竹材软化处理技术的改善.doc

竹材软化处理技术的改善Rui-xiang Cheng Qi-shengZhang Shu-juanSui摘要：在制造竹单板时，为了提高竹块软化效率，通常采用在竹材软化处理期间加入化学试剂(例如NaHCO3)的方法。但是傅立叶转换红外光谱分析仪的结果显示，用NaHCO3软化处理的竹材光谱与没有经过软化处理或没有用NaHCO3软化处理的竹材光谱比较，其木聚糖中C=O 的伸缩振动在1733cm-1处的谱带强度有所降低。也就是说，用NaHCO3软化处理后，竹材的半纤维素破坏了，这就意味着用NaHCO3软化处理竹材不是一个理想的软化处理方法。因此，本文中采用在120密闭容器中处理30分钟的软化技术。傅立叶转换红外光谱分析仪结果显示：没有经过软化处理的竹材的FTIR光谱和在120条件下软化处理30分钟的竹材的光谱相比几乎没有区别，这就意味着在120条件下软化处理30分钟对竹材的成分没有影响。动态力学分析仪（DMA）的结果显示：未经过软化处理的竹材的玻璃化转变温度（Tg）是120，在120条件下软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度是88。在120条件下软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度比未经软化处理的竹材的减少了26.7%。测量的硬度结果显示：在120条件下软化处理30分钟的竹条比未经软化处理的竹材的硬度降低了42.0%54.6%。硬度和DMA的结果显示：竹材在120条件下处理30分钟的软化处理是有效的。引言背衬无纺布的刨切竹单板展示了一种竹材开发与发展的新方法。这种通过无纺布加强的竹单板有许多特点，例如高附加值，方便使用以及在国内外有巨大潜在的市场。背衬无纺布的刨切竹单板有许多用途。可以用它作为家具表面的装饰材料。由于竹材具有独特的纹理和良好的耐磨性，也可以用作室内装饰材料。例如，它可以用作墙板、地板、天花板等的装饰表面材料。竹单板的装饰效果有一种特殊的乡土风格。此外，由于它的良好的可塑性，可被用来做手工艺品。通常用不同的模具把它制作成各种具有独特形状的手工艺品，例如，竹餐盘、竹果盘、竹筛子等。刨切竹单板的工艺流程如下：在制造刨切竹单板的时候，有必要使竹块完全软化，以便获得高表面质量的竹单板。常用的竹材软化过程如下：首先，把竹块浸在40-50热水里6-10小时；然后使水温逐渐升到80-120，保持1-2小时；最后，自然冷却到50-70(Li et al. 2001)。因为竹材吸水很慢，用这种常规软化方法的竹块的软化时间持续很久。通常，为了快速软化竹材，在沸水中加入10%的NaHCO3(He et al. 2001; Li 2000; Li and Huang-Pu 2001; Li et al.2003)。因为Na能快速进入竹材内部，使竹材水分增加二到三倍，竹材的塑性也同样增强。本文的目的是检测NaHCO3是否改变了竹材的成分。因此，在本文中研究了一种良好的软化处理方法。材料与方法材料：本实验中使用的竹材是5年生的毛竹。用傅立叶转换红外光谱分析仪检测用NaHCO3软化处理的竹材的效果把竹子劈成尺寸为70mm20mm6mm的竹条。然后从同样的竹条中劈三段，分别编号1、2、3。把这些试件分成三组：一组是控制组，编号1；一组是不加NaHCO3在100水中软化2小时，编号2；最后一组是加NaHCO3在100水中软化2小时，编号3。所有的试件在1032的烘箱里干燥直到绝干，然后磨成粉末状使其能通过60目的筛子。把过滤下来的木粉保留用于做红外光谱分析。在MAGNA-IR560光谱仪上进行傅立叶转换红外光谱分析，MAGNA-IR560光谱仪产自美国Nicolet公司。用溴化钾压片技术记录光谱。在采集光谱之前，把干竹粉和溴化钾混合来制作压片。本文中傅立叶转换红外光谱分析仪的谱带范围为4000-400cm1。在密闭容器中确定高温软化处理的时间的测试方法在竹地板厂，为了使竹条炭化，通常把竹条放进一个密闭炉内，然后向炉内通饱和蒸汽直到内部温度达到130-160。在高温高湿环境下，竹条的颜色变成棕色(Fu 2001)。为了避免竹材炭化，首先要考虑密闭炉内合适的温度和压力。如果密闭炉内蒸汽压太高，竹材很容易炭化变成棕色。因此，考虑到平衡竹块的软化处理效率和炭化的因素，本文采用120的软化温度。竹材弹性模量（MOE）的测试方法依据GB/T 176571999，准备好150mm20mm6mm规格的竹材试件。把试样分成两个系列，一个是经过120软化处理的，另一个作为对照组。120软化处理的时间为20、30和45min。在软化处理之后，把试样从水中取出擦干。然后马上测试弹性模量。在ANS万能力学试验机上分别测试对照组和在120软化处理的竹材的弹性模量，ANS万能力学试验机产自中国深圳Xin San Si计算有限公司。本实验采用中点挠度测试。标距是120mm；在试件中间区域加载荷。在测试时，竹条的竹青厚度方向朝下。从万能力学试验机中直接读出载荷和变形值。然后计算弹性模量值，填入表1。用傅立叶转换红外光谱分析仪测试竹材在一个密闭容器中温度120软化处理30分钟的效果把控制组试样和120软化处理30分钟的试样放进1032的烘箱干燥直到绝干，然后磨成能通过60目筛子的粉末。在采集光谱之前，把干竹粉和溴化钾混合来制作压片。本文中傅立叶转换红外光谱分析仪的谱带范围为4000-400cm-1。用DMA测试竹材在一个120密闭容器中软化处理30分钟的玻璃化转变温度把试样分成对照组和在120软化处理30分钟的组。两组试样是从相同的竹条中劈出，分别标上1、2。记号1的试样是对照组；记号2的是在一个120密闭容器中软化30分钟的组。然后把所有试样放在1032的烘箱干燥直到绝干。准备好尺寸为60mm8mm5mm的竹材试样。在本试样中用到的动态力学仪器是一台德国制造的的NETZSCH DMA 242，该仪器有控制冷却配件。用三点弯曲模式对竹材进行试验。对于所有的动态试验，在试件上加载4N的动态应力。所用的频率为3.3Hz。温度范围为35-200。升温速率为5min-1。竹材硬度测定的测试方法根据国家标准GB/T 19411991（测定木材硬度的标准测试方法）制作测定竹材硬度的试件。试件尺寸为70mm20mm6mm，其长轴平行于竹材纹理。把试件分成两组：控制组和120软化处理30分钟的组。由于竹条的尺寸小，如果用普通直径（11.28mm）的钢半球，在加压的时候很容易劈开，会影响实验结果的精度。因此，在本文中测试竹条硬度时采用直径4mm的非标准钢半球。竹材硬度通过用静载荷把直径4mm的钢半球压进竹材读取载荷最高值获得。硬度单位为N。测定竹材硬度的试验方法如下：把试件放在万能力学试验机的端点支承上，直径4mm的钢半球正对着试件中部，钢冲头以3-6mm/min的速率压进竹条2mm深，读取载荷值，精确到10N。本试验的硬度数据填入表2。竹材硬度测量在木材万能试验机上完成，万能试验机是由SIBER HEGNER Co. Ltd制造。结果与讨论用傅里叶转换红外光谱分析仪检测用NaHCO3软化处理竹材的效果图1显示了未经软化处理的竹材、未用NaHCO3软化处理的竹材、用NaHCO3软化处理的竹材的FTIR光谱图。和未经软化处理的竹材相比，未用NaHCO3软化处理的竹材与用NaHCO3软化处理的竹材的在1634cm-1附近的谱带增加了。在1634cm-1区域吸收的主要原因来自于试验中水分子的HOH的弯曲振动(Harrington et al. 1964； Li 1994),由于干纤维素对水分的吸收非常快速，导致HOH弯曲振动不能移动。未用NaHCO3软化处理的竹材与用NaHCO3软化处理的竹材在1634cm-1附近的谱带强度增加的原因是竹材中抽提物减少，使竹材在软化处理之后容易吸湿。由于C=O伸缩振动(Khan et al. 1993; Cao et al. 1996; Michell 1988)，与未经软化处理的竹材比较，用NaHCO3软化处理的竹材在1733cm-1附近的谱带减少了。那是因为半纤维素中的木聚糖降解成低聚合度的聚合物，甚至是单糖。竹材中1597cm-1附近的谱带，是由于木质素中著名的苯环的拉伸模式(Rodrigues et al. 1998)。当与未经软化处理的竹材比较时，用NaHCO3软化处理的竹材在1597cm-1附近的谱带几乎没有改变。也就是说，用NaHCO3软化处理对木质素没有效果。主要的谱带分配陈列在表1中。用NaHCO3软化处理在一定程度上毁坏了竹材的半纤维素。同时，因为竹材吸水较慢，用常规方法竹块的软化时间持续更长。并且，这种化学软化方法经常容易导致水污染。因此，在接下来研究中，将要采用一种有效的方法，用这种方法竹块在高温密闭容器中软化。在密闭容器中测定软化处理的时间的试验方法表2 显示了竹块在高温软化处理前后的弹性模量。表2可看出未经软化处理的竹材的平均弹性模量是8912MPa，在高温软化处理之后竹材的平均弹性模量大大降低。竹材在120软化处理45分钟的平均弹性模量降低到5426MPa，这就意味着高温软化处理能提高竹材的塑性，保证单板表面质量。图2表明延长软化处理时间，竹材含水率增加。从含水率增加角度考虑，高温软化更长时间对竹材是有利的。但是在高温软化处理30分钟之后，竹块含水率增加非常慢。而且，延长高温软化处理时间，竹材更可能变色。因此，额外的高温软化处理时间是不合适的。考虑到这些因素，确定了120软化处理时间是30分钟。用傅里叶转换红外光谱仪检测在密闭容器中竹材高温处理的效果图3显示了未经软化处理的竹材和在120软化处理30分钟的竹材的FTIR光谱。图3的曲线表明在未经软化处理的竹材和在120软化处理30分钟的竹材之间的FTIR光谱几乎没有什么不同，这就意味着在120软化处理30分钟对竹材的化学成分几乎没有影响。在密闭容器中软化处理后竹材的玻璃化转变温度的测定图4显示了未经软化处理的竹材和在120软化处理30分钟的竹材的DMA的tan对温度的曲线。未经软化处理的竹材的玻璃化转变温度是120，而在120软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度是88。与未经软化处理的竹材相比，在120软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度降低了26.7%。竹材硬度的测定表3显示了未经软化处理的竹条和在120软化处理30分钟的竹条的硬度。表3的结果显示在120软化处理30分钟之后竹材的硬度大大减少，在靠近竹材外部和内部附近的表面硬度分别降低了42.0%和54.7%。竹材硬度在120软化处理30分钟后大大降低的主要原因是水分子进入到竹材纤维素的无定形区，使其变湿并且使竹材纤维膨胀。因此，这个处理方法有好的软化效果。结论（1）FTIR的结果显示由于木聚糖中C=O的伸缩振动，用NaHCO3软化处理的竹材光谱与没有经过软化处理或没有用NaHCO3软化处理的竹材光谱比较，在1733cm-1出的谱带强度减少。也就是说，竹材的半纤维素在用NaHCO3软化处理后毁坏了；因此，本文采用在120处理30分钟的软化方法。（2）FTIR的结果表明未经软化处理的竹材和在120软化处理30分钟的竹材之间几乎没有区别，这表明在120软化处理30分钟对竹材的化学成分没有什么影响，和普通的用NaHCO3软化处理相比具有明显的优势。（3）未经软化处理的竹材的玻璃化转变温度是120，而在120软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度是88。与未经软化处理的竹材相比，在120软化处理30分钟的竹材的玻璃化转变温度降低了26.7%，这意味着软化效果是明显的。（4）本试验的硬度数据显示在120软化处理30分钟之后，靠近竹材外部和内部附近的表面硬度分别降低了42.0%和54.7%，这就意味着软化效果是有效的。参考文献Cao Z-R, Yan W-P, Guo W-L (1996) Studies on bonding mechanism of dry-press binderless fiberboard. 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