全 文 ：第 49 卷 第 5 期
2 0 1 3 年 5 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 5
May，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130521
收稿日期: 2012 － 07 － 09; 修回日期: 2012 － 12 － 12。
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金(CAFINT2011K03)。
热处理对竹基纤维复合材料性能的影响
张亚梅 于文吉
(中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091)
摘 要: 毛竹竹材的纤维化单板经高温处理后，热压制备成竹基纤维复合材料(BFC)。分析热处理对纤维化竹
单板化学性能的影响及热处理对 BFC 表面颜色、尺寸稳定性、力学性能的影响。结果表明: 纤维化竹单板经热处
理后，其综纤维素和 α －纤维素的含量相对于未处理材显著降低，其中半纤维素含量降幅最大; 热处理后竹材的
pH 值相对于未处理材显著降低，碱缓冲容量显著增大，而酸缓冲容量降低。由纤维化竹单板经热处理后制备的
BFC，表面颜色变深，吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率相对于未处理材显著降低，尺寸稳定性得到改善; 材料的
静曲强度和水平剪切强度相对于未处理材显著降低，且随着蒸汽压力的增大和热处理时间的增长呈逐渐降低的趋
势，而弹性模量变化不显著。
关键词: 纤维化竹单板; 竹基纤维复合材料(BFC); 颜色; 尺寸稳定性; 力学性能; 化学性能
中图分类号: TB332 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)05 － 0160 － 09
Effect of Thermal Treatment on the Properties of Bamboo-Based Fiber Composites
Zhang Yamei Yu Wenji
(Research Institute of Wood Industry，CAF Beijing 100091)
Abstract: The Phyllostachys edulis bamboo fibrous veneers were heat-treated at high temperatures，and then made for
BFC (bamboo-based fiber composites) ． The chemical properties of bamboo fibrous veneers were measured，and surface
color，dimensional stability，mechanical properties of BFC were studied． The results pointed-out that chemical degradation
occurred，the contents of holocellulose and α-cellulose decreased significantly，mainly in relation to hemicelluloses
contents． pH value decreased after thermal treatment，whereas，alkali buffering capacity increased compared with control
samples and acid buffering capacity decreased． Thermal treatment can significantly change the surface color of BFC，and
the board surface was darkened． The dimensional stability of BFC was significantly improved by reducing thickness
swelling and wideness swelling． The mechanical properties were affected with the reduction in MOR (modulus of rupture)
and HS ( horizontal shear strength) which decreased with increased steam pressure and treatment duration，but MOE
(modulus of elasticity) was affected slightly．
Key words: bamboo fibrous veneers; BFC (bamboo-based fiber composites); color; dimensional stability; mechanical
properties; chemical property
热处理作为一种新的绿色环保材料的改性方
法，在我国木材和竹材企业已经被广泛应用。热处
理使得材料表面的颜色加深(Klement et al．，2009;
Dubey et al．，2012)，可用于替代珍贵木材作为高档
家具用材; 热处理可以改善材料的尺寸稳定性(翟
冰云，1995)，提高其防腐性能( Jrms et al．，2001;
Hakkou et al．，2006); 但同时，热处理会降低材料的
力学强度(Campean et al．，2007)，进而限制其应用
范围。
而作为室内装饰材料，产品表面的颜色是人们
关注的重点之一。竹制品的颜色主要以本色和炭化
色为主，炭化色是指采用高温、高压饱和蒸汽处理技
术使竹材炭化后，竹材呈现的类似咖啡色的颜色。
炭化色色泽稳重、深沉，深受消费者喜爱。我国竹加
工企业已经开发出多种炭化色竹制品，如华贵古朴
的柚木色、自然随和的炭化色、沉潜雅致的胡桃
色等。
竹基纤维复合材料的制造工艺技术，是在改进
第 5 期 张亚梅等: 热处理对竹基纤维复合材料性能的影响
现有重组竹及其制造方法不足的基础上提出的一种
新的制造工艺技术(于文吉，2011)。竹材疏解为纤
维化竹单板后，在热处理过程中可以不考虑材料的
变形与开裂，与木材热处理相比大大缩短了热处理
时间。本文对竹基纤维复合材料的增强材料———纤
维化竹单板进行热处理，并研究蒸汽压力和热处理
时间对纤维化竹单板化学性能的影响，以及热处理
对竹基纤维复合材料表面颜色、尺寸稳定性、力学性
能的影响。这对于推广室内用竹基纤维复合材料产
品、提升我国竹基纤维复合材料的整体竞争力具有
重要的意义。
1 材料与方法
1. 1 试验材料与设备
毛竹(Phyllostachys edulis)采自安徽广德，竹龄
3 ～ 4 年，胸径 10 ～ 12 cm，竹壁厚 0. 8 ～ 1. 0 cm。毛
竹新采伐后(含水率 40% ～ 50% )，锯截成 2. 5 m 长
的竹筒，然后剖分成半圆筒，再经过疏解机疏解成纤
维化竹单板。
酚醛树脂胶黏剂( PF)取自北京太尔化工有限
公司，其性能参数分别为: 黏度 40. 5 cps (25 ℃ )，
固 含 量 ( 2 h /120 ℃ ) 45. 36%，pH 值 10. 64
(25 ℃ )，水 溶 倍 数 15. 7，游 离 醛 0. 10%，游
离酚 ＜ 1%。
热处理设备———卧式碳化炉(扬州市明鑫压力
容器有限公司)型号直径1 200 mm，设计压力 0. 66
MPa，最高工作压力 0. 60 MPa，容积 5. 9 m3，设计温
度 170 ℃，最高工作温度 185 ℃，介质为水蒸气。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 纤维化竹单板的热处理 采用蒸汽热处理，
利用蒸汽压力和热处理时间来控制热处理工艺。纤
维化竹单板经气干后进行热处理，热处理前单板的
含水率约为 10%。
热处理的具体参数设置如下: 蒸汽压力为 0. 40
MPa 时，热处理时间设置为 110，140，170 min; 热处
理时间为 140 min 时，蒸汽压力设置为 0. 35，0. 40，
0. 45 MPa。
1. 2. 2 竹基纤维复合材料的制备 将热处理后的
纤维化竹单板和未经热处理的竹单板浸渍于固体含
量为 12%的酚醛树脂胶黏剂中，浸渍 8 min 左右，取
出单板淋干，通过测定质量的变化来确定其浸胶量，
根据淋干时间的长短来控制施胶量为 8% ; 再将浸
胶后的竹单板气干至含水率为 8% ～ 10%。按设定
密度 1. 10 g·cm － 3计算纤维化竹单板的称料量，并
按顺纹方向对称铺装，即中间层为竹黄和竹黄对铺，
其他各层分别为竹青与竹黄对铺，竹青面朝外。手
工铺装到幅面为 300 mm × 170 mm 的模具中; 采用
热压法压制板材，最终板材厚度设定为 20 mm。
热压工艺参数设定: 温度为 145 ℃，压力为 4. 5
MPa，热压时间为 1 min·mm － 1。
未处理的纤维化竹单板和经设定热处理条件的
纤维化竹单板，每个条件压制 3 ～ 4 块竹基纤维复合
材料。在竹基纤维复合材料物理力学性能的测试
中，每块板上取 2 块试样。
1. 2. 3 材料性能检测 1) 纤维化竹单板化学性能
的测定 将用于化学成分分析的试验材料用粉碎机
粉碎后，过筛获取能通过 40 目但不能通过 60 目筛
的竹粉，供化学分析用。
综纤维素、α － 纤维素和热水抽提物的含量测
定以及试验所用竹粉水分的测定方法，分别依据中
华人民共和国国家标准 GB /T 2677. 10—1995《造纸
α － 纤维素含量的测定》、GB /T 744—1989《纸浆
α －纤维素含量的测定》、GB /T2677. 4—93《造纸原
料水抽提物含量的测定》以及 GB /T 2677. 2—93《造
纸原料水分的测定》中规定的方法进行。
pH 值和缓冲容量的测定，根据 GB /T 6043—
1999《木材 pH 值测定方法》和 GB /T 17660—1999
《木材缓冲容量测定方法》，测定纤维化竹单板热处
理前后 pH 值和缓冲容量的变化。
2) 竹基纤维复合材料颜色的测定 按照 1976
年国际照明委员会 CIE(L* a* b* )标准色度学理论，
采用分光测色仪，对经热处理和未经热处理的纤维
化竹单板制备的竹基纤维复合材料的表面进行材色
测定。测试的主要视觉物理参数有: 明度( L* )、红
绿轴色度指数( a* )、黄蓝轴色度指数 ( b* )。材色
指数和色差为平均值，根据公式(1)计算材料的变
色度 ΔE * 。
ΔL* = L*1 － L
*
0 ;
Δa* = a*1 － a
*
0 ;
Δb* = b*1 － b
*
0 ;
ΔE * = ［(ΔL* ) 2 + (Δa* ) 2 + (Δb* ) 2］1 /2。
(1)
式中: L* 为明度，完全白的物体视为 100，完全黑的
物体视为 0; a* 为表征红绿轴色度指数; b* 为表征
黄蓝轴色度指数; L0
* ，a0
* ，b0
* 分别为对照材的明
度、红绿轴色度指数、黄蓝轴色度指数; L1
* ，a1
* ，
b1
* 分别为测试材的明度、红绿轴色度指数、黄蓝轴
色度指数; ΔL* ，Δa* ，Δb* 分别为测试材与对照材
的明度差、红绿轴色度指数差、黄蓝轴色度指数差;
161
林 业 科 学 49 卷
ΔE * 为总色差，数值越大表示被测物和对照样颜色
差别越大。
3) 竹基纤维复合材料尺寸稳定性的检测 试
件尺寸规格为 50 mm × 50 mm × 20 mm，将试件放置
于 63 ℃水中煮 24 h 后，参照 GB /T 17657—1999《人
造板及饰面人造板理化性能试验方法》，检测其吸
水厚度膨胀率(TS)和吸水宽度膨胀率(WS)。每组
有 3 块竹基纤维复合材料，每块板上取 2 个试件，共
取 6 个试件，检测结果取其平均值。
4) 竹基纤维复合材料力学性能的检测 参照
GB /T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能
试验方法》，检测试件在密度为 1. 10 g·cm － 3下的静
曲强度和弹性模量; 参照 GB /T 20241—2006《单板
层积材》，检测试件的水平剪切强度 (垂直加载)。
每组有 3 块竹基纤维复合材料，每块板上取 2 个试
件，共取 6 个试件，结果取其平均值。
1. 2. 4 数据处理 试验数据采用 Excel 2007 进行
计算和分析，采用 SPSS 16. 0 进行方差分析。
2 结果与分析
2. 1 热处理对纤维化竹单板化学性能的影响
2. 1. 1 热处理对纤维化竹单板化学成分含量的影
响 由表 1 可知，纤维化竹单板经热处理后，其综纤
维素和 α －纤维素的含量与未处理材相比显著降低，
最大降低幅度分别为 27. 62%，11. 76% ; 而热水抽提
物的含量显著升高，最大升高幅度为 190. 17%。
表 1 纤维化竹单板化学成分含量的测定结果
Tab． 1 Results of chemical composition contents of bamboo fibrous veneers
蒸汽压力
Pressure /MPa
处理时间
Duration /min
综纤维素(A)
Holocellulose(% )
α －纤维素(B)
α-cellulose(% )
半纤维素(A-B)
Hemicelluloses(% )
热水抽提物
Hot water extractives(% )
Control 68. 25 45. 41 22. 84 7. 12
0. 40 110 55. 05 43. 80 11. 25 12. 22
0. 40 140 52. 66 42. 54 10. 12 14. 16
0. 40 170 49. 40 40. 07 9. 33 20. 66
0. 35 140 55. 55 43. 75 11. 80 12. 80
0. 45 140 51. 47 42. 70 8. 77 17. 17
当蒸汽压力为 0. 40 MPa、热处理时间为 110
min 时，与未处理材相比，竹材综纤维素和 α － 纤维
素的含量分别下降 19. 34%，3. 55% ; 随着热处理时
间的延长，其含量逐渐降低，经过 170 min 热处理
后，综纤维素和 α －纤维素的含量分别下降 27. 62%
和 11. 76%。综纤维素和 α － 纤维素的含量降低主
要是由高温降解造成的。综纤维素是纤维素和半纤
维素的总称，半纤维素由于分子质量小而且具有分
枝结构，相对于竹材中其他高分子物质来说它们更
容易降解( Fengel et al．，1983)，因而半纤维素最先
降解。α －纤维素主要是结晶纤维素，其含量降低
相对较小。半纤维素的含量随着蒸汽压力的增大和
热处 理 时 间的延长而逐渐 降低，降 低 幅 度 在
48. 34% ～ 61. 60%之间。
当热处理时间一定(140 min)，随着蒸汽压力的
增大，综纤维素的含量逐渐降低，在 0. 45 MPa 热处
理时，综纤维素的含量相对于未处理材的下降幅度
达到 24. 59%。α －纤维素含量在 0. 40 MPa 热处理
时，下降幅度为 6. 32% ; 而在 0. 45 MPa 时，α － 纤
维素含量相对于 0. 40 MPa 热处理时变化不显著。
纤维化竹单板经热处理后，其热水抽提物的含
量相对于未处理材显著升高，且随着蒸汽压力的增
大和 热处 理时间的延长而 增大，升 高 幅 度 为
71. 63% ～ 190. 17%，最大值出现于在 0. 40 MPa 蒸
汽压力下热处理 170 min。由于植物纤维原料中所
含有的部分无机盐类、糖、植物碱、环多醇、单宁、色
素以及多糖物质如胶、植物黏液、淀粉、果胶质、多乳
糖等均能溶于水，因此热水抽出物中含有较多的糖
类物质(石淑兰等，2003)。热水抽出物的含量反映
了竹材中可溶性小分子物质的含量，热处理使得可
溶性小分子数量增多，此处同时验证了纤维素和半
纤维素的降解。
2. 1. 2 热处理对纤维化竹单板 pH 值和缓冲容量
的影响 由表 2 可知，在 0. 40 MPa 蒸汽压力下热处
理 110 min 后，竹材的 pH 值相对于未处理材下降幅
度为 23. 61%。随着热处理时间的延长，pH 值逐渐
降低，但相对降低幅度不高于 2. 51%。当热处理时
间为 140 min 时，在 0. 35 MPa 的蒸汽压力下，pH 值
相对于未处理材下降幅度为 21. 50%。随着蒸汽压
力的不断增大，pH 值逐渐降低，在 0. 45 MPa 蒸汽压
力下热处理后达到最低值，相对于 0. 40 MPa 热处理
时下降 5. 13%。竹材的 pH 值是指竹材中水溶性物
质的酸性或碱性的程度，竹材在热处理过程中产生
的酸 性 物 质 会 导 致 pH 值 降 低。Windeisen 等
(2007)曾对热处理木材的 pH 值进行研究，并得到
相似的结论，他们发现半纤维素中的乙酰基降解后
261
第 5 期 张亚梅等: 热处理对竹基纤维复合材料性能的影响
会产生乙酸。Bror 等 (2006 ) 研究发现，当桦木在
160 ～ 200 ℃热处理时，会产生酸和甲醛，这些产生
的酸和甲醛又会作为催化剂在后续反应中促进糖类
物质的降解。
表 2 纤维化竹单板 pH 值和缓冲容量的测定结果①
Tab． 2 Results of pH and buffering capacity of bamboo fibrous veneers
蒸汽压力
Pressure /MPa
处理时间
Duration /min
pH
缓冲容量 Buffering capacity /(mmol·L － 1 )
酸缓冲容量 Acid buffering capacity 碱缓冲容量 Alkali buffering capacity
Control 5. 21 0. 38 0. 80
0. 40 110 3. 98 0. 21 2. 21
0. 40 140 3. 90 0. 24 2. 73
0. 40 170 3. 88 0. 38 3. 25
0. 35 140 4. 09 0. 31 1. 88
0. 45 140 3. 70 0. 24 3. 00
① 酸缓冲容量是指使 50 mL 竹材抽提液由初始 pH 值降至 3 时，所用 0. 012 5 mol·L － 1硫酸溶液的毫升数; 碱缓冲容量是指使 50 mL 竹材
抽提液由初始 pH 值提高至 11 时，所用 0. 025 mol·L － 1氢氧化钠溶液的毫升数。As defined，the acid buffering capacity was the number mL which
made 50 mL of extract solution from the initial pH of the solution to a pH of 3 with 0. 012 5 mol·L － 1 H2 SO4 ． The alkaline buffering capacity was the
number mL which made 50 mL of extract solution from the initial pH of the solution to a pH of 11 with 0. 025 mol·L － 1 NaOH solution．
纤维化竹单板在 0. 40 MPa 蒸汽压力下热处理
110 min 后，其碱缓冲容量是未处理材的 2. 76 倍，而
酸缓冲容量下降 44. 74%。随着热处理时间的延
长，碱缓冲容量逐渐增大，酸缓冲容量也开始回升。
当热处理时间为 140 min 时，相对于 110 min 热处理
时碱缓冲容量和酸缓冲容量相对增大幅度分别为
23. 53%，14. 29% ; 当热处理时间为 170 min 时，相
对于 140 min 热处理时，碱缓冲容量和酸缓冲容量
又分别增大 19. 05%，75. 00%。当热处理时间一定
(140 min)时，随着蒸汽压力的增大，碱缓冲容量相对
于未处理材显著升高，升高倍数为 2. 35 ～ 3. 75; 而酸
缓冲容量显著下降，下降幅度为18. 42% ～ 36. 84%。
由于竹材中含有微量碱金属和碱土金属，可与
竹材中的有机酸形成相应的盐类，因此竹材的水浸
提液具有一定的缓冲性能，其大小用缓冲容量来表
示。竹材的缓冲容量是指竹材的水抽提液所具有的
对外来的酸或碱作用的缓冲能力。竹材的主要成分
和木材一样，是高分子的碳水化合物，它们是由许多
失水糖基联结起来的高聚物(尹思慈，1996)。纤维
化竹单板在热处理过程中，其化学成分(如综纤维
素、α － 纤维素等)发生了降解反应，使得其碳水化
合物的结构发生变化，从而使得竹材的酸碱缓冲容
量发生变化。pH 值和缓冲容量的变化会影响竹材
的胶合性能(李坚，2002)。
2. 2 热处理对竹基纤维复合材料颜色的影响
纤维化竹单板经热处理后制备的竹基纤维复合
材料，其表面颜色加深，颜色参数的变化情况如表 3
所示。
纤维化竹单板在 0. 40 MPa 蒸汽压力下热处理
110 min 后，制备的竹基纤维复合材料的明度相对于
未处理材下降 31. 58%。随着热处理时间的延长，
材料的明度呈逐渐下降的趋势。热处理时间为 140
min 时，明 度 相 对 于 110 min 热 处 理 时 下 降
5. 35% ; 热处理时间为 170 min 时，明度相对于
140 min 热处理时下降约 2. 85%。当热处理时间
一定(140 min)，随着蒸汽压力的增大，材料的明
度逐渐降低，但是在 0. 35 ～ 0. 45MPa 之间时，变化
不显著。Tjeerdsma 等(1998)研究发现，木材颜色
的加深，主要是由于在热处理过程中木材组分氧
化形成苯醌。
表 3 竹基纤维复合材料颜色的测定结果
Tab． 3 Results of color measurement of bamboo-based fiber composites
蒸汽压力
Pressure /MPa
处理时间
Duration /min
颜色参数 Color in CIE system 色差 Color differece
L* a* b* ΔL* Δa* Δb* ΔE *
Control 69. 32 7. 04 30. 88
0． 40 110 47． 43 9． 25 20． 74 － 21． 89 2． 21 － 10． 14 24． 23
0． 40 140 44． 89 9． 72 19． 97 － 24． 43 2． 68 － 10． 91 26． 89
0． 40 170 43． 61 8． 85 17． 77 － 25． 71 1． 81 － 13． 11 28． 92
0． 35 140 45． 20 8． 33 17． 51 － 24． 12 1． 29 － 13． 37 27． 61
0． 45 140 42． 23 9． 00 17． 32 － 27． 09 1． 96 － 13． 56 30． 36
当在蒸汽压力为 0. 40 MPa 热处理 110 min 时，
材料的红绿轴色度指数 a* 相对于未处理材升高幅
度为 31. 39%，而黄蓝轴色度指数 b* 相对于未处理
材下降 32. 84%。随着热处理时间的延长，a* 值逐
361
林 业 科 学 49 卷
渐增大，b* 值逐渐降低，分别在 170 min 热处理后达
到最大值与最小值，增幅和降幅分别为 25. 71% 和
42. 45%。当热处理时间一定 ( 140 min ) 时，在
0. 35 ～ 0. 45 MPa 热处理时，相对于未处理材，a* 值
增大幅度为 18. 32% ～ 38. 07%，在热处理 140 min
时 a* 达到最大值; b* 值相对于未处理材的降低幅
度为 35. 33% ～ 43. 91%，在 0. 45 MPa 达到最大值。
a* 值的增大，表明材料表面的颜色向红轴正方向靠
拢; b* 值的降低，表明材料的颜色向黄蓝轴的中心
轴方向靠拢。
当蒸汽压力为 0. 40 MPa 时，随着热处理时间的
延长，总色差 ΔE * 逐渐增大，在 170 min 热处理时总
色差最大; 当热处理时间一定(140 min)，蒸汽压力
在 0. 35 ～ 0. 40 MPa 之间热处理时，总色差变化不显
著，在 0. 45 MPa 蒸汽压力热处理时，总色差最大，相
对于在 0. 40 MPa 热处理时增大幅度为 12. 90%。
本试验中所用的胶黏剂是酚醛树脂，其颜色较深。
但是纤维化竹单板经热处理后颜色的加深，使得酚醛
树脂胶黏剂对热处理后纤维化竹单板的颜色影响不
大，但对未热处理的纤维化竹单板的颜色有影响。
颜色的变化反映了竹材内部化学成分的变化。
竹材是主要由纤维素、半纤维素、木质素以及抽提物
组成的复杂天然高分子化合物，不仅含有羰基、羧
基、不饱和双键以及共轭体发色基团，而且还含有羟
基等助色基团。此外，竹材抽提物中所含发色物质，
如色素、单宁和树脂等也是竹材显色的原因之一
(李坚，2002)。
2. 3 热处理对竹基纤维复合材料尺寸稳定性的
影响
通过对竹基纤维复合材料的尺寸进行测量与统
计分 析，可 以 得 到 其 吸 水 厚 度 膨 胀 率 ( water-
absorbing thickness swelling，TS)和吸水宽度膨胀率
(water-absorbing width sweling，WS) 的变化，如表 4
所示。
表 4 竹基纤维复合材料尺寸稳定性的测定结果
Tab． 4 Results of dimensional stability of
bamboo-based fiber composites
蒸汽压力
Pressure /MPa
处理时间
Duration /min
TS(% ) WS(% )
Control 6. 75 1. 62
0. 40 110 5. 99 1. 19
0. 40 140 4. 66 1. 25
0. 40 170 4. 96 1. 25
0. 35 140 5. 13 1. 20
0. 45 140 4. 39 1. 24
当蒸汽压力为 0. 40 MPa、热处理时间为 110
min 时，材料的 TS 和 WS 相对于未处理材显著降
低，降低幅度分别为 11. 26%和 26. 54%。随着热处
理时间的延长，在 140 min 热处理时，材料的 TS 相
对于 110 min 时下降约 22. 20%，而在 170 min 热处
理时相对于 140 min 变化不显著; 在 140 min 和 170
min 热处理后，材料的 WS 相对于在 110 min 热处理
时变化不显著。
当热处理时间一定(140 min)时，随着蒸汽压力
的增大，TS 逐渐降低，在 0. 45 MPa 蒸汽热处理时达
到最低值，降幅为 34. 96% ; WS 相对于未处理材显
著下降，降幅为 22. 84% ～ 25. 93%，而在 0. 35 ～
0. 45MPa 之间，WS 相对变化不显著。
通过方差分析(表 5)可知，在本试验条件下，热
处理时间(110 ～ 170 min)对 TS 的影响在 0. 01 水平
上差异显著，而对 WS 的影响不显著; 蒸汽压力
(0. 35 ～ 0. 45 MPa)对竹基纤维复合材料的 TS 和
WS 的影响均不显著。
表 5 热处理对吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率影响的方差分析①
Tab． 5 Analysis of variance for the effect of heat treatment on TS and WS
性能
Properties
来源
Source
平方和
Squares
自由度
DF
均方
Mean square
F 显著性
Significance
TS 处理时间 Duration /min 5. 864 2 2. 932 9. 017 ＊＊＊
蒸汽压力 Pressure /MPa 2. 939 2 1. 469 1. 143
WS 处理时间 Duration /min 0. 039 2 0. 020 0. 632
蒸汽压力 Pressure /MPa 0. 044 2 0. 022 0. 728
① ＊＊＊代表在 0. 01 水平差异显著。＊＊＊significant at 0. 01 level．
蒋身学等(2008)曾对高温热处理后重组竹材
的吸湿性能进行研究，结果表明: 不同温度热处理
后的重组竹，其 24 h 吸水厚度膨胀率下降 36% ～
44%，耐水性能有较大提高，这与本研究的结果基本
一致。在本试验中，竹基纤维复合材料尺寸稳定性
的提高，与其增强材料———纤维化竹单板在高温处
理下发生降解有关。由对纤维化竹单板化学成分含
量部分的分析可知，竹材经热处理后其半纤维素含
量显著降低，而半纤维素是无定形物质，由 2 种或多
种糖基组成，其结构具有分支，主链和侧链上含有亲
水性基团，因而是竹材组分中吸湿性最大的组分
(李坚，2002)，半纤维素的降解有助于材料尺寸稳
461
第 5 期 张亚梅等: 热处理对竹基纤维复合材料性能的影响
定性的提高。在高温条件下，半纤维素中的某些多
糖容易裂解为糠醛和某些糖类的裂解产物，在热量
的作用下，这些物质又能发生聚合作用生成不溶于
水的聚合物，从而降低材料的干缩湿胀性。此外，竹
材的纤维素中含有游离羟基，游离羟基为极性基团，
易于吸附极性水分子，与其形成氢键结合，在高温条
件下，竹材细胞壁物质发生重组，羟基的数量减少;
同时，软化的木素会发生流动并堵塞细胞中的孔隙，
极大地限制了水分流入竹材结构中(Rowell et al．，
2000)，也会降低材料的吸湿性能。
2. 4 热处理对竹基纤维复合材料力学性能的影响
2. 4. 1 热处理对竹基纤维复合材料静曲强度和弹
性模量的影响 1) 热处理时间对竹基纤维复合材
料静曲强度和弹性模量的影响 在 0. 40 MPa 的蒸
汽压力下，热处理时间对竹基纤维复合材料的 MOR
和 MOE 的影响如图 1 和图 2 所示。
图 1 热处理时间对竹基纤维复合材料 MOR 的影响
Fig． 1 Effect of treatment duration on the MOR
of bamboo-fiber based composites
图 2 热处理时间对竹基纤维复合材料 MOE 的影响
Fig． 2 Effect of treatment duration on the
MOE of bamboo-fiber based composites
当热处理时间为 110 min 时，竹基纤维复合材
料的 MOR 相对于未处理材下降约 11. 96%。随着
热处理时间的延长，热处理 140 min 后相对于 110
min 热处 理 时，材 料 的 MOR 相 对 下 降 幅 度 为
20. 11% ; 经 170 min 热处理后，材料的 MOR 相对于
140 min 热处理后变化不显著。这与前人对高温热
处理后木材和竹材的力学性能的研究结果一致
(Bekhta et al．，2003; Frühwald，2007; 邵卓平等，
2003)。而 MOE 值热处理前后相比变化不显著，且
随着热处理时间的延长，其值基本上在 16. 5 ～ 19
GPa 之间，没有显著的变化。
通过方差分析(表 6)可知，在 0. 40 MPa 的蒸汽
压力下，不同热处理时间对竹基纤维复合材料 MOR
的影响在 0. 01 水平差异显著，而对 MOE 的影响不
显著。
表 6 热处理时间对静曲强度和弹性模量影响的方差分析①
Tab． 6 Analysis of variance for the effect of treatment duration on MOR and MOE
来源 Source 平方和 Squares 自由度 DF 均方 Mean square F 显著性 Significance
MOR /MPa 2 563. 061 2 1 281. 530 13. 712 ＊＊＊
MOE /MPa 3 773 558. 129 2 1 886 779. 064 1. 675
① ＊＊＊代表在 0. 01 水平差异显著，＊＊＊significant at 0. 01 level．
2) 蒸汽压力对竹基纤维复合材料静曲强度和
弹性模量的影响 当热处理时间一定(140 min)时，
不同蒸汽压力对竹基纤维复合材料 MOR 和 MOE
的影响如图 3 和 4 所示。
当蒸汽压力为 0. 35 MPa 时，材料的 MOR 相对
于未处理材下降幅度为 19. 62%。随着蒸汽压力的
增大，材料 MOR 逐渐下降。当蒸汽压力为 0. 45
MPa 时，MOR 达到最低值，相对于在 0. 40 MPa 蒸汽
压力下热处理时下降幅度为 8. 97%。而经热处理
后，材料的 MOE 的变化不显著，其值均在 16. 5 ～ 19
图 3 蒸汽压力对竹基纤维复合材料 MOR 的影响
Fig． 3 Effect of treatment pressure on the MOR of
bamboo-fiber based composites
GPa 之间。
561
林 业 科 学 49 卷
图 4 蒸汽压力对竹基纤维复合材料 MOE 的影响
Fig． 4 Effect of treatment pressure on the MOE
of bamboo-fiber based composites
由方差分析(表 7)可知，本试验中不同蒸汽压
力对竹基纤维复合材料 MOR 的影响在 0. 01 水平上
显著，而对 MOE 的影响不显著。
在前期的研究中，测定了热处理对毛竹竹片性
能的影响，得知竹片的 MOR 随着热处理温度的升
高和热处理时间的延长而显著降低 (张亚梅等，
2009)。纤维化竹单板经过高温处理后，其脆性增
强，静曲强度降低。这与热处理后竹材的多糖损失
有关，主要是指半纤维素，因为半纤维素对高温的敏
感性高于纤维素，其耐热性差(李坚，2002)。而半
表 7 蒸汽压力对静曲强度和弹性模量影响的方差分析①
Tab． 7 Analysis of variance for the effect of treatment pressure on MOR and MOE
来源 Source 平方和 Squares 自由度 DF 均方 Mean square F 显著性 Significance
MOR /MPa 1 308. 190 2 654. 095 16. 285 ＊＊＊
MOE /MPa 514 121. 190 2 257 060. 595 0. 346
①＊＊＊代表在 0. 01 水平差异显著，＊＊＊significant at 0. 01 level．
纤维素在细胞壁中起黏结作用，受热分解后能削弱
竹材内部的强度。竹基纤维复合材料是由增强材料
(纤维化竹单板)和基体材料(酚醛树脂)热压而成，
竹基纤维复合材料增强材料的静曲强度的降低，在
相同的热压工艺条件下，会导致竹基纤维复合材料
静曲强度的降低。
材料的弹性模量在热处理后变化不显著，主要
是因为竹材细胞壁中纤维素起到骨架物质的作用，
它赋予竹材弹性和强度; 而木素则扮演硬固物质的
角色，它赋予竹材硬度和刚性。纤维素、木素的热稳
定性均比半纤维素好，可以认为纤维素、木素发生部
分分解，只是在局部结构发生了微小的变化，并未对
纤维化竹单板的弹性模量产生影响，因此由纤维化
竹单板压制的竹基纤维复合材料的弹性模量变化不
显著。
Del Menezzi 等 (2009)通过研究发现，半乳聚
糖、阿拉伯聚糖和甘露聚糖的含量随着热处理强度
的增大而降低，而葡聚糖的含量不变。这些降解的
糖类物质使得 MOR 下降，而不变的葡聚糖使得
MOE 受热处理的影响较小。
2. 4. 2 热处理对竹基纤维复合材料水平剪切强度
的影响 水平剪切强度的破坏形式主要有 2 种: 一
种是基材剪断破坏; 一种是层间剪切破坏。在本试
验中，试件的破坏形式为层间剪切破坏，因此可通过
水平剪切强度来评价竹基纤维复合材料的胶合
性能。
热处理时间和蒸汽压力对竹基纤维复合材料
HS 的影响如图 5 和图 6 所示。
在 0. 40 MPa 的蒸汽压力下热处理 110 min 时，
图 5 热处理时间对材料 HS 的影响
Fig． 5 Effect of treatment duration on HS
of bamboo-fiber based composites
图 6 蒸汽压力对材料 HS 的影响
Fig． 6 Effect of treatment pressure on HS
of bamboo-fiber based composites
竹基纤维复合材料的 HS 相对于未处理材下降幅度
为 10. 91%。随着热处理时间的延长，HS 逐渐降
低，在 170 min 热处理后达到最低值，相对于未处理
材下降幅度为 28. 96%。
当热处理时间一定(140 min)时，在 0. 35 MPa
的蒸汽压力下，竹基纤维复合材料的 HS 相对于未
661
第 5 期 张亚梅等: 热处理对竹基纤维复合材料性能的影响
处理材下降幅度为 23. 52%。随着蒸汽压力的增
大，在 0. 40 MPa 热处理时，HS 相对于在 0. 35 MPa
热处理时变化不显著; 在 0. 45 MPa 热处理后，相对
于 0. 40 MPa 热 处 理 时，HS 相 对 下 降 幅 度
为 14. 69%。
根据木材的研究结果可知，pH 值和缓冲容量会
对凝胶时间产生影响( Johns et al．，1980; Xing et al．，
2004)。Lebow 等 (1999)、Winandy 等 (2011) 指出，
热处理对材料强度的影响要考虑热处理环境中 pH
值的变化对生物复合材料的影响，所以在讨论热处
理对材料强度的影响时，需考虑 pH 值对胶黏剂的
影响。由前面对纤维化竹单板化学性能的分析可
知，竹单板经高温处理后其 pH 值显著降低，碱缓冲
容量增大，而酸缓冲容量降低。缓冲容量的大小对
胶合面上胶黏剂 pH 值的变化有着决定性的作用，
会影响在碱性条件下固化的酚醛树脂的固化时间，
而固化时间和 pH 值是影响酚醛树脂固化和形成胶
合强度的主要因素。
而热处理后纤维化竹单板的热水抽提物含量显
著增加，大量抽提物沉积于竹材的表面，增加了竹材
表面的污染程度，也会对界面间的胶合强度产生
影响。
由前期的研究可知，竹片在 100 ～ 180 ℃热处理
后，其表面的润湿性降低(张亚梅，2010)，从而导致
胶合质量的降低。由此可知，竹基纤维复合材料增
强材料———纤维化竹单板润湿性的降低会影响胶合
强度。
通过方差分析(表 8)可知，热处理时间对材料
水平剪切强度的影响在 0. 01 水平上差异显著，而蒸
汽压力对材料水平剪切强度的影响不显著。
表 8 热处理温度和时间对水平剪切强度影响的方差分析①
Tab． 8 Analysis of variance for the effect of treatment pressure and duration on HS
来源 Source 平方和 Squares 自由度 DF 均方 Mean square F 显著性 Significance
Treatment pressure /MPa 9. 730 2 4. 865 1. 900
Treatment duration /min 35. 899 2 17. 949 16. 696 ＊＊＊
① ＊＊＊代表在 0. 01 水平差异显著。＊＊＊significant at 0. 01 level．
3 结论
与未处理材相比，热处理后纤维化竹单板的综
纤维素含量与 α － 纤维素含量显著降低，且二者的
含量随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长而逐
渐下降，其中半纤维素的降解最为显著，降低幅度在
48. 34% ～ 61. 60%之间。
热处理后竹单板的 pH 值相对于未处理材显著
降低，随着蒸汽压力的增大和热处理时间的延长，
pH 值呈现逐渐降低的趋势; 碱缓冲容量随着蒸汽
压力的增大和热处理时间的增长而逐渐升高; 热处
理后竹单板的酸缓冲容量相对于未处理材有所
降低。
纤维化竹单板经热处理后制备的竹基纤维复合
材料，其表面颜色变深，总色差 ΔE * 随着蒸汽压力
的增大和热处理时间的延长而增大。
材料的吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率相对
于未处理材显著降低，尺寸稳定性得到改善。通过
方差分析可知，热处理时间对竹基纤维复合材料吸
水厚度膨胀率影响显著，而蒸汽压力对其影响不显
著; 蒸汽压力和热处理时间对吸水宽度膨胀率的影
响都不显著。
经热处理后，竹基纤维复合材料的静曲强度和
水平剪切强度相对于未处理材显著降低，而弹性模
量相对于未处理材变化不显著。随着蒸汽压力的增
大和热处理时间的延长，静曲强度和水平剪切强度
逐渐降低，但弹性模量变化不显著。通过方差分析
可知，蒸汽压力和热处理时间对静曲强度的影响都
显著，而对弹性模量的影响不显著;热处理时间对水
平剪切强度的影响显著，而蒸汽压力对水平剪切强
度的影响不显著。
随着我国竹材人造板工业的不断发展以及室内
用材需求量的增加与木材资源短缺之间的矛盾不断
加剧，竹基纤维复合材料作为一种可持续发展的新
材料已经具备了取代木材及人造板用于室内材料的
条件和潜力。但作为室内用材，对材料的表面质量
(如颜色)及尺寸稳定性提出了更高的要求。而采
用热处理技术对竹基纤维复合材料的增强材料———
纤维化竹单板进行热处理，无论是从环境保护，还是
对扩大竹基纤维复合材料的应用范围、实现小径竹
的高效利用、缓解我国木材的供需矛盾，都具有重要
的意义。但纤维化竹单板在热处理过程中伴随着细
胞壁主要成分发生不同程度的降解而导致竹基纤维
复合材料力学性能的降低，降低程度取决于竹种和
热处理的工艺条件。因此，纤维化单板的热处理需
要根据竹基纤维复合材料使用时所需要的表面颜
色、力学性能及尺寸稳定性的要求来确定热处理工
艺，并对相关的参数进行优化，以更好地推广竹基纤
761
林 业 科 学 49 卷
维复合材料产品。
参 考 文 献
蒋身学，程大莉，张晓春 ． 2008． 高温热处理竹材重组材工艺及性
能 ． 林业科技开发，22(6) : 80 － 82．
李 坚 ． 2002． 木材科学 ． 北京: 高等教育出版社 ．
邵卓平，周学辉，魏 涛，等 ． 2003． 竹材在不同介质中加热处理后
的强度变异 ． 林产工业，30(3) : 26 － 29．
石淑兰，何福望 ． 2003． 制浆造纸分析与检测 ． 北京: 中国轻工业出
版社 ．
尹思慈 ． 1996． 木材学 ． 北京: 中国林业出版社 ．
于文吉 ． 2011． 我国高性能竹基纤维复合材料的研究进展 ． 木材工
业，25(1) : 6 － 8，29．
翟冰云 ． 1995． 木材的热处理及蒸汽处理 ． 国外林业，25 ( 4 ) :
38 － 41．
张亚梅 ． 2010． 热处理对竹材颜色及物理力学性能影响的研究 ． 北
京:中国林业科学研究院硕士学位论文 ．
张亚梅，余养伦，于文吉 ． 2009． 热处理对毛竹竹材力学性能的影
响 ． 材料热处理学报，30(3) : 33 － 35，41．
Bekhta P，Niemz P． 2003． Effect of high temperature on the change in
color， dimensional stability and mechanical properties of spruce
wood． Holzforschung，57(5) : 539 － 546．
Bror S，Olov K，Ulla W． 2006． Determination of formic acid and acetic
acid concentrations formed during hydrothermal treatment of birch
wood and its relation to color，strength and hardness． Wood Sci
Technol，40(7) : 549 － 561．
Campean M， Marinescu I， Ispas M． 2007． Influence of drying
temperature upon some mechanical properties of beech wood． Holz
Roh Werkst，65(6) : 443 － 448．
Del Menezzi C H S，Tomaselli I，Okino E Y A，et al． 2009． Thermal
modification of consolidated oriented strandboards: effects on
dimensional stability，mechanical properties，chemical composition
and surface color． European Journal of Wood and Wood Products，
67(4) : 383 － 396．
Dubey M K，Pang S，Walker J． 2012． Changes in chemistry，color，
dimensional stability and fungal resistance of Pinus radiata D． Don
wood with oil heat-treatment． Holzforschung，66(1) : 49 － 57．
Fengel D，Wegener G． 1983． Wood chemistry，ultra structure，reactions．
Berlin: Walter de Gruyter ＆ Co．，330 － 332．
Frühwald E． 2007． Effect of high-temperature drying on properties of
Norway spruce and larch． Holz Roh Werkst，65(6) : 411 － 418．
Hakkou M，Pétrissans M，Gérardin P，et al． 2006． Investigation of the
reasons for fungal durability of heat-treated beech wood． Polymer
Degradation Stability，91(2) : 393 － 397．
Jrms S，Viitaniemi P． 2001． Heat treatment of wood-better durability
without chemicals∥Rapp A O． Review on heat treatments of wood．
Proceedings of Special Seminar，France．
Johns W E，Niazi K A． 1980． Effect of pH and buffering capacity of
wood on the gelation time of urea-formaldehyde resin． Wood and
Fiber，12(4) : 255 － 263．
Klement I，Marko P． 2009． Color changes of beech wood ( Fagus
sylvatica L． ) during high temperature drying process． Wood
Research，54(3) : 45 － 54．
Lebow P K，Winandy J E． 1999． Verification of a kinetic model for the
effects of FR on bending strength at elevated temperatures． Wood
Fiber Sci，31(1) : 49 － 61．
Rowell R， Lange S， Davis M． 2000． Steam stabilization of aspen
fiberboards∥Evans P D． Proceedings of 5 th Pacific Rim Bio-Based
Composites Symposium． Canberra，Australia，December 10 － 13，
ACIAR Proceedings，425 － 438．
Tjeerdsma B F，Boonstra M，Pizzi A，et al． 1998． Characterisation of the
thermally modified wood: molecular reasons for wood performance
improvement． Holz Roh Werkst，56(3) : 149 － 153．
Winandy J E，Lebow P K． 2001． Modeling strength loss in wood by
chemical composition: Ⅰ ． An individual component model for
southern pine． Wood Fiber Sci，33(2) : 239 － 254．
Windeisen E，Strobel C，Wegener G． 2007． Chemical changes during the
production of thermo-treated beech wood． Wood Sci Technol，41
(6) : 523 － 536．
Xing C，Zhang S Y，Deng J． 2004． Effect of wood acidity and catalyst on
UF resin gel time． Holzforschung，58(4) : 408 － 412．
(责任编辑 石红青)
861