有存儲(chǔ)、保存物品等功用；竹筒、竹葉等，用作食品接觸包裝，以延長食品的保存期限、提升味覺體驗(yàn)；竹藤、竹片、竹編等，多用作物品外裝飾和現(xiàn)代創(chuàng)意包裝設(shè)計(jì)等[2]。基于環(huán)保綠色生活理念、彌補(bǔ)木材短缺現(xiàn)狀，以竹代木理念使得可再生、可循環(huán)的竹材在包裝行業(yè)，尤其是物流包裝和食品包裝等方面的應(yīng)用優(yōu)勢日漸突顯。

由于竹材本身的吸濕能力較強(qiáng)，易霉變，易受蟲蛀，因此在使用過程中易開裂變形，這是限制其使用的主要原因。研究學(xué)者利用飽和蒸汽、氮?dú)狻⒖諝獾葰怏w，或蓖麻油、植物油、桐油等導(dǎo)熱油，或石蠟等作為導(dǎo)熱介質(zhì)和保護(hù)介質(zhì)，將竹材在140～180 ℃的中溫條件和180 ℃以上的高溫條件下保持特定時(shí)間，使得竹材中半纖維素和部分纖維素?zé)o定型區(qū)降解，木質(zhì)素之間發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，最終生成了新的纖維——木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)?交聯(lián)結(jié)構(gòu)[3]，以實(shí)現(xiàn)對竹材的熱處理改性。熱處理作為一種綠色易操作的改性方法，不僅可提升材料的尺寸穩(wěn)定性和生物耐久性，還可改變竹材表面的顏色，提升其使用視覺感受。

近年來，針對竹材（尤其是毛竹材）熱處理后的結(jié)構(gòu)成分、尺寸穩(wěn)定性及抗彎抗壓性能等方面的研究較多。這些研究大都專注于處理后竹材的某種性能，對于中高溫條件下熱處理竹材工藝（如處理溫度、處理時(shí)間和導(dǎo)熱介質(zhì)等）影響機(jī)理的綜述較少。文中將從現(xiàn)有熱處理工藝對處理后竹材性能的影響進(jìn)行敘述，以期為今后熱處理竹材在包裝領(lǐng)域的質(zhì)量控制和材性預(yù)測提供綜合理論支撐。

1 熱處理對竹材物理性能的影響

竹子具有的多孔結(jié)構(gòu)和各向異性，使得竹材易干縮濕脹，在加工使用過程中常出現(xiàn)裂紋變形。經(jīng)熱處理后，竹材表面會(huì)發(fā)生直觀、明顯的變化，改性后竹材的表面潤濕性降低，吸水、吸濕能力下降；短時(shí)間熱處理讓竹材的剛度、強(qiáng)度及抗彎能力得到提升，但繼續(xù)延長處理時(shí)間、增加處理溫度則會(huì)使其力學(xué)性能大幅下降；在受熱后，竹材表面的顏色會(huì)加深，這使得竹材在包裝裝飾利用時(shí)更能滿足沉穩(wěn)內(nèi)斂的視覺感受。

1.1 熱處理對竹材表面潤濕性的影響

表面潤濕性是反應(yīng)材料親水性能的重要指標(biāo)，熱處理能夠在一定程度上改善竹材的表面潤濕性。不同的加熱介質(zhì)均能對降低材料的表面潤濕性起到積極作用。雷文成等[4]利用干燥熱處理毛竹材，探究了吸濕和解吸性能規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平衡含水率（EMC）降低時(shí)，吸濕滯后系數(shù)增大，處理后竹材單分子層和多分子層的水吸附能力下降，但是表面水分子與吸附點(diǎn)位之間的相互作用依然保持。在連續(xù)氮?dú)饬髦校瑹崽幚砻褚泊嬖谙嗤?guī)律[5]。在220 ℃條件下，竹的薄壁細(xì)胞被嚴(yán)重破壞，半纖維素降解[6]和角質(zhì)化作用[7-8]使得其吸水率和厚度膨脹率隨著處理溫度的升高而降低[9]。Yuan等[10]研究發(fā)現(xiàn)，相較于氣體介質(zhì)處理，以飽和蒸汽熱處理竹材后，EMC隨著處理溫度的升高下降得更多，在180 ℃下處理10 min后，相較于未處理材料下降了30.5%。高溫不僅可以降低毛竹的EMC，還可提高其到達(dá)平衡含水率的速度。Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，高溫下毛竹的含水率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比生竹材短，在180 ℃下處理4 min即可使EMC下降約31.3%。Chen等[12]將其歸因于半纖維素的降解，以及纖維素短分子鏈上羥基發(fā)生了橋連反應(yīng)，生成了醚鍵，導(dǎo)致無定形區(qū)域重排。不同于氣體介質(zhì)，經(jīng)油介質(zhì)熱處理竹材后，油介質(zhì)在竹材表層停留時(shí)即可形成油膜，從而阻止水分進(jìn)入細(xì)胞[13]，表現(xiàn)為疏水性能得到大幅提升。在160 ℃下處理2 h后，接觸角為87.4°，遠(yuǎn)高于未處理毛竹的接觸角（58.03°）。Hao等[14]通過對甲基硅油作為熱介質(zhì)處理毛竹材進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，油中的氫鍵或酯鍵與竹材半纖維素中的羥基反應(yīng)是改善疏水性能的原因。試樣表面具有更多的羥基、羧基親水基團(tuán)，它們?yōu)闊o定形區(qū)物質(zhì)的降解提供了更多的吸水空間。在高溫條件下，竹材中的阿拉伯糖和木糖等多糖的降解羥基、C=O基團(tuán)，以及C—O基團(tuán)等親水活性位點(diǎn)減少，木質(zhì)素的脫甲基氧化和熱交聯(lián)使得β?O?4交聯(lián)部分被消耗，這是竹材表面潤濕性和吸水能力降低的另一原因。

經(jīng)熱處理后，竹表面潤濕性的提升在降低吸水性能、改善尺寸穩(wěn)定的同時(shí)，對其力學(xué)性能也有積極作用，可用于常處于潮濕環(huán)境中的集裝運(yùn)輸箱體包裝。處理后的耐水表面還能夠減少膠合竹材加工時(shí)膠黏劑的滲透率和施膠量，達(dá)到環(huán)保綠色需求，對于裝飾用竹材的油漆顏料使用量和保持能力都有提升效果。

1.2 熱處理對竹材力學(xué)性能的影響

竹材的力學(xué)性能優(yōu)異，常作為建筑房梁、家居結(jié)構(gòu)等材料，滿足了大型機(jī)械包裝的需要。研究表明，熱處理可以影響硬木材料的機(jī)械強(qiáng)度[15-17]，因此熱處理工藝對竹材力學(xué)性能的影響具有實(shí)際研究價(jià)值。在溫度為150～190 ℃時(shí)，每降低10 ℃，毛竹材的抗壓強(qiáng)度降幅小于5%，200 ℃是抗壓強(qiáng)度顯著降低的臨界溫度，最大降幅約為22.77%。抗彎強(qiáng)度的變化也與之類似。總纖維素等成分的降解導(dǎo)致竹材的密度下降，力學(xué)性能在此時(shí)也顯著降低。Acosta等[18]利用水解熱反應(yīng)堆處理瓜多竹，研究了竹材的密度與力學(xué)性能的相關(guān)性，得到＜0.05，證明了此觀點(diǎn)。對于高溫處理不利于竹材的制造應(yīng)用，在生產(chǎn)加工時(shí)應(yīng)控制熱處理溫度，保障材料的力學(xué)性能。基于現(xiàn)有一步飽和蒸汽處理竹材方法，可采用兩步飽和蒸汽法處理竹材[19]，即將經(jīng)過初次飽和蒸汽處理后的竹材再次經(jīng)過更高溫飽和蒸汽。在2次熱處理間隙向反應(yīng)體系中通入氧氣，以催化半纖維素進(jìn)一步氧化，提高纖維素的結(jié)晶度，提升斷裂模量和彈性模量，改善最終產(chǎn)品的性能。一步熱處理法在處理溫度為180 ℃、處理時(shí)間為30 min時(shí)，材料的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)過140 ℃保持2 h和160 ℃保持2 h的2次蒸汽熱處理后，材料的斷裂模量由90.25 MPa提升至143.42 MPa，彈性模量增大，厚度膨脹率降低。多步熱處理不僅可達(dá)到更優(yōu)的力學(xué)效果，同時(shí)也降低了工廠的加工能耗，節(jié)約了成本。

采用不同的加熱介質(zhì)處理竹材后，其力學(xué)性能的變化規(guī)律略有差異。Yang等[20]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)220 ℃真空熱處理后，毛竹材的平壓回彈降低、厚度膨脹減小，其厚度變化率（TCR）隨著溫度的升高而降低，可以提升竹材在較低密度下的抗彎強(qiáng)度，由于吸水厚度膨脹率依然較高，因此限制了其在戶外的使用。為了得到更優(yōu)的力學(xué)性能，拓寬熱處理竹的使用領(lǐng)域，Brito等[21]利用干燥熱處理射頻膠黏劑膠合竹板，在140 ℃和160 ℃條件下可達(dá)到ASTM D?2559要求的中等至高等靜曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度木材標(biāo)準(zhǔn)[22]，說明中等溫度條件處理竹材是代木材料的良好備選品。匯總了多位學(xué)者將氮?dú)庾鳛榧訜峤橘|(zhì)處理桂竹時(shí)的抗彎強(qiáng)度結(jié)果，如圖1所示[23-24]。由于外部抗壓應(yīng)力和內(nèi)部承受拉剪應(yīng)力的相互作用，使得低密度竹材具有較高的抗彎強(qiáng)度。隨著抗彎強(qiáng)度測試加載時(shí)間的增加，縱向正應(yīng)變增大，橫向負(fù)應(yīng)變減小，說明在氮?dú)庵羞M(jìn)行熱處理后，毛竹材在加載方向上的延展性降低，橫向收縮率增加。在相同的加載時(shí)間下，處理溫度的增加也會(huì)使竹材的泊松比隨之增加。為了降低高溫和長時(shí)間熱處理對材料力學(xué)性能的負(fù)面作用，吳再興等[25]利用木材防水劑石蠟作為加熱介質(zhì)補(bǔ)強(qiáng)處理竹材，結(jié)果表明，隨著尺寸穩(wěn)定性、耐水性及防霉性的提升，順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎彈性模量得到增強(qiáng)，對沖擊韌性的影響不明顯。由此可見，加熱介質(zhì)的改變對材料力學(xué)性能的影響不大，可以根據(jù)材料加工條件和應(yīng)用環(huán)境選擇適合的介質(zhì)種類進(jìn)行性能互補(bǔ)。

圖1 在氮?dú)饬髦斜３? h時(shí)不同溫度下竹材的抗彎強(qiáng)度變化情況

處理時(shí)間對熱處理后材料力學(xué)性能的影響較明顯。Azadeh等[26]對比了在150～225 ℃的干燥箱中熱處理3 h和24 h后材料的動(dòng)態(tài)彎曲模量（DFM），可知在200 ℃下熱處理3 h的DFM與175 ℃下熱處理24 h的DFM接近，并且相較于未處理材料，降低幅度小于6%。溫度繼續(xù)上升，使得熱處理24 h試樣的DFM出現(xiàn)大幅下降，并在225 ℃時(shí)下降至未處理竹材的40%以下。

除了進(jìn)行宏觀力學(xué)測試研究，建立蠕變預(yù)測模型也是當(dāng)前的研究趨勢。Yuan等[27]采用納米壓痕技術(shù)觀察了細(xì)胞力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到了加載?卸載過程中竹細(xì)胞的蠕變特性。當(dāng)處理溫度提升至160 ℃時(shí)，竹細(xì)胞壁中對可塑性貢獻(xiàn)較大的半纖維素含量降低，細(xì)胞壁的剛度和硬度降低。隨著溫度的持續(xù)升高，木質(zhì)素再縮合和纖維素結(jié)晶度進(jìn)一步增加，進(jìn)而降低了竹細(xì)胞的蠕變。由此可見，溫度的升高對竹細(xì)胞壁的抗蠕變能力有著積極的作用。利用階梯等應(yīng)力法（Stepped Isostress Method）繪制的蠕變預(yù)測曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，即在180 ℃氮?dú)饬髦刑幚? h后，試樣的長期抗蠕變能力隨著時(shí)間的延長得到顯著增加；在220 ℃下保持2 h時(shí)，試樣的長期抗蠕變能力隨著時(shí)間的延長而降低[28]，可以為高溫處理竹制品后的尺寸穩(wěn)定時(shí)間提供參考。

現(xiàn)有研究表明，在140～160 ℃（中溫）下熱處理竹材，并將受熱時(shí)間控制在24 h以內(nèi)，可以保持甚至提升試樣的力學(xué)性能，但高溫及長時(shí)間的熱處理會(huì)對多種力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，可利用石蠟、油脂等作為加熱介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。探究適合的處理時(shí)間和溫度是熱處理竹工業(yè)化使用的關(guān)鍵，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論構(gòu)建理論預(yù)測模型，也會(huì)是未來的研究趨勢。

1.3 熱處理對竹材材色的影響

竹材材色是衡量竹材表面視覺特性和視覺心理感受的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。熱處理導(dǎo)致的竹材材色變暗與半纖維素和纖維素的熱降解有關(guān)，這2種物質(zhì)通常會(huì)反射可見光，具有較高的波數(shù)。熱處理顯著加深了竹材的材色，多數(shù)學(xué)者參照GB/T 7921—2008《均勻色空間和色差公式》，研究了不同處理工藝水平與材色的相關(guān)性。Nguyen等[29]分別對100、120、140 ℃熱處理后的毛竹材表面顏色進(jìn)行了分析評價(jià)，結(jié)果表明，經(jīng)熱處理后竹材的亮度L和b小于0，而大于0。隨著溫度的上升，綠?紅軸上的先上升，而后在140 ℃時(shí)開始下降；藍(lán)?黃軸上隨著溫度的升高，其下降速度由快轉(zhuǎn)慢，表現(xiàn)為顏色加深。經(jīng)熱處理后的竹樣，其顏色呈現(xiàn)綠色和藍(lán)色趨勢。LEE等[30]分別處理了不同的竹材，均發(fā)現(xiàn)在分析處理溫度為180～220 ℃時(shí)，、和均呈下降趨勢，色差Δ呈上升趨勢。Chung[31]研究發(fā)現(xiàn)此變化規(guī)律與竹材的種類無關(guān)。將竹材與木材的材色變化情況進(jìn)行了對比，在相同條件下，經(jīng)空氣熱處理后毛竹的ΔE明顯高于蘇格蘭松，竹材材色的變化相較于木材更為明顯[32-33]；經(jīng)甲基硅油熱處理后竹木的Δ與經(jīng)桐油熱處理后毛竹的值相近，色彩飽和度的變化趨勢與類似，不同的是經(jīng)200 ℃桐油熱處理后毛竹的低于未經(jīng)處理時(shí)[34]。可見，目前的研究僅得到竹材材色隨處理溫度、時(shí)間的變化趨勢，但未呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系[35]。

特性預(yù)測模型的建立是竹材表面顏色變化研究的另一大趨勢。莫軍前等[36]利用NIRs技術(shù)實(shí)現(xiàn)了熱處理毛竹材色預(yù)測模型的建立。在此基礎(chǔ)上，Li等[37]利用CO2激光處理竹材，當(dāng)竹材的進(jìn)給速度較慢、掃線寬度減小時(shí)，竹材表面會(huì)吸收更多的CO2激光能量，表現(xiàn)為L和ΔE的增大。較長的輻射周期和較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度使得單位時(shí)間內(nèi)竹材表面的總熱交換量增加，這會(huì)直接影響竹材的顏色。研究竹材熱交換過程中的顏色變化及建立預(yù)測模型可以更精確地提升竹材的美觀程度，增加竹材在視覺包裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的可利用價(jià)值。

綜合考量現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，不同種類竹材經(jīng)熱處理后的物理性能呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在熱處理溫度為180 ℃的多種介質(zhì)中保持4～10 min短時(shí)處理，或降低溫度（140～160 ℃）、增加處理時(shí)間（2 h內(nèi)）的多次處理，均可使材料的表面潤濕性和力學(xué)性能達(dá)到相對較優(yōu)的狀態(tài)。其中，中高溫?zé)崽幚韺μ嵘癫牡谋砻鏉櫇裥杂兄@著影響，可作為改善竹材耐水性、提高尺寸穩(wěn)定性的改性工藝，但對機(jī)械強(qiáng)度的負(fù)面作用不利于竹包裝箱體板材等承重產(chǎn)品的應(yīng)用。為了綜合提升熱處理后竹材的物理力學(xué)性能，通過微觀層面對竹材內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行剖析研究、開發(fā)新型熱處理制備工藝仍是未來的研究課題。

2 熱處理對竹材化學(xué)性能的影響

熱處理制造的高溫環(huán)境使得竹材的微觀結(jié)構(gòu)改變和化學(xué)成分含量變化，這是影響竹材材性的重要原因。經(jīng)熱處理后，竹薄壁細(xì)胞收縮，維管束結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致竹材的力學(xué)強(qiáng)度下降；竹纖維素、半纖維素的降解使得竹材的親水性得到改善，在高溫環(huán)境下纖維素的焦糖化對材色的改變也有影響；內(nèi)部淀粉、蛋白質(zhì)等抽提物的裂解會(huì)阻斷菌種的營養(yǎng)供給，從而有利于生物耐久性。通過對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組分的研究可以得到不同處理工藝下的變化特點(diǎn)，從微觀切入改變反應(yīng)條件，可以得到滿足要求的材料。

2.1 熱處理對竹材微觀結(jié)構(gòu)的影響

在利用氣體、蒸汽、油等介質(zhì)制造的中高溫環(huán)境中，竹材的內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)（見圖2）會(huì)發(fā)生明顯變化。經(jīng)熱處理后，竹材的薄壁細(xì)胞邊緣變得光滑，細(xì)胞壁變薄，但整體的縱向微觀結(jié)構(gòu)仍保持原有規(guī)律。在140 ℃下飽和蒸汽處理10 min后，從竹材的掃描電鏡（SEM）中可以觀察到，完整的維管束被飽滿完好的薄壁細(xì)胞包圍，與未處理竹材的微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異。在蒸汽溫度160 ℃下熱處理30 min時(shí)，Wang等[38]認(rèn)為，由于蒸汽對軟化細(xì)胞的高壓作用，竹薄壁組織細(xì)胞收縮，細(xì)胞體積變小，密度稍有增加，表現(xiàn)為細(xì)胞致密化狀態(tài)。此時(shí)，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及維管束與薄壁組織細(xì)胞之間的連接很少。在180 ℃飽和蒸汽下熱處理40 min后，竹材細(xì)胞壁內(nèi)大量的半纖維素和少數(shù)纖維素發(fā)生了降解，易被破壞的薄壁細(xì)胞開始與厚壁細(xì)胞分離，外層區(qū)域維管束靠外側(cè)纖維鞘和導(dǎo)管孔被破壞后消失，內(nèi)側(cè)纖維鞘、導(dǎo)管孔和周圍少量的薄壁細(xì)胞被保留，但內(nèi)層區(qū)域維管束中的纖維鞘基本獨(dú)立[39]，表現(xiàn)為厚度收縮，細(xì)胞密度降低。

經(jīng)蒸汽熱處理后，竹薄壁細(xì)胞上的淀粉顆粒相較于未處理前，呈表面光滑的圓狀或橢圓狀形態(tài)，在160 ℃及更高溫度下，淀粉顆粒表面出現(xiàn)穗狀突起，內(nèi)部凹陷變?yōu)樘鹛鹑睿覝囟仍礁咂鋽?shù)量越多，出現(xiàn)了大小不規(guī)則、形狀不均勻的緊密聚集情況。甲基硅油作為熱處理介質(zhì)也會(huì)出現(xiàn)相同現(xiàn)象，并且在溫度達(dá)到200 ℃時(shí)可以觀察到淀粉顆粒糊化消失，淀粉殘?jiān)c冷凝的硅油混合物填補(bǔ)了細(xì)胞間隙。較小的油脂分子逐漸進(jìn)入淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)，造成淀粉顆粒的膨脹坍塌，這會(huì)加速其熱解和沉淀。

圖2 竹材稈莖中基本組織薄壁細(xì)胞

熱改性引起微觀結(jié)構(gòu)形貌的變化對于研究竹材的機(jī)械強(qiáng)度變化、滲透作用等具有推動(dòng)意義，尤其是在竹材結(jié)構(gòu)件的再加工和裝飾材涂飾改善性能效果等方面。探究熱處理加工過程中結(jié)構(gòu)增強(qiáng)試劑和竹包裝制品表面涂料的滲透行為將成為主要趨勢。

2.2 熱處理對竹材化學(xué)組分的影響

經(jīng)熱處理逐步降解后，竹材的化學(xué)組分相對含量變化明顯。在高溫條件下，聚合度較低、熱穩(wěn)定性較差的半纖維素（見圖3）多糖最先發(fā)生脫乙酰基等分解反應(yīng)[40]；纖維素分子鏈長，聚合度高，熱穩(wěn)定性較好，在長時(shí)間高溫高濕作用下半纖維素會(huì)降解，并產(chǎn)生大量的乙酸，纖維素非結(jié)晶區(qū)分子鏈無序排列，導(dǎo)致纖維素含量小幅下降；木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，半纖維素含量的減少[41]與多糖分解副產(chǎn)物可能參與木質(zhì)素再聚合反應(yīng)相關(guān)，引發(fā)木質(zhì)素的占比增加[42]；其他抽提物降解后，竹材的含量發(fā)生改變是引起竹材材色變化、生物耐久性提升的關(guān)鍵原因。

圖3 半纖維素結(jié)構(gòu)

多位學(xué)者用熱處理后化學(xué)組分含量的變化來解釋宏觀性質(zhì)的表現(xiàn)機(jī)理。Mo等[43]利用近紅外光譜（NIRs）對熱處理后3～5年生毛竹材的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，纖維素含量隨著處理溫度的上升而降低，半纖維素和木質(zhì)素的含量呈上升趨勢。在處理溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，其質(zhì)量開始損失，在210 ℃時(shí)的質(zhì)量損失較明顯，且達(dá)到最大值，然后趨于穩(wěn)定。NIRs結(jié)果表明，經(jīng)熱處理后纖維素吸收帶呈下降趨勢，表明濃度下降。結(jié)晶區(qū)中 O—H 振動(dòng)吸收帶在處理前后的差值不大，表明纖維素的無定形區(qū)受熱分解，結(jié)晶區(qū)相對穩(wěn)定，結(jié)晶度上升。木質(zhì)素的吸收帶呈現(xiàn)上升趨勢，與化學(xué)成分分析結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，Guo等[44]用毛竹去青去黃后的竹粉末制成懸濁液，分離竹纖維和竹薄壁組織細(xì)胞，進(jìn)一步觀察其化學(xué)成分的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)飽和蒸汽熱處理后羥基發(fā)生不可逆還原，這是竹材吸濕性降低同時(shí)尺寸穩(wěn)定提高的關(guān)鍵原因。半纖維素在竹纖維中的含量高于在薄壁細(xì)胞中的含量，同時(shí)其細(xì)胞壁更厚，受熱對吸濕性的影響相對較小。觀察120、140、160、180 ℃等多種處理溫度對熱蒸汽毛竹纖維形態(tài)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)[45]，當(dāng)溫度升高后竹材的無定型區(qū)羥基脫水縮合，產(chǎn)生了醚鍵，微纖絲排列更有序，從而增加了結(jié)晶度。特殊的中空結(jié)構(gòu)和水分的損失導(dǎo)致竹纖維在受熱后收縮，纖維長寬比明顯增加，可以提高竹纖維的可用性。利用干燥熱處理與飽和蒸汽處理的不同，薄壁細(xì)胞內(nèi)部纖維素含量在220 ℃下處理后較未處理時(shí)提升了15%，說明水分是影響熱處理后竹材化學(xué)成分變化的關(guān)鍵因素。

經(jīng)油熱處理后，竹材的化學(xué)組分呈現(xiàn)不同的變化，使得竹材具有更優(yōu)的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。將天然植物提取的擦拭劑——木蠟油作為熱介質(zhì)對竹材進(jìn)行處理[46]，無刺激性的木蠟油不僅在竹材表面形成了保護(hù)油膜，還會(huì)迅速穿透管腔和導(dǎo)管，滲入細(xì)胞內(nèi)的孔隙，蠟層與竹纖維的結(jié)合增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度。在180～200 ℃油熱條件下，竹材半纖維素非晶態(tài)碳水化合物部分降解，纖維素在非結(jié)晶區(qū)水解重排，以上2個(gè)過程形成平衡，最終得到結(jié)晶度維持或稍有提升的結(jié)論。

熱處理竹材化學(xué)組分的變化也是竹材變色的原因。Zhang等[47]研究發(fā)現(xiàn)，竹材中木質(zhì)素發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生羰基等發(fā)色基團(tuán)是竹材變色的重要原因。此外，隨著溫度的升高，酚類化合物的氧化，還原糖和氨基酸的存在，甲醛的散發(fā)，奎寧的形成或總纖維素組分的焦糖化也會(huì)對竹材材色產(chǎn)生影響[48-49]。同時(shí)，經(jīng)熱處理后薄壁細(xì)胞表面更加粗糙，薄壁細(xì)胞及細(xì)胞間隙被破壞，分別致竹纖維和薄壁細(xì)胞的顏色發(fā)生改變，這也是竹材外觀顏色變化的內(nèi)在原因[50]。

通過研究熱處理前后材料的化學(xué)組分含量，從微觀機(jī)理層面解釋竹材的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能改變的原因，并探究熱處理對竹材材色、生物耐久性產(chǎn)生顯著作用的緣由。關(guān)注不同導(dǎo)熱介質(zhì)、處理時(shí)間、處理溫度對竹材化學(xué)組分的影響，可為從分子層面探索材性改變機(jī)理、調(diào)整工藝參數(shù)提供基礎(chǔ)，同時(shí)可嘗試開發(fā)加工環(huán)保型催化劑，以調(diào)整優(yōu)勢組分處理后的含量，繼續(xù)完善熱處理竹工藝體系。

2.3 熱處理對竹材生物耐久性的影響

生物耐久性是評價(jià)竹材使用年限和使用體驗(yàn)的重要指標(biāo)，隨著熱處理后竹材疏水性的提升，繼而對其耐久性也會(huì)產(chǎn)生積極作用。Kim等[51]利用加速紫外光老化實(shí)驗(yàn)表征熱處理竹材，經(jīng)光降解后竹材內(nèi)化學(xué)成分的變化情況，光降解機(jī)理如圖4所示[52]。木質(zhì)素經(jīng)光降解后，導(dǎo)致細(xì)胞壁出現(xiàn)塌陷，表現(xiàn)為與竹纖維方向一致的裂縫。采用195 ℃處理的毛竹材經(jīng)960 h的加速老化試驗(yàn)后，其表面未出現(xiàn)明顯的裂痕，保持了較好的光澤度[53]。說明熱處理后竹材的抗光老化性能得到顯著提升，更有利于在光照環(huán)境中保持材料的穩(wěn)定。

圖4 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素光降解機(jī)理[52]

除光老化外，竹材制品（尤其是食品接觸型包裝）還容易發(fā)霉，這會(huì)影響產(chǎn)品的保鮮效果、使用壽命和美觀性。熱處理溫度高于180 ℃對竹材的防霉抗菌會(huì)產(chǎn)生顯著作用。褐腐菌是常見的易侵染竹的菌種之一，利用甲基硅油熱處理后發(fā)現(xiàn)，褐腐菌侵染引起的質(zhì)量損失隨著處理溫度和時(shí)間的增加而降低，當(dāng)溫度高于180 ℃時(shí)，耐腐性等級為I級，耐腐性最佳。試驗(yàn)證明，用黑曲霉、檸檬青霉和綠皮毛霉侵染處理竹材30 d后，其表面開始出現(xiàn)少量菌絲，同樣會(huì)產(chǎn)生抑制作用。竹材中半纖維素、水分和淀粉含量的降低抑制了霉菌的生長，協(xié)同材料外部油膜的生成，共同使材料的防霉性能得到提升。在空氣中進(jìn)行熱處理時(shí)，雖然無油膜對竹材具有阻隔作用，其抗菌性仍提升明顯，在高溫條件（180、200 ℃）下生成的酚、醛、糠醛等不能作為真菌的營養(yǎng)物質(zhì)，會(huì)阻止菌群的生長繁殖，繼而提升竹材的耐久性。采用SEM觀察到，在160 ℃及更高的溫度環(huán)境下淀粉開始降解，組織細(xì)胞中淀粉顆粒形態(tài)與高壓處理后玉米淀粉顆粒的形狀（不規(guī)則、大小不均勻）類似[54]。證明細(xì)胞內(nèi)淀粉糊化可能是熱處理后竹材抗菌耐腐性能提升的原因之一[55-56]。熱處理不僅能夠提升單層竹板的耐腐蝕效果，經(jīng)熱處理后的重組竹材比普通重組竹材的防霉、防變色能力更強(qiáng)，且酚醛樹脂膠黏劑的加入減弱了熱處理對力學(xué)性能的負(fù)面影響[57]。

綜合來看，熱處理法可以作為一種工藝簡單、成本低廉、操作方便的防霉方法，用于工業(yè)化酒水類、日化產(chǎn)品包裝等。為了提升材料的耐久性，可將竹材在180 ℃及以上加熱條件下處理數(shù)小時(shí)，但是該處理方法會(huì)破壞內(nèi)部細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)、犧牲竹材的力學(xué)性能，同時(shí)不能保證對自然界中眾多菌種都會(huì)產(chǎn)生防范作用。作為物流包裝，在使用中需要避免與土壤長時(shí)間接觸，實(shí)際生產(chǎn)中可利用油介質(zhì)填充作用增強(qiáng)竹材的力學(xué)性能，或者采用油膜隔離的保護(hù)方法。探究開發(fā)更適宜的加熱介質(zhì)及其反應(yīng)條件可以提升熱處理竹多方面的綜合性能，以滿足工業(yè)生活需求。

3 結(jié)語

熱處理作為一種高效、快捷、環(huán)保、綠色的竹材改性方式，可以賦予竹材更優(yōu)異的耐水性、尺寸穩(wěn)定性和防霉性能，同時(shí)經(jīng)熱處理后竹材的顏色更加沉穩(wěn)美觀，耐久性得到提升，應(yīng)用環(huán)境增多。采用高溫長時(shí)的熱處理會(huì)使竹材出現(xiàn)開裂、質(zhì)量損失嚴(yán)重和力學(xué)性能下降等問題，為了拓寬包裝行業(yè)對熱處理改性竹材的應(yīng)用場景，應(yīng)該關(guān)注以下方向。

1）開發(fā)復(fù)合多線型熱處理技術(shù)，并研發(fā)相應(yīng)的技術(shù)裝備。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有單一熱處理工藝條件對竹材不同性能的差異性，可探究組合式熱處理工藝，即根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品需求將不同種類的加熱介質(zhì)與處理時(shí)間和溫度進(jìn)行多線程組合；嘗試將熱處理改性技術(shù)與竹展平技術(shù)、竹膠合技術(shù)、重組竹技術(shù)等熱門竹加工技術(shù)相結(jié)合。同時(shí)，在設(shè)備建模時(shí)，引入處理窯等內(nèi)部循環(huán)風(fēng)速、溫濕度參數(shù)，并建立熱耦合模型，解決內(nèi)部循環(huán)不均及與外界能量交換紊亂等客觀因素的影響，從而確保熱處理竹產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。

2）設(shè)計(jì)熱處理環(huán)保型竹催化劑，探究最適宜的處理酸堿環(huán)境。為了優(yōu)化熱處理竹材工藝，降低處理過程中的能耗和處理時(shí)間，保持竹材較高的力學(xué)性能，減少加工抽提物揮發(fā)污染，提高接觸型包裝利用的安全性，可以嘗試添加易于竹材成分裂解的生物質(zhì)催化劑。同時(shí)，竹半纖維素在高溫環(huán)境下會(huì)分解，產(chǎn)生乙酸，使得竹材處于酸性環(huán)境中，從而改變竹材的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能等。可以通過研究酸性、中性和堿性加熱環(huán)境，得到性能不同的竹材，通過尋找熱處理最適pH值，改善熱處理竹材的加工環(huán)境條件，得到優(yōu)化的材料。

3）建立熱處理竹材微觀宏觀關(guān)聯(lián)體系。通過建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性關(guān)聯(lián)理論，探究細(xì)胞內(nèi)微觀力學(xué)性能變化對宏觀力學(xué)的影響機(jī)制，以保持甚至增強(qiáng)微觀結(jié)構(gòu)作用，如細(xì)胞壁骨架作用、細(xì)胞間隙組分作用等；探討分析熱處理后竹材內(nèi)抽提物組分揮發(fā)和裂解過程反應(yīng)機(jī)理，通過微觀角度，從細(xì)胞層面切入竹材材性的影響研究。通過宏觀調(diào)控生產(chǎn)工藝，得到性能更優(yōu)異、承重保護(hù)效果更好的箱體材料。

4）進(jìn)一步建立熱處理竹材材性預(yù)測模型。在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，可根據(jù)熱處理的目的建立預(yù)測模型，得到更加符合標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)型竹材制品。通過化學(xué)組分和微觀變化構(gòu)建模型，可以分析竹材的熱處理材色、表面特征等視覺特性，以及生物耐候性、尺寸穩(wěn)定性和細(xì)胞力學(xué)性能等特點(diǎn)。通過宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建模型，可以模擬分析實(shí)際使用中竹制品的破壞行為，合理設(shè)計(jì)試樣的結(jié)構(gòu)，規(guī)避材料缺陷造成的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)要求選擇適合的工藝方式，改變處理介質(zhì)，控制時(shí)間溫度，選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎瑯?gòu)建反應(yīng)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)應(yīng)用。

[1] 國家林業(yè)和草原局. 中國森林資源報(bào)告2014—2018[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2019: 3-4.

National Forestry and Grassland Administration. China Forest Resources Report (2014-2018)[M]. Beijing: China Forestry Publishing House, 2019: 3-4.

[2] 柳燕子, 楊柯, 張晶. 竹材在現(xiàn)代包裝設(shè)計(jì)中的探索與創(chuàng)新[J]. 包裝工程, 2019, 40(4): 99-103.

LIU Yan-zi, YANG Ke, ZHANG Jing. Exploration and Innovation of Bamboo in Modern Packaging Design[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(4): 99-103.

[3] 邢東, 胡建鵬, 姚利宏. 熱處理木材的材性預(yù)測與質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 37(4): 793-800.

XING Dong, HU Jian-peng, YAO Li-hong. Research Review of Material Prediction and Quality Control of Heat-Treated Wood[J]. Journal of Zhejiang A & F University, 2020, 37(4): 793-800.

[4] 雷文成, 張亞梅, 于文吉, 等. 熱處理毛竹材吸濕與解吸特性[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào), 2021, 6(3): 41-46.

LEI Wen-cheng, ZHANG Ya-mei, YU Wen-ji, et al. The Adsorption and Desorption Characteristics of Moso Bamboo Induced by Heat Treatment[J]. Journal of Forestry Engineering, 2021, 6(3): 41-46.

[5] CHEN Q, WANG G, MA X, et al. The Effect of Graded Fibrous Structure of Bamboo () on Its Water Vapor Sorption Isotherms[J]. Industrial Crops and Products, 2020, 151: 112467.

[6] YANG T H, LEE C H, LEE C J, et al. Effects of Different Thermal Modification Media on Physical and Mechanical Properties of Moso Bamboo[J]. Construction and Building Materials, 2016, 119: 251-259.

[7] AYRILMIS N, JARUSOMBUTI S, FUEANGVIVAT V, et al. Effect of Thermal-Treatment of Wood Fibres on Properties of Flat-Pressed Wood Plastic Composites[J]. Polymer Degradation and Stability, 2011, 96(5): 818-822.

[8] BORREGA M, K?RENLAMPI P P. Hygroscopicity of Heat-Treated Norway Spruce () Wood[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2010, 68(2): 233-235.

[9] YANG T, CHUNG M, WU T, et al. Physicomechanical Properties and Water Resistance of Heat-Modified Moso Bamboo () as a Function of Density[J]. Construction and Building Materials, 2021, 306: 124897.

[10] YUAN Tian-cheng, LIU Jie, HU Shou-heng, et al. Multi-Scale Characterization of the Effect of Saturated Steam on the Macroscale Properties and Surface Changes of Moso Bamboo[J]. Materials Express, 2021, 11(5): 740-748.

[11] ZHANG Y, YU Y, LU Y, et al. Effects of Heat Treatment on Surface Physicochemical Properties and Sorption Behavior of Bamboo ()[J]. Construction and Building Materials, 2021, 282: 122683.

[12] CHEN Yao, FAN Yong-ming, GAO Jian-min, et al. Coloring Characteristics of in Situ Lignin during Heat Treatment[J]. Wood Science and Technology, 2012, 46(1): 33-40.

[13] WANG Xin-zhou, CHEN Xuan-zong, XIE Xu-qin, et al. Effects of Thermal Modification on the Physical, Chemical and Micromechanical Properties of Masson Pine Wood (Lamb)[J]. Holzforschung, 2018, 72(12): 1063-1070.

[14] HAO Xiao-meng, WANG Qiu-yi, WANG Yi-hua, et al. The Effect of Oil Heat Treatment on Biological, Mechanical and Physical Properties of Bamboo[J]. Journal of Wood Science, 2021, 67(1): 1-14.

[15] COSTA H W D, COLDEBELLA R, ANDRADE F R, et al. Brittleness Increase in Eucalyptus Wood after Thermal Treatment[J]. International Wood Products Journal, 2020, 11(1): 38-42.

[16] BOR?VKA V, ZEIDLER A, HOLE?EK T, et al. Elastic and Strength Properties of Heat-Treated Beech and Birch Wood[J]. Forests, 2018, 9(4): 197.

[17] KOUMBI-MOUNANGA T, LEBLON B, UNG T. Modeling Bending Strength of Oil-Heat-Treated Wood by Near-Infrared Spectroscopy[J]. Journal of the Indian Academy of Wood Science, 2020, 17(1): 54-65.

[18] ACOSTA R, MONTOYA J A, LONDO?O C A. The Influence of Thermal Treatment on the Compressive Strength and Density of Bamboo (Guadua Angustifolia Kunth)[J]. BioResources, 2021, 16(4): 7006-7020.

[19] HAN Xin, LOU Zhi-chao, YUAN Cheng-long, et al. Study on the Effect of Two-Step Saturated Steam Heat Treatment Process on the Properties of Reconstituted Bamboo[J]. Journal of Renewable Materials, 2022, 10(12): 3313-3334.

[20] YANG Y H, CHUNG M J, WU T L, et al. Characteristic Properties of a Bamboo-Based Board Combined with Bamboo Veneers and Vacuum Heat-Treated round Bamboo Sticks[J]. Polymers, 2022, 14(3): 560.

[21] BRITO F M S, PAES J B, DA SILVA OLIVEIRA J T, et al. Physico-Mechanical Characterization of Heat-Treated Glued Laminated Bamboo[J]. Construction and Building Materials, 2018, 190: 719-727.

[22] ASTM D2559, Standard Specification for Adhesives for Bonded Structural Wood Products for Use Under Exterior Exposure Conditions[S].

[23] YANG Teng-chun, CHUNG M J, YEH C H. Effects of Flexural Configuration and Thermal Modification on the Physical and Flexural Properties of Makino Bamboo ()[J]. Wood Material Science & Engineering, 2022: 1-10.

[24] ANG T, YANG Y, YEH C. Thermal Decomposition Behavior of Thin Makino Bamboo () Slivers under Nitrogen Atmosphere[J]. Materials Today Communications, 2021, 26: 102054.

[25] 吳再興, 陳玉和, 何盛, 等. 石蠟熱處理對竹材力學(xué)性能的影響[J]. 竹子學(xué)報(bào), 2019, 38(2): 40-46.

WU Zai-xing, CHEN Yu-he, HE Sheng, et al. Effects of Heat Treatment with Paraffin on Mechanical Properties of Bamboo[J]. Journal of Bamboo Research, 2019, 38(2): 40-46.

[26] AZADEH A, GHAVAMI K, SAVASTANO JUNIOR H, et al. Static Flexural Behavior of Bamboo as a Functionally Graded Material and the Effect of Heat on Dynamic Flexural Modulus[J]. Journal of Building Engineering, 2021, 34: 101949.

[27] YUAN Tian-cheng, HUANG Ya-qian, ZHANG Tao, et al. Change in Micro-Morphology and Micro-Mechanical Properties of Thermally Modified Moso Bamboo[J]. Polymers, 2022, 14(3): 646.

[28] YANG Teng-chun, WU T L, YEH C H. Water Resistance and Creep Behavior of Heat-Treated Moso Bamboo Determined by the Stepped Isostress Method[J]. Polymers, 2021, 13(8): 1264.

[29] NGUYEN Q, NGUYEN T, NGUYEN N. Effects of Bleaching and Heat Treatments on Indosasa Angustata Bamboo in Vietnam[J]. Bioresources, 2019, 14: 6608-6618.

[30] LEE H W, LEE E J. Effects of Hot-Air Heat Treatment on the Surface Color of Phyllostachys Bambusoides Bamboo[J]. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 2021, 49(6): 566-573.

[31] CHUNG W Y. Comparative Study on The Coloration Characteristics and Sun Light Fastness of the Bamboos by Dry Type Heating Treatment[J]. Journal of The Korea Furniture Society, 2021, 32(4): 384-391.

[32] LEE C H, YANG T H, CHENG Y W, et al. Effects of Thermal Modification on the Surface and Chemical Properties of Moso Bamboo[J]. Construction and Building Materials, 2018, 178: 59-71.

[33] KAMPERIDOU V, BARBOUTIS I, VASILEIOU V. Response of Colour and Hygroscopic Properties of Scots Pine Wood to Thermal Treatment[J]. Journal of Forestry Research, 2013, 24(3): 571-575.

[34] TANG Tong, FEI Ben-hua, SONG Wei, et al. Tung Oil Thermal Treatment Improves the Visual Effects of Moso Bamboo Materials[J]. Polymers, 2022, 14(6): 1250.

[35] WANG Yu-jiao, HUANG Yu-xiang, XUE Jing, et al. Effects of Heat Treatment Temperatures on the Photostability of Moso Bamboo during Accelerated UV Weathering[J]. Wood Material Science & Engineering, 2022, 17(6): 823-833.

[36] 莫軍前, 張文博. 基于近紅外光譜技術(shù)的熱處理竹材物理力學(xué)性能[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào), 2019, 4(1): 32-38.

MO Jun-qian, ZHANG Wen-bo. Physical and Mechanical Properties of Heat-Treated Bamboo Using near Infrared Reflectance Spectroscopy[J]. Journal of Forestry Engineering, 2019, 4(1): 32-38.

[37] LI Rong-rong, CHEN Jing-jing, WANG X A. Prediction of the Color Variation of Moso Bamboo during CO2Laser Thermal Modification[J]. BioResources, 2020, 15(3): 5049-5057.

[38] WANG Xin-zhou, CHENG Da-li, HUANG Xia-nai, et al. Effect of High-Temperature Saturated Steam Treatment on the Physical, Chemical, and Mechanical Properties of Moso Bamboo[J].Journal of Wood Science, 2020, 66(1): 1-9.

[39] 王新洲, 袁朱潤, 黃雅茜, 等. 毛竹工藝?yán)w維高溫飽和蒸汽?機(jī)械分離及其物理力學(xué)特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2021, 38(6): 1905-1913.

WANG Xin-zhou, YUAN Zhu-run, HUANG Ya-qian, et al. Physical and Mechanical Properties of Bamboo Fibers Extracted by High-Temperature Saturated Steam and Mechanical Treatment[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(6): 1905-1913.

[40] 婁志超, 袁成龍, 李延軍, 等. 飽和蒸汽熱處理對竹束化學(xué)成分和結(jié)晶度的影響[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào), 2020, 5(2): 29-35.

LOU Zhi-chao, YUAN Cheng-long, LI Yan-jun, et al. Effect of Saturated Steam Treatment on the Chemical Composition and Crystallinity Properties of Bamboo Bundles[J]. Journal of Forestry Engineering, 2020, 5(2): 29-35.

[41] WINDEISEN E, STROBEL C, WEGENER G. Chemical Changes during the Production of Thermo-Treated Beech Wood[J]. Wood Science and Technology, 2007, 41(6): 523-536.

[42] GONZALEZ-PENA M M, CURLING S F, HALE M. The Effect of Heat on the Chemical Composition and Dimensions of Thermally-Modified Wood[J]. Polymer Degradation and Stability, 2009, 94(12): 2184-2193.

[43] MO Jun-qian, ZHANG Wen-bo, FU Xiao-hui, et al. Near Infrared Spectroscopy to Evaluate Change in Color and Chemical Composition in Heat-Treated Bamboo[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2020, 28(4): 214-223.

[44] GUO Fei, ZHANG Xue-xia, YANG Ri-long, et al. Hygroscopicity, Degradation and Thermal Stability of Isolated Bamboo Fibers and Parenchyma Cells Upon Moderate Heat Treatment[J]. Cellulose, 2021, 28(13): 8867-8876.

[45] HONG Y, LI K, TU D, et al. Effect of Heat Treatment on Bamboo Fiber Morphology Crystallinity and Mechanical Properties[J]. Wood Research, 2016, 61(2): 227-234.

[46] PIAO X, ZHAO Z, GUO H, et al. Improved Properties of Bamboo by Thermal Treatment with Wood Wax Oil[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2022, 643: 128807.

[47] ZHANG Ya-hui, YU Wen-ji, KIM N, et al. Mechanical Performance and Dimensional Stability of Bamboo Fiber-Based Composite[J]. Polymers, 2021, 13(11): 1732.

[48] SANDOVAL-TORRES S, JOMAA W, MARC F, et al. Causes of Color Changes in Wood during Drying[J]. Forestry Studies in China, 2010, 12(4): 167-175.

[49] SUNDQVIST B. Color Response of Scots Pine (Pinus Sylvestris), Norway Spruce (Picea Abies) and Birch (Betula Pubescens) Subjected to Heat Treatment in Capillary Phase[J]. Holz Als Roh- Und Werkstoff, 2002, 60(2): 106-114.

[50] WU Jie-yu, ZHONG Tu-hua, ZHANG Wen-fu, et al. Comparison of Colors, Microstructure, Chemical Composition and Thermal Properties of Bamboo Fibers and Parenchyma Cells with Heat Treatment[J].Journal of Wood Science, 2021, 67(1): 1-11.

[51] KIM Y S, LEE K H, KIM J S. Weathering Characteristics of Bamboo () Exposed to Outdoors for one Year[J]. Journal of Wood Science, 2016, 62(4): 332-338.

[52] 陳凱文, 彭輝, 蔣佳荔, 等. 熱處理木材光變色機(jī)理及防治方法的研究進(jìn)展[J]. 木材科學(xué)與技術(shù), 2022, 36(2): 11-17.

CHEN Kai-wen, PENG Hui, JIANG Jia-li, et al. Research Review of Photo Discoloration Mechanism and Prevention for Thermally Modified Wood[J]. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2022, 36(2): 11-17.

[53] LI Neng, BAO Min-zhen, RAO Fei, et al. Improvement of Surface Photostability of Bamboo Scrimber by Application of Organic UV Absorber Coatings[J]. Journal of Wood Science, 2019, 65(1): 1-9.

[54] VALLONS K J R, RYAN L A M, ARENDT E K. Pressure-Induced Gelatinization of Starch in Excess Water[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2014, 54(3): 399-409.

[55] CHENG Da-li, JIANG Shen-xue, ZHANG Qi-sheng. Mould Resistance of Moso Bamboo Treated by Two Step Heat Treatment with Different Aqueous Solutions[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2013, 71(1): 143-145.

[56] BRITO F, PAES J B, OLIVEIRA J, et al. Chemical Characterization and Biological Resistance of Thermally Treated Bamboo[J]. Construction and Building Materials, 2020, 262: 120033.

[57] YANG Kai, LI Xin-gong, WU Yi-qiang, et al. A Simple, Effective and Inhibitor-Free Thermal Treatment for Enhancing Mold-Proof Property of Bamboo Scrimber[J].European Journal of Wood and Wood Products, 2021, 79(5): 1049-1055.

Research Progress of Effects of Heat Treatment on Physical and Chemical Properties of Bamboo

HUO Xin-sheng, YANG Guo-chao, ZHANG Qiu-hui

(a. Key Laboratory of Wood Material Science and Application, Ministry of Education, b. Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

The work aims to summarize the existing heat treatment process of bamboo, the physical and chemical properties of bamboo under different treatment temperature, analyze their shortages and then put forward the future research trend of heat-treated bamboo slabs as wood substitute material in packaging. The research status of different heat treatment of (including time, temperature and medium of treatment) bamboo and the characteristics of physical and chemical properties of bamboo were summarized.The current heat treatment technology had some advantages as an environmentally friendly and simple bamboo modification technology, but the single process condition had a negative impact on the original properties of bamboo, so it was necessary to develop and improve the process parameters and reaction conditions, and design the corresponding preparation device. The multi-thread integrated process can optimize the properties of bamboo while maintaining or even reduce the damage of bamboo structure at medium and high temperature, thus increasing the service life of heat-treated bamboo and expanding the application field.

bamboo material property; heat treatment; wood substitute material; environmental packaging

TB484

A

1001-3563(2023)05-0024-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.004

2022?05?26

霍鑫升（1997—），女，碩士生，主攻包裝材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

張求慧（1960—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榘b材料、家具材料等。

責(zé)任編輯：彭颋