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中国是世界竹资源第一大国，竹子栽培和竹材利用历史悠久，在品种、面积、蓄积量、竹制品产量和出口额方面均居世界第一，素有“竹子王国”美誉。中国竹产业自20世纪90年代开始发展以来，其产品广泛应用于车辆、建筑、家具、装饰等各个领域[1-3]。中国竹家具的历史悠久，风格独特，造型美观，是传统家具的一个重要分支[4-5]。原竹家具是竹家具的重要组成部分，主要使用红竹Phyllostachys iridescins作为加工材料。在实际生产加工中，由于竹材含有较高的纤维素、半纤维素、淀粉、糖类及蛋白质等有机物，原竹家具在储存、加工和使用过程中容易产生虫蛀、霉变和开裂等问题，因此原竹家具用材需进行必要的改性处理[6-7]。竹材高温热处理是借鉴木材热处理技术而提出的改善竹材性能、提高产品质量的一种改性方法[8-11]。高温热处理有利于改善竹材材料的尺寸稳定性、耐腐性、耐候性等性能，实现竹材的高效利用，增加产品种类，提高产品质量[10]。目前，国内外对于竹材热处理的研究多集中于毛竹Phyllostachys edulis[3, 6-7, 12]，对于红竹热处理研究较少，红竹分布于浙江、江苏、上海、四川和安徽等地，产量丰富，是具有代表性的小径级竹材，笔者对红竹竹材进行高温热处理试验，为原竹家具原料的改性处理和小径级竹的研究提供一定的技术支持。
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试验材料为3年生红竹，采伐自安徽省宁国市。选取表面光滑，无明显缺陷的红竹，距地50 cm处采伐，往上1.5 m为试件原料，采伐12组，15根·组-1，共计180根。分别制作试件，参照GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》[13]和ISO 22157-1-2004 Specifies Test Methods for Evaluating the Following Characteristic Physical and Strength Properties for Bamboo[14]。制成10 mm × 10 mm × t mm(t为壁厚)竹片材试件，测基本密度、干缩率；20 mm × 20 mm × t mm竹片材试件，测顺纹抗压强度；160 mm × 10 mm × t mm竹片材试件，测抗弯强度；35 mm × 20 mm × t mm竹片材试件，测凸型顺纹抗剪强度；280 mm × 10 mm × t mm竹片材试件，测凹型顺纹抗拉强度；d mm(d为直径) × 40 mm的圆竹材试件，测顺纹抗压强度、顺纹抗剪前度、径向环刚度；d mm × 60 cm(测试点无竹节)圆竹材试件，测抗弯强度。
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微机控制电子式木材万能试验机(DNS50)，高低交变湿热试验箱(ER-10AGP)，烘箱(SEG-021)，电子分析天平(AB204-N)，干燥碳化窑，游标卡尺，螺旋测微器等。
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将试件放置于干燥箱中，初始温度为40 ℃，隔2 h温度升高5 ℃，直至103 ℃，竹材干燥至绝干；将绝干试件分别以温度为110，130，150，170 ℃，时间分别为1，2，3 h进行常压高温热处理。热处理过程中为防止竹材及圆竹材开裂，采用蒸汽高温热处理，试件放入干燥窑后，开始通蒸汽，进行高温热处理，试件共计12组。热处理后试件放入高低交变湿热试验箱中，以温度(20±2) ℃，湿度(65±5)%进行水分调节，待含水率稳定后，进行试验，竹材经过热处理后，其含水率处于稳定状态下为5.5%，因未处理竹材试验时含水率为12%，为了方便对比，将热处理竹材均计为含水率为12%时的强度。
1.1. 试验材料
1.2. 试验设备
1.3. 热处理试验
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由图 1可见：热处理对竹材基本密度、径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率均有影响，根据各性能的方差分析，处理温度和时间对基本密度的影响不显著(P＞0.05)，对各项干缩性能的影响显著(P＜0.05)，其中温度为主影响因素；未处理竹材(对照)基本密度为0.60 g·cm-3，热处理竹材基本密度最小值为170 ℃，3 h时的0.64 g·cm-3，最大值为150 ℃，3 h时的0.68 g·cm-3，比对照增加了6.9%~13.9%；130和150 ℃竹材基本密度趋势差异较小，110~150 ℃呈现随温度升高、时间延长，基本密度增大趋势，170 ℃则呈相反趋势。径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率随热处理温度增加，数值下降；同一热处理温度下，时间延长，数值也有所下降；170 ℃时各项干缩率数值差异均较小；未处理竹材径向干缩率为2.2%，弦向干缩率为5.0%，体积干缩率为14.6%，热处理竹材径向干缩率最大为2.3%，数值最小为1.9%，比对未处理竹材变化率为4.55%~13.64%，弦向干缩率最大为4.8%，最小为3.2%，比对变化率为4.00%~36.00%，体积干缩率最大为12.2%，最小为11.0%，比对变化率16.44%~24.66%。
Figure 1. Heat-treaded hamhoo's physical properties
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由图 2可见：热处理工艺对竹片材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、顺纹抗拉强度有明显的影响，竹片材各力学强度方差分析显示：处理温度为影响力学强度的极显著因素(P＜0.01)，处理时间影响不显著(P＞0.05)；力学强度随热处理温度升高整体呈现先上升后下降的趋势；未处理竹片材的抗剪强度、抗拉强度较170 ℃处理竹材高，这表明热处理温度过高，其力学性能反而有下降趋势；热处理温度为110，130，150 ℃时，随热处理时间的延长，力学强度呈增大趋势，而170 ℃则呈相反趋势。未处理竹片材顺纹抗压强度为51.6 MPa，热处理后最小值为69.3 MPa，最大值为72.4 MPa，比对变化率为32.17%~39.72%；未处理竹片材顺纹抗剪强度为19.6 MPa，热处理后最小值为17.5 MPa，最大值为24 MPa，比对变化率为-12.24%~20.91%；未处理竹片材的抗弯强度为142.7 MPa，热处理后最小值为162.3 MPa，最大值为196.6 MPa，比对变化率为13.52%~37.56%；未处理竹片材的顺纹抗拉强度为225.8 MPa，热处理后最小值为156.7 MPa，最大值为250.4 MPa，比对变化率为-30.73%~10.76%。
Figure 2. Heat-treaded bamboo sheet's mechanical properties
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图 3反映了热处理工艺对圆竹材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、径向环刚度[15]的影响，圆竹材各力学性能方差分析可见，温度是影响各力学强度变化的主要因素(P＜0.01)，时间影响不显著(P＞0.1)；热处理后圆竹材的力学强度均大于未处理圆竹材；热处理温度为110，130，150 ℃时，圆竹材的力学强度随温度升高和时间延长呈上升趋势；110，130，150 ℃的温度条件时，圆竹顺纹抗压强度总体趋势从低到高依次为110，130，150 ℃，其中110 ℃与130，150 ℃差异较大；圆竹材顺纹抗剪强度增幅较缓，10，130，150 ℃温度之间抗剪强度差异较小；圆竹材抗弯强度3种温度条件差距不明显，时间因素影响较明显；圆竹材径向环刚度增幅较缓，110，130，150 ℃温度之间强度差异小；在170 ℃的温度条件下，圆竹材顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度及径向环刚度等4个力学性能均呈随时间延长，强度下降的趋势。未处理圆竹材顺纹抗压强度为29.8 MPa，热处理后最小值为40.8 MPa，最大值45.6 MPa，比对变化率为35.90%~52.01%；未处理圆竹材顺纹抗剪强度为11.1 MPa，热处理后最小值为16.2 MPa，最大值为21.6 MPa，比对变化率为43.24%~90.99%；未处理竹圆竹材抗弯强度为18.6 MPa，热处理后最小值为26.8 MPa，最大值为41.7 MPa，比对变化率为42.47%~122.58%；未处理圆竹材径向环刚度为98 kPa，热处理后最小值为100.4 kPa，最大值为159.8 kPa，比对变化率为2.14%~52.55%。可以看出，热处理后圆竹材的力学强度提升较大，这对于制作原竹家具是适合的改性方式。
Figure 3. Heat-treaded round bamboo's mechanical properties
2.1. 热处理工艺对竹片材物理性能影响
2.2. 热处理工艺对竹片材力学性能影响
2.3. 热处理工艺对圆竹材力学性能的影响
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根据木材学理论及木材碳化机制[16]，竹材在热处理过程中纤维素，尤其是半纤维素发生分解，含量降低，同时竹材内部结构发生变化，导致氢键浓度降低，或氢键被非亲水性基团所取代，引起竹材干缩；在温度为110~150 ℃时，温度相对较低，竹材内部的纤维素、半纤维素分解缓慢，竹材内部自由水蒸发较多，体积干缩较大，竹材基本密度相对增加，力学性能增加；随着热处理温度的升高，竹材的胞壁物质、半纤维素、纤维素分解剧烈，竹材的胞壁物质减少，而体积基本不变，竹材基本密度相对降低，其力学性能降低。
由以上分析可知，温度是影响热处理后竹材物理力学性能的显著因素；110 ℃和170 ℃时的竹材力学性能较弱，而130 ℃与150 ℃的竹材其各项力学性能均相似，因此，首先排除110 ℃和170 ℃作为生产中热处理工艺温度；实际生产和热处理过程中，安全、环保、成本等均是需要综合考虑的因素，150 ℃热处理温度，其消耗燃料、有害气体排放均较多，温度较高，安全隐患较大。因此，最适宜生产的热处理工艺为温度130 ℃，时间2 h。
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