炭化处理工艺对毛竹竹片物理力学性能的影响.pdf

收稿日期 2011 01 13 基金项目 校 级 本 科 优 秀 毕 业 论 文 培 养 计 划 基 金 00309044 作者简介 杨永前 1968 男 讲师 E mail yangyq 6018 163 com 通讯作者 罗承德 1945 男 教授 博导 炭化处理工艺对毛竹竹片物理力学性能的影响 杨永前肖辉罗承德黄小真 四川农业大学 四川 雅安 625014 摘要对 9 组毛竹竹片分别进行炭化处理 以含水率 炭化压力 炭化时间为 3 个变化因素 各取三个 水平 并对竹片密度 色差 静曲强度和弹性模量等物理力学性能进行测定 选取一组未经任何处理的竹 片进行对比实验 分析得出 经过炭化处理后 竹材色泽发生了较大的变化 由淡黄色变成不同程度的 浅棕色 炭化后竹片的密度 静曲强度和弹性模量均随着炭化时间与炭化压力的增加而逐渐降低 其 中 含水率的变化对颜色的影响较大 竹材的密度变化主要受炭化时间的影响 炭化压力对静曲强度和 弹性模量的影响最大 关键词毛竹竹片 炭化处理 物理力学性能 Influences of Carbonization on Physical and Mechanical Properties of Moso Bamboo Strips Yang YongqianXiao HuiLuo ChengdeHuang Xiaozhen Sichuan Agricultural University Yaan 625014 Sichuan China AbstractNine group of Moso bamboo strips were carbonized respectively under three different levels of water content carbonization pressure and carbonization time The mechanical properties of carbonized and unprocessed bamboo strips including the density chromatic aberration modulus of rupture MOR and modulus of elasticity MOE and so on were measured Results indicated that the color of bamboo strip changed from pale yellow to light brown with different degree after carbonization with the increasing of carbonization pressure and time the density chromatic aberration and MOR of bamboo strips reduced The change of moisture content had a great effect on the color of bamboo strip the density was mainly influenced by carbonization time and carbonization pressure was the most important factor influencing the chromatic aberration and MOR Key wordsMoso bamboo strips Carbonization treatment Physical and Mechanical Properties 随着世界范围内人类无节制的乱砍乱伐 木材资源日益减少 质量不断下降 主要表现在 大径级天然林 成熟林逐步消失 取而代之的是 人工速生中幼林 1 竹林是中国森林资源的 重要组成部分 产量居世界第一 是世界上最主 要的产竹国之一 2 竹材被越来越多地用于 制造竹地板 竹家具板材 竹装饰材等 单一的 漂白本色已经远远满足不了市场的需要 所以 炭化成了目前竹材加工的主要方式之一 6 竹材比一般木材含有较多的营养物质 包 括蛋白质类 糖类 淀粉类 脂肪和蜡质类等 这 些有机物质是一些昆虫和微生物 真菌 的营 第30卷第2期 2 0 1 1 年 5 月 竹子研究汇刊 JOURNAL OF BAMBOO RESEARCH Vol 30 No 2 May 2 0 1 1 养物质 因而在适宜的温 湿度条件下使用和保 存 容易引起虫蛀和病腐 3 为更好地发挥竹材作为装饰材料的优势 解决竹材在表面处理 防霉和防腐方面存在的 一些问题 对其炭化是一个较好的解决方 法 4 其工艺为 将一定规格的竹片经刨削分 选后置入一个密闭容器中 炭化罐 而后向容 器中通高压饱和蒸汽 在高温高湿状态下使竹 材炭化 5 1材料与设备 1 1竹材的选取 炭化的竹材一般选用 4 年以上竹龄 来自 同一产竹区 同一竹龄 部位一致 含水率均匀 的毛竹材 因竹材从基部到梢部 其密度组成 物质 纤维素 半纤维素 木素 各种糖类 脂肪 类和蛋白质类物质 都有一定的差异 同时竹 材的力学性质受到竹种 竹秆的部位 竹龄 含 水率 立地条件 气候环境的影响 7 1 2试件制作 实验竹片取自四川省长宁竹海 竹片共 60 根 含水率在 12 15 左右 将竹片分为 10 组 每组 6 根 对其编号 试材规格为 长 560 mm 宽20 mm 厚8 mm 取第10 组为实验 参照系 不做任何处理 1 3试件的处理 将竹片含水率处理为 20 40 和 60 含水率 20 的处理 取 1 3 组 共 18 根 竹片放进水箱中浸泡 每隔半小时用含水率测 微仪测一下含水率 浸泡 3 h 后竹片含水率达 到要求 含水率40 的处理 取 18 根竹片放进水箱 中浸泡 每隔 1 h 用含水率测微仪测一下含水 率 以便能够很好的掌握竹片的含水率浸泡情 况 约 6 h 后竹片含水率达到要求 含水率60 的处理 竹材和木材一样 在纤 维饱和点以内时 其强度随含水率的增加而下 降 当竹材绝干状态时 因质地变脆 强度下 降 超过纤维饱和点时 随含水率增加其强度变 化不大 但是 由于目前对竹材纤维饱和点的 研究不够深入 因而尚无较准确的数据 8 取 18 根竹片浸泡 24 h 部分竹片含水率略高于预 期值 将其在烘箱干燥数分钟达到实验要求 1 4实验仪器与设备 炭化罐 设计压力为0 85 MPa 最高工作压 力为0 8 MPa 耐压试验压力为1 08 MPa 设计 温度为 230 电蒸汽发生器 产品编号 2005 51 设计压 力为 0 8 MPa 最高工作压力为 0 75 MPa 试验仪器 电子天平 螺旋测微仪 测色分 光光度仪 X rite SP60 微机控制电子万能试验 机 型号 CMT 精度等级 A 级 最大负荷10 kN 2竹材炭化工艺 2 1竹片炭化处理工艺流程 炭化处理工艺流程如图 1 所示 图 1竹材炭化工艺流程 Fig 1Bamboo carbonization process 为了确定竹片炭化的最佳工艺 采用正交 试验设计的数据处理方法 选择对炭化质量影 响较大的含水率 炭化压力 炭化时间等 3 个参 数为考察因子 确定各因子变化范围和各水平 的取值 从而找出炭化工艺和竹片物理力学性 能改变的关系 试验因素水平见表 1 表 1试验因素水平表 Tab 1Test factor level table 水平 Level A 含水率 Water content B 压力 Pressure MPa C 时间 Time h 1200 22 2400 33 3600 44 炭化的核心因素是温度 高温能使竹材表 面快速炭化 但不易深入其内部 高压高湿的 工艺是使炭化深入到竹材内部的有效方法 2 2试验方法和试验方案 试验方法 将准备好的相应含水率指数的 竹片放进炭化罐 关闭罐门后通入饱和蒸汽 使 压力逐渐升至规定压力 与此同时 打开炭化 42竹子研究汇刊第 30 卷 罐加热阀 将预置温度设为 100 10 min 将罐 内温度逐渐升至预置温度 并提高至 120 根据压力的高低不同 罐内温度在整个炭化过 程中保持在 140 170 左右 经过预定的 炭化时间后 略开排气阀缓慢卸压 卸压完成 后让炭化罐自然冷却至常温 取出竹片 试验方案 试验采用正交试验方案 以含水 率 炭化压力 炭化时间为 3 个变化因素 各取 3 个水平 根据选定的试验因素和水平正交进 行试验 采用 9 次不同工艺条件的炭化试验 炭化竹片 9 组 54 根 正交试验设计安排见 表 2 表 2正交试验设计方案 Tab 2Orthogonal design 试验号 No A 因素 含水率 Water content B 因素 压力 Pressure C 因素 时间 Time 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 3数据处理与结果分析 3 1密度 在每一根试条上截取 3 个试样 试样尺寸 为 10 mm 10 mm 6 mm 试样长度允许误差 为 1 0 mm 宽度允许误差为 0 5 mm 在试 样 全 长 上 宽 度 的 相 对 偏 差 应 不 大 于 0 2 mm 在试样的任一径面 端面的中央 各划一条 垂直于竹青 竹黄面的直线 在靠近直线两端的 竹青 竹黄处各划一圆点 并在竹黄面的中心位 置划一圆点 在圆点处分别测出试样径向 弦 向 纵向尺寸 准确至 0 01 mm 称出试样质 量 准确至 0 001 g 对相同工艺的六根竹片的 18 个试样分别取平均值 得到这一工艺条件下 炭化竹片的密度 正交试验炭化竹片的密度测 定结果和极差分析 如表 3 所示 表 3密度测定结果及极差分析 Tab 3Density and range analysis results 试验号 No 含水率 Water content 压力 Pressure 时间 Time 密度 g Density 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 0 6138 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 0 5629 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 0 5233 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 0 5814 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 0 5547 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 0 6265 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 0 5550 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 0 6477 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 0 5466 10 0 7003 K11 69971 76531 8880 K21 76261 75021 6909 K31 74931 69611 6327 k10 56660 58840 6293 k20 58750 58340 5636 k30 58310 56540 5442 Rj0 02100 02310 0851 表中 K1 K2 K3 分表示各列中 3 个水平的 总和 k1 k2 k3 分别表示相应的平均值 将各 列中最大平均值减最小平均值 得到各列的极 差 记做 Rj Rj 最大的因素 其水平变化是影 响指标的主要因素 由极差分析可知各因素的 影响程度为 时间 压力 含水率 实验结果表明 所有炭化竹片的密度与未 处理竹片相比均有下降 3 号试验 即 20 0 4 MPa 4 h 是对密度影响最大的一组 处理 后密度为 0 5233 g 相对于未处理竹片而言 其 密度下降程度最大 经极差分析后 含水率因 素以水平 1 20 对竹片密度影响最大 这与 试验的结果是一致的 竹片中的部分营养物质 如蛋白质 糖份等 在高温高压中分解 随着 时间的增长 其分解的量越多 10 3 2色差的对比分析 用 X rite SP60 测色分光光度仪对加工好 的试样进行颜色测量 光源采用 D65 标准光 源 相关色温为 6504 K 照明的几何条件为 d 0 漫反射 垂直入射 10 大视野 测量范围为 8 00 mm 11 对每块试样 10 组 60 块 分 竹青面和竹黄面进行多点测量 随机选取 3 点 取平均值作为试样的测量值 炭化竹片颜 色的测定结果与极差分析 如表 4 5 所示 52第 2 期杨永前等炭化处理工艺对毛竹竹片物理力学性能的影响 表 4竹青面颜色测定结果及极差分析 Tab 4Green surface color measurement results and range analysis 试验号 No 含水率 Water content 压力 Pressure 时间 Time E 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 19 19 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 34 84 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 38 20 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 24 55 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 32 87 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 32 29 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 23 61 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 24 81 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 36 57 K192 2367 3576 29 K289 7192 5294 68 K385 00107 0795 97 k130 7422 4525 43 k229 9030 8431 56 k328 3335 6931 99 Rj0 844 856 13 表 5竹黄面颜色测定结果及极差分析 Tab 5Yellow surface color measurement results and range analysis 试验号 No 含水率 Water content 压力 Pressure 时间 Time E 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 24 35 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 36 46 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 41 54 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 30 91 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 37 10 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 35 18 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 29 16 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 26 97 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 37 82 K1103 2084 4286 50 K2102 35100 54105 20 K393 95114 54107 80 k134 4128 1428 83 k234 1233 5135 07 k331 3238 1835 93 Rj0 284 677 10 从试验结果看 炭化竹片竹黄面颜色改变 程度比竹青面更大 经极差分析后 含水率因 素水平 1 对色差的影响程度最大 压力因素以 水平 3 对色差的影响程度最大 时间因素以水 平 3 对色差的影响程度最大 因此 当工艺为 3 号试验 20 0 4 MPa 4 h 时 可以得到材色 最深的竹片 在实际的生产应用中 还应根据 产品对材色的要求 以及竹材其他物理力学性 能的要求来选择合适的工艺 以获取最佳效 益 12 3 3静曲强度与弹性模量 在每一根试条上截取 2 个试样 尺寸为 160 mm 10 mm 6 mm 试件的截取避开了 竹节部分 在试样长度中点处 用百分表测量竹壁厚 尺寸为宽度 弦向靠竹青 竹黄处的尺寸 取均 值为高度 准确至 0 1 mm 采用中央单点加 荷 将试样放在试验装置的两个支座上 跨距为 120 mm 沿试样弦向以均匀速度加荷 在 1 0 5 min 内使试样破坏 对每一组相同工艺的 6 根竹片 12 个试件得到的结果取平均值 得到 在这一工艺条件下的炭化竹片的静曲强度及弹 性模量 炭化竹片的静曲强度和弹性模量测量结果 及极差分析 如表 6 7 所示 表 6静曲强度测定结果 Tab 6Determination results of MOR 试验号 No 含水率 Water content 压力 Pressure 时间 Time 静曲强度 MOR 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 126 MPa 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 105 MPa 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 67 MPa 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 122 MPa 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 113 MPa 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 80 MPa 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 115 MPa 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 116 MPa 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 82 MPa 10 112 MPa K1298363322 K2315334309 K3313229295 k199 33121 00107 33 k2105 00111 33103 00 k3104 3376 3398 33 Rj5 6735 009 00 62竹子研究汇刊第 30 卷 表 7弹性模量测定结果 Tab 7Determination results of MOE 试验号 No 含水率 Water content 压力 Pressure 时间 Time 弹性模量 MOE 11 20 1 0 2 MPa 1 2 h 8563 MPa 21 20 2 0 3 MPa 2 3 h 8130 MPa 31 20 3 0 4 MPa 3 4 h 6789 MPa 42 40 1 0 2 MPa 2 3 h 8674 MPa 52 40 2 0 3 MPa 3 4 h 8450 MPa 62 40 3 0 4 MPa 1 2 h 7500 MPa 73 60 1 0 2 MPa 3 4 h 8550 MPa 83 60 2 0 3 MPa 1 2 h 8561 MPa 93 60 3 0 4 MPa 2 3 h 8010 MPa 10 8836 MPa K1234822578724624 K2246242514124814 K3251212229923789 k17827 338595 678208 00 k28208 008380 338271 33 k38373 677433 007929 67 Rj380 67947 33278 33 1 3 号试验 20 0 4 MPa 4 h 对竹片 静曲强度影响最大 当压力很高时 竹片的静 曲强度骤降 而压力较小时 静曲强度下降趋势 不明显 个别试验中表现出上升的趋势 经极 差分析后 含水率因素以水平 1 20 为对竹 片静曲强度影响最大 压力因素以水平 3 0 4 MPa 为影响最大 时间因素以水平 3 4 h 为 影响最大 当工艺为 3 号试验 20 0 4 MPa 4 h 时 竹材受到了最大的破坏 2 在弹性模量方面 3 号试验 20 0 4 MPa 4 h 对竹片弹性模量影响最大 经极差 分析后 含水率因素以水平 1 20 为对竹片 静曲强度影响最大 与该水平对应的竹片平均 弹性模量为最小 压力因素以水平 3 0 4 MPa 为影响最大 时间因素以水平 3 4 h 为影响最 大 这与试验的结果是一致的 与静曲强度相 比 竹片弹性模量的改变受压力影响最大 含水 率其次 时间影响最小 3 从炭化竹片外观质量看 除第 3 号试 验竹片出现轻微开裂以及纤维脱落的现象外 其余竹片均有较好的外观质量 过低的含水率 和过高的压力及炭化时间使得竹片在炭化罐中 含水率降到一个非常低的程度 加上炭化后内 部结构的改变 在长时间的高压高温下难免产 生开裂及纤维脱落 13 因此 低含水率 高压 力时的炭化工艺对竹片是不适合的 4结论 竹材生长速度快 具有良好的速生特性 产 量丰富 是我国森林资源的重要组成部分 同 时 其优良的物理力学性能加大了其在木材资 源紧缺的今天进行工业化应用的前景 14 在 应用的过程中 竹材的缺陷也日益显现出来 其 易腐易霉 材色单调且不均匀 易失去光泽等特 性阻碍着它优势的发挥 大量研究和事实表 明 竹材的炭化工艺在一定程度上可以弥补和 改变它的这些缺陷 15 研究竹片在不同含水 率 蒸汽压力 时间等工艺条件下的竹材密度 材色 静曲强度和弹性模量等变化规律 得出如 下结论 1 竹材经炭化后 与未处理竹材相比 其 密度 材色以及静曲强度 弹性模量均有一定变 化 由于部分营养物质的分解 竹材的密度降 低 材色则由浅黄色变为浅棕色 静曲强度和弹 性模量也有一定降低 2 通过正交试验 对试验数据进行极差 分析 得出压力因素对静曲强度和弹性模量影 响最大 时间因素对色差和密度影响最大 3 相同的炭化工艺条件下 竹黄面颜色 变化大于竹青面 这与竹青和竹黄的结构与性 质差异有一定关系 4 试验发现 采用低含水率 高压 长时 的炭化工艺 20 0 4 MPa 4 h 对竹片进行处 理 竹片产生轻微的开裂及纤维脱落现象 静曲 强度受到严重影响 弹性模量也急速下降 参考文献 1 张齐生 中国竹材工业化利用 INDUSTRIAL UTILIZATION OF BAMBOO IN CHINA M 北京 中国林业出版社 1995 11 33 2 张齐生 当前发展我国竹片工业的几点思考 J 竹子研 究汇刊 2000 19 3 16 19 3 尹仲文 开发新型竹建材 发展和改善傣族居民 M 北 京 中国林业出版社 2001 98 4 薛纪如主编 云南竹类资源及开发利用 M 昆明 云南 科技出版社 1995 106 180 下转第 39 页 72第 2 期杨永前等炭化处理工艺对毛竹竹片物理力学性能的影响 3结论 水蒸汽活化高性能竹炭制备竹活性炭的最 佳活化工艺条件为 活化时间 1 5 h 活化温度 900 水蒸汽用量 430 480 g h 1 竹活性 炭具有较高的碘吸附值 1 188 mg g 1 亚甲 基蓝吸附值 196 96 mg g 1 和苯酚吸附值 203 04 mg g 1 优异的孔结构 即 BET 比 表面积和微 孔 比 表 面 积 分 别 为 995 35 和 796 849 m2 g 1 微孔容积 0 369 cm3 g 1 平均孔径1 939 nm 活化得率可达45 强度 93 76 竹活性炭的孔结构分析表明 竹活性炭能 够在更低的相对压力下吸附达到饱和 有利于 小分子有害气体的去除 属于典型的微孔结构 活性炭的吸附曲线 竹活性炭的 BET 比表面 积 微孔比表面积 总孔容积 微孔容积 4 个主 要指标的数值是原料竹炭的 2 倍左右 活化时 间的延长对活性炭的微孔结构参数影响较小 不影响低分子有害物质的去除 对比结果符合 最佳活化工艺的选择 最佳工艺制备的竹活性炭达到烟用活性炭 国家烟草行业标准 基本达到净化空气用煤质 颗粒活性炭国家标准 说明高性能竹炭制备烟 用竹活性炭是可行的 参考文献 1 Hasegawa T Sasaki T Atobe I 等 卷烟活性炭滤嘴的回 顾与展望 J 中国烟草学报 2007 13 3 24 24 2 施荫锐 活性炭的性质及其在卷烟滤嘴中的应用 J 烟