全 文 ：第 wu卷 第 z期
u s s y年 z 月
林 业 科 学
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密闭高温软化处理竹材的玻璃化转变温度
程瑞香t 张齐生u
kt1 东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txssws ~u1 南京林业大学竹材工程研究中心 南京 utssvzl
摘 要 } 动态热机械分析k⁄ „l可以用来评判水热处理竹材的效果 ∀ ⁄„研究表明 }高温软化处理的竹材 o其储
能模量明显降低 o在 ws ε 时 o经高温软化处理后竹材的储能模量比未软化处理后的竹材降低了 ys1w h ~未软化处理
竹材的玻璃化转变温度k Τªl为 tt|1{ ε o软化处理竹材的玻璃化转变温度k Τªl为 {{1w ε o软化处理竹材的 Τª比未
软化处理竹材的 Τª下降了 uy1u h ∀
关键词 } 竹材 ~软化处理 ~玻璃化转变温度k Τªl ~动态热机械分析k⁄ „l
中图分类号 }≥z{t1v 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsz p ss{z p sv
收稿日期 }ussw p s| p uz ∀
基金项目 }国家/十五0科技攻关课题/竹材资源高效综合利用与深加工技术0kusst…„xsy…svl的子课题/竹单板贴面强化复合地板及竹炭
的制备和应用技术研究0 ∀
Γλασσ Τρανσιτιον Τεµ περατυρε οφ Βαµ βοο αφτερ Σοφτενινγ Τρεατµεντ ατ Ηιγη Τεµ περατυρε
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kt1 ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txssws ~
u1 Βαµβοο Ενγινεερινγ Ρεσεαρχη Χεντερo Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγ utssvzl
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无纺布强化旋切竹单板是一种新型表面装饰材料 o它是竹材经旋切后 o在其背面粘贴无纺布 o经指形纵
向接长而制成的 ∀无纺布强化的旋切竹单板可用作人造板家具的贴面材料 ~还可充分利用其竹纤维的形象
和良好的耐磨性用于室内装饰装修材料 o如用作护墙板 !地板 !天花板的表层材料 o其装饰效果具有独特的地
方风格 ∀另外 o无纺布强化旋切竹单板还可以经特定模压制成竹餐盘 !果盘 !竹扇 !竹屏风等多种特殊形状的
工艺品 ∀
无纺布强化旋切竹单板为竹材的综合利用开辟了一条新途径 o具有很好的开发前景 ∀但由于竹材硬度
高 o在旋切竹单板的生产中 o竹材只有经过软化处理后 o旋切出竹单板的表面质量才好 ∀常用的软化处理方
法是将截好的竹段放入 ws ∗ xs ε 的水中浸泡 y ∗ ts «后逐渐缓慢升温 o升温速度以 w ∗ x ε #«pt为宜 o温度
升至 {s ∗ tus ε 后保温 t ∗ u «o然后自然冷却到 xs ∗ zs ε 即可k李新功等 ousstl ∀为了提高竹段蒸煮速度 o
蒸煮时也可加入一定量的 ‘¤‹≤’v o这种处理方法可以使竹材软化速度快一些 ∀但是由于 ‘¤‹≤’v 多少会破
坏木材的化学成分 o因此 o采用在 tus ε 高温的条件下 o密闭软化 vs °¬±的软化处理工艺来提高竹材软化的
效率 ∀本文拟采用动态热机械分析k⁄„l的方法来评判竹材在 tus ε 的高温条件下 o密闭软化 vs °¬±的软
化处理效果 ∀
动态热机械分析就是在程控温度下测量物质在振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度关系的技术 ∀
⁄„是测定当材料受到周期性应力时的机械反应 o从而确定材料的粘弹性及流变性能 ∀
木质材料对交变应力的响应具有粘性材料和弹性材料的特征 o其应力 !应变的关系为 }
Ρ € Ε 3 Ε ktl
·¤±∆ € ΕδΠΕχ kul
Εχ € ¿Ε 3 ¿¦²¶∆ kvl
Εδ € ¿Ε 3 ¿¶¬±∆ kwl
式中 }Ρ为应力 ~Ε为应变 ~Εχ为实数模量或称储能模量 o它反映材料变形时能量储存大小 o即回弹能力 ~Εδ为
虚数模量或称损耗模量 o它反映材料变形时能量损耗的大小 ~Ε 3 为复合模量 ~∆为应力和应变之间的相位
角 o也称损耗角 ~·¤±∆为力学损耗因子 o损耗角正切 ∀
t ⁄„的储能模量k Εχl !损耗角正切k·ª∆l !损耗模量k Εδl随温度变化的曲线
ƒ¬ªqt ≥·²µ¤ª¨ °²§∏¯∏¶k Εχl o·¤±ª¨ ±·§¨ ·¯¤k·ª∆l o ²¯¶¶°²§∏¯∏¶k Εδl ²© ⁄ „ √¨ µ¶∏¶
·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ©²µ±²¶²©·¨±¬±ª¥¤°¥²²¤±§¶²©·¨±¬±ª·µ¨¤·° ±¨·¥¤°¥²²¤·«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨
t1未软化处理的竹材 ‘²¶²©·¨±¬±ª¥¤°¥²²~u1 经高温软化处理的竹材 ≥²©·¨±¬±ª
·µ¨¤·°¨ ±·¥¤°¥²²¤·«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ q
在水热处理过程中 o木质材料吸水
后 Τª下降 o因此 o可以通过测定材料干 !
湿态玻璃化转变温度评判水热处理效果
的好坏 ∀由 ⁄„ 测得的湿态玻璃化转
变温度越低 o说明水热处理的软化效果
越好 ∀本文旨在利用动态热机械分析研
究密闭高温条件下软化竹材的玻璃化转
变温度 o以判断密闭高温软化竹材的软
化效果 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
试 验 所 采 用 的 竹 材 为 毛 竹
k Πηψλλοσταχηψσ πυβεσχενσl ∀
112 试验方法
t1u1t 试样制备 在同一竹片上截取 u
段 o分别标上记号 t和 u ∀把标号为 t的
作为未软化处理的试件 o把标号为 u的
试件放入密闭蒸煮罐中 o在 tus ε 保温
vs °¬±∀分别把标号为 t和 u的 u种竹
片置于ktsv ? ul ε 下烘至绝干 o制成四
角方正 !四边平齐的尺寸为k长 ≅ 宽 ≅
厚l }ys °° ≅ { °° ≅ x °°的试样 ∀
t qu qu 试验条件 做 ⁄„的承载方式
采用三点弯曲 ∀测试条件如下 }温度范
围 vx ∗ uss ε ~气氛为空气 ~升温速率 x
ε # °¬±pt ~动态力 w ‘~频率采用多频
率 o分别为 t1ss ‹½ov1vv ‹½和 ts1ss ‹½
k’±¬¦ ετ αλqot||{ ~¬∏ ετ αλqousstl ∀
t1u1v 仪器 德国 ‘∞ם≥≤‹ ⁄„ uwu
动态热机械分析仪 ∀该仪器具有 y种承
载形式 o即三点弯曲 !双悬臂弯曲 !单悬
臂弯曲 !剪切 !压缩 !拉伸 ∀
u 结果与分析
尽管做了 t1ss !v1vv和 ts1ss ‹½ v
种不同测试频率的动态试验 o但从所得
的 ⁄„图谱中发现 o在所测试的频率范围内 o不同频率条件下竹材的动态力学行为规律基本一致 o只是不同
频率下储能模量的数值有差别 o所以本文如不特殊指明 o均按测试频率为 t1ss ‹½的情况分析 ∀
{{ 林 业 科 学 wu卷
未软化处理竹材和高温软化处理ktus ε 软化 vs °¬±l竹材的 ⁄„储能模量k Εχl !损耗角正切k·¤±∆l以
及损耗模量k Εδl随温度的变化分别如图 t ¤!¥!¦所示 ∀
从图 t的 ⁄„结果可以看到 }未软化处理竹材在 ws ∗ uss ε 之间的储能模量k Εχl比高温软化处理过的
竹材的储能模量k Εχl大 ∀未软化处理竹材在 ws ε 时的储能模量为 x yts °¤o经高温软化处理竹材 ws ε 时
的储能模量为 u uus °¤o经高温软化处理后竹材的储能模量降低了 ys1w h o说明高温软化处理的效果是非
常明显的 o它可明显地提高竹材的塑性 o从而可以保证旋切竹单板的质量 ∀
⁄„力学损耗峰对应的温度可看作是玻璃化转变温度k Τªlk陈文怡 oussv ~赵军等 ousstl ∀聚合物的玻
璃化转变是从玻璃态向高弹态转化 o其转变温度k Τªl是表示玻璃化转变的重要指标 ∀玻璃化转变是高聚物
的一种普遍现象 o即使是结晶高聚物 o也难以形成 tss h的结晶 ∀在高聚物发生玻璃化转变时 o许多物理性
能发生了急剧的变化 o特别是力学性能 ∀在只有几度范围的转变温度区间前后 o模量将改变 v ∗ w个数量级 o
使材料从坚硬的固体突然变成柔软的弹性体 o完全改变了材料的使用性能 ∀
竹材是由部分结晶纤维素和非结晶半纤维素 !木素等聚合物构成的 ∀当加热到玻璃转化温度时 o竹质材
料的非结晶区部分会发生玻璃态的转化 ∀此时竹质材料的物理力学强度会发生巨大变化 o利用损耗角正切
曲线的峰顶温度可以确定玻璃化转变温度k¬¦«¤¨¯ ετ αλqousssl ∀
从图 t ¤!¥!¦可以看到 }刚开始时 o随温度升高 o储能模量k Εχl缓慢下降 o未软化处理的竹材的 Εχ在 tss
∗ tvs ε 之间有一个明显的下降 o损耗模量k Εδl和损耗角正切k·¤±∆l在此期间则明显上升 ~而经高温软化处
理的竹材储能模量k Εχl在 |s ∗ tus ε 之间有一个明显的下降 o损耗模量k Εδl和损耗角正切·¤±∆在此期间则
明显上升 ∀因为 Εχ的下降以及·¤±∆的明显上升与竹材在这一温度范围内的部分软化有关 o即与竹材中木
素的玻璃化转变有关 o因此说明经高温软化处理的竹材比未软化处理的竹材的玻璃化转变温度有所降低 ∀
以·¤±∆峰值表示玻璃化温度 Τª o则未软化处理的竹材的 Τª为 tt|1{ ε o软化处理的竹材的 Τª为 {{1w ε o
软化处理竹材的 Τª比未软化处理竹材的 Τª下降了 uy1u h ∀
与未软化处理竹材相比 o高温软化处理竹材可明显地提高竹材的塑性 o其主要原因是因为采用高温软化
处理竹材时 o水分子进入无定形区使纤维润胀 o从而使竹材的储能模量k Εχl和玻璃化转变温度k Τªl降低 ∀
v 结论与讨论
⁄„研究表明 }高温软化处理的竹材 o其储能模量明显降低 o在 ws ε 时 o经高温软化处理后竹材的储能
模量比未软化处理后的竹材降低了 ys1w h o说明高温软化处理的效果是非常明显的 ~
另外 o⁄„的结果也表明 }未软化处理竹材的玻璃化转变温度k Τªl为 tt|1{ ε o软化处理的竹材的玻璃
化转变温度k Τªl为 {{1w ε o软化处理竹材的 Τª比未软化处理竹材的 Τª下降了 uy1ut h ∀
参 考 文 献
陈文怡 qussv q端胺基聚氨酯Π环氧树脂胶粘剂的固化过程与热性能研究 q武汉理工大学硕士学位论文 oxu p yu
李新功 o王道龙 o曾奇军 qusst q竹单板旋切工艺简介 q木材加工机械 ov }uv p uw
赵 军 o白 萍 qusst q动态热机械分析法对环氧树脂固化程度的研究 q中国胶粘剂 otskvl }vv p vw
’±¬¦o…∏¦∏µ∂ o„±¶¨¯¯  ° o ετ αλqt||{ q⁄¼±¤°¬¦·«¨µ°²°¨ ¦«¤±¬¦¤¯ ¤±¤¯¼¶¬¶¤¶¤¦²±·µ²¯ ·¨¦«±¬´∏¨ ©²µ·«¨µ°²¶¨·¥²±§¬±ª²©º²²§­²¬±·¶qŒ±·¨µ±¤·¬²±¤¯ ²∏µ±¤¯
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k责任编辑 石红青l
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