Humidifying and softening processes of recombinant bamboo

重组竹方材来自于浙江绍兴竹木制品有限公司，采用6~8年生毛竹Phyllostachys edulis制成去青去黄后的竹片，进行疏解制成精细竹束，经炭化、干燥、浸胶、干燥、冷压热固化等工序制备而成，其规格为2 550 mm × 140 mm × 140 mm，竹方密度为1.1 g·cm^-3左右，初始含水率为6.0%~7.0%。

加压浸注试验采用DN800-2500型加压浸渍罐进行；高温水煮采用自制蒸汽加热水槽。所有试件都采用磅秤进行质量的称量。

重组竹方材放入加压罐后，抽真空处理，压力为0.8 MPa，时间为30 min。处理完后在不同的压力和时间下进行加压浸注，分别采用加压压力为0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 MPa以及保压时间为2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 h。以重组竹方材的增重率为评价指标。重组竹方材的增重率按下式计算：R_W=(m₁-m₀)/m₀×100%，其中：R_W(%)为试件的增量率，m₁(g)为试件处理后的质量，m₀(g)为试件处理前的质量。

水煮软化试验在不同的温度和水煮时间下进行，分别采用温度为常温28.0，50.0， 70.0 ℃以及水煮时间为12.0，24.0，36.0，48.0 h的水煮工艺，将重组竹方材放入水煮池中后让水淹没方料表面10 cm以上，然后进行升温，升温速率为1.0~1.5 ℃·h^-1，升温至(70.0 ± 5.0) ℃进行水煮，以水煮后重组竹方材的增重率为评价指标。

将含水率分别为10.0%和20.0%的重组竹方材按图 1所示位置进行打孔处理。将试样分别放到水温为70.0 ℃的恒温水槽中，让方料表面露出水面5 mm左右，然后对孔内温度用温度测定仪隔0.5 h测定1次，以最终各孔达到稳定不再变化温度值的为指标。

Figure 1.  Punch position of thermal conductivity test of recombinant bamboo

竹材硬度试件的制作参照国家标准GB/T 1941－2009《木材硬度试验方法》。试件尺寸为(长×宽×厚)70 mm × 50 mm × 50 mm，其长轴应与竹材纹理相平行。具体方法如下：采用硬度计测试实验设备，将试样放于硬度试验设备支座上，并使试验设备的钢半球直径为(5.64 ± 0.01) mm端部正对竹片试验面中心位置，以3~6 mm·min^-1的速度将钢压头压入试样的试验面，直至压入2 mm深。将载荷读数计下，准确至10 N。

试件经软化处理前后，肉眼观察记录试件表面的裂纹数、裂纹长度，显微镜观察裂纹宽度，得到平均裂纹长度和平均裂纹宽度^[16]。

图 2所示为重组竹方材在不同压力和时间下重组竹方材的增重率随时间的变化。由图 2所示，随着加压浸注压力的增大试件的增重率随着时间的延长呈逐渐增大的趋势，这是因为压力的增加使得试件的内外压力差变大，使得水分更加容易浸注到试件内部^[10]，但如图 2所示：在压力为1.2 MPa和1.5 MPa时试件的最终增重率趋于一致，压力大于1.2 MPa后增大趋势减缓。随着加压浸注时间的延长，增重率呈逐渐增大的趋势，但在8.0 h以后增大趋势逐渐减缓。在实际生产中，并不是压力和浸注时间越大越好，一方面要考虑设备的受压能力，另一方面也要考虑成本，所以在综合考虑的情况下，应选择1.2 MPa，8.0 h为最佳的浸注条件。

Figure 2.  Influence of pressrue on weight gain rate of recombinant bamboo

图 3 所示的是重组竹方材在不同温度和时间水煮后试件增重率的变化情况。从图 3上可知：常温28.0 ℃状态下，重组竹的增重率变化不大，在50.0 ℃温度水煮下，增重率随着水煮时间的延长逐步升高，在36.0 h以后这种升高趋势也逐渐变小。同样在70.0 ℃条件下进行水煮时，36.0 h前试件增重率增加显著，36.0 h以后随着时间的延长，增重率逐步上升，但是上升趋势逐步变缓，所以36.0 h为最佳水煮软化时间。可以看出重组竹方材由于其制造工艺的特殊性，其结构十分紧凑，导致水分的渗透十分困难，因此，在进行重组竹方料的刨切等工艺时需要采用本研究的加压浸注和水煮软化工艺进行增湿软化处理，提高重组竹方材的增重率及温度，达到一定程度上的软化。

Figure 3.  Influence of temperature on weight gain rate of recombinant bamboo

实验过程中分别采用含水率为10.0%和20.0%的重组竹来研究其内部的导热性能。如图 1所示：重组竹导热测试的打孔位置其中前排的1，2，3，4位于整个面的1/4处，中排的1，2，3，4位于整个面的1/2处。上述所有的孔1和孔2为深孔占总厚度h的1/2，孔3和孔4为浅孔占总厚度h的1/4，将温度测试仪的探头插入孔中隔0.5 h定点的测孔内温度的变化，目的就是为了通过测试重组竹内部的温度来找到最佳的浸渍时间点，即重组竹内部温度趋于平衡的点。因为竹材和木材的成分和结构很相似，所以竹材软化与木材软化具有相似的性质，因为水热处理(水煮法)软化重组竹，主要是利用水对纤维素的非结晶区、半纤维素和木素进行润胀，为分子剧烈运动提供自由体积空间，靠由外到里逐渐对重组竹进行传导加热。重组竹方材经水热处理后，一部分半纤维素易分解溶解成液态，便于在外力作用下产生相对滑移，从而使重组竹方材软化，加热可以使非结晶区中的木素、纤维素和半纤维素分子能量加大。在水、热的作用下，纤维素非结晶区湿胀，木素呈黏流态，半纤维素失去其联结作用，重组竹塑性加大即重组竹的软化程度提高，这样会有利于后期的刨切^[11-15]。

图 4所示为重组竹在70.0 ℃的水浴中水煮，各孔内部温度随时间的变化，图 4中显示内部各孔温度变化的趋势都是大致相同的，都是经历了缓慢升温、快速升温和温度相对平衡的过程，且随着时间的延长，最终8.0 h各孔的温度都趋于稳定。图 4中所示：孔的升温速率和最终的温度大小依次为孔1＞孔4＞孔2＞孔3，说明了孔内温度的传递方式主要为端部沿长度方向传导，而沿厚度方向为次或速率不明显，原因主要与竹材的纤维结构有关。通过比较图 4A与图 4C，图 4B与图 4D可知：重组竹的含水率越高，则其内部导热速率越快，到达相对平衡温度的时间越短。其中图 4A图 4B图所示的前排和中排孔最快在6.0 h左右达到稳定；图 4C图 4D图所示在5.0 h左右达到稳定，所以在实际操作中为了后期的刨切质量，应增大竹方的含水率，这样可以在水分和热的作用下，更好地软化重组竹。结合水煮软化试验和导热分析试验可知：当重组竹内部温度全部达到稳定时约在8.0 h左右，而水煮软化最佳的浸注时间为36.0 h，所以在重组竹水煮软化过程中的最佳浸注时间即为试验的最佳时间。

Figure 4.  Internal temperature change of the hole with time

从表 1中可以看出：在70.0 ℃软化36.0 h后，重组竹材的硬度下降明显。和未软化处理重组竹对比，经70.0 ℃软化36.0 h后，硬度下降了36.2%，P值小于0.01。说明处理前后样品的硬度差异还是非常显著的，采用水煮软化处理工艺能显著提高重组竹的硬度。

软化处理前，肉眼观察发现，重组竹表面裂纹都比较细小。原因为重组竹在压制的过程中，碾压竹丝和铺装时，都会使竹材维管束的方向发生改变，竹丝只是相对的平行，很多维管束都会发生倾斜和弯曲，这些倾斜和弯曲会在一定程度上抑制开裂的蔓延，所以重组竹表面的裂纹较细短^[16]；在本研究的条件下软化处理后试件表面肉眼观察到裂纹的变化情况如表 2。

从表 2中可以看出：在70.0 ℃软化36.0 h后，重组竹材的表面裂纹数没有变化而裂纹宽度、裂纹长度有所增加。和未软化处理重组竹对比，经70.0 ℃软化36.0 h后，表面裂纹长度平均增加了21.1%，裂纹宽度平均增加了16.7%，说明水煮软化处理会在一定程度上增加裂纹的长度和宽度。

在本研究重组竹方材的加压浸注过程中，随着压力的增长和加压时间的延长，重组竹方材的增重率呈均匀升高的趋势，当压力大于1.2 MPa后，增重率增加趋势逐渐减缓；加压时间大于8.0 h后增重率增大的趋势逐渐减缓。

在本研究的水煮软化工艺中，重组竹方材的增重率随着温度的升高变化率逐渐增大，并且随着水煮时间的延长，重组竹方材的增重率逐渐增大，但是在36.0 h以后增大的趋势趋于缓慢。

传热试验表明：重组竹和木材的导热方向都是端部沿长度方向为主，厚度方向为次。

硬度测试结果表明：经70.0 ℃软化36.0 h后，重组竹材的硬度下降明显，和未处理材相比下降了36.2%。

裂纹测试结果表明：经70.0 ℃软化36.0 h后，表面裂纹长度增加了21.1%，裂纹宽度增加了16.7%，而裂纹数没有变化。