朱駿杰 余 斌 曹明鑫 馬靜文 王雪花

（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.瑞盈高科技術(shù)有限公司，浙江 湖州 313009）

我國擁有豐富的竹類資源，享有“竹子王國”的美譽(yù)[1-2]。對竹材進(jìn)行有效利用，提高竹制品加工利用效率是實現(xiàn)我國資源自足、發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑[3]。竹家具產(chǎn)業(yè)是新興的低碳產(chǎn)業(yè)，在各類家具產(chǎn)品中，圓竹家具以深厚的文化底蘊(yùn)深受消費者喜愛[4]。但是，目前圓竹家具生產(chǎn)機(jī)械化程度較低，如圓竹家具加工中定直、定彎的軟化環(huán)節(jié)，主要通過人工將圓竹置于火上烘烤完成[5-6]。這種軟化方式無具體工藝參數(shù)，軟化效果取決于操作者的經(jīng)驗，個體差異較大，重復(fù)性不高，從而直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，且生產(chǎn)效率低下，不利于圓竹家具的工業(yè)化生產(chǎn)。

微波軟化常用于木材加工，其原理類似傳統(tǒng)的高溫軟化，旨在通過提升木材內(nèi)部溫度，使其內(nèi)部分子劇烈碰撞、摩擦，將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到三大素的軟化點[7-8]。微波軟化速度快，且不易引起木材內(nèi)部含水率的梯度變化[9-10]。現(xiàn)階段，關(guān)于木材微波軟化的研究較多[11-15]，而關(guān)于竹材的相對較少。吳一飛[16]設(shè)置微波功率180、360 W和720 W，軟化時間1、2 min和3 min，探索工藝參數(shù)對毛竹片軟化效果的影響。結(jié)果表明：隨著微波功率的增加和時間的延長，毛竹片的彈性模量先下降后上升，在360 W、1 min條件下處理后彈性模量下降最大，較未處理材下降41.7%。郝睿敏[17]對微波軟化工藝進(jìn)行了細(xì)化，研究微波功率（200、300、400、500、600、700 W）、時間（120、180、240、300、360、420 s）及竹片含水率（13%、30%、50%、70%、90%）三個因素對軟化效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在毛竹片初含水率為90%，微波功率為500 W、處理時間為240 s時，毛竹片的軟化效果最佳。上述研究均是以竹片作為基本單元，然而關(guān)于圓竹微波軟化技術(shù)的研究鮮有報道。

針對圓竹軟化效率低、缺乏工業(yè)應(yīng)用性工藝參數(shù)的現(xiàn)狀，以及微波軟化效率高、加熱均勻等優(yōu)點，本文以小徑圓竹家具中常用的紅竹（Phyllostachys iridescens）為研究對象，研究微波功率、微波處理時間及初含水率對圓竹軟化效果的影響，以期為圓竹家具構(gòu)件的工業(yè)化軟化加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

紅竹（Phyllostachys iridescens），采自浙江百丈，竹齡3年，外徑38～42 mm，無明顯缺陷。取離地面30 cm向上2.5 m的竹段作為試驗材料。

1.2 設(shè)備

搖臂式圓鋸機(jī)，MJ2236，馬氏。微波爐，M1-L201B，美的。萬能力學(xué)試驗機(jī)，AG-X50KN，日本島津。

1.3 試驗設(shè)計

研究微波功率、微波處理時間和初含水率三個因素對紅竹圓竹軟化效果的影響。

1.3.1 微波功率微波爐可用功率為200 W（解凍），300 W（中低火），500 W（中火），700 W（中高火），800 W（高火）。試驗采用0 （對照組）、200、300、500、700 W及800 W六個功率水平對竹筒進(jìn)行單因素試驗，竹筒含水率約為45.3%，微波處理時間為240 s。試驗重復(fù)數(shù)為10次。

1.3.2 微波處理時間

以0（對 照 組）、120、180、240、300 s及360 s六個微波處理時間對竹筒進(jìn)行單因素試驗，微波功率為500 W，竹筒初含水率約為45.3%。試驗重復(fù)數(shù)為10 次。

1.3.3 竹筒初含水率

預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，絕干竹筒經(jīng)微波處理時，會出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、炭化，并伴有大面積焦灼的現(xiàn)象（如圖1所示），無法滿足使用需求。此外，圓竹在制作圓竹家具時未去除竹青，且中空壁薄，將其調(diào)至較高含水率費時效果不佳，不符合實際生產(chǎn)要求。而已有研究發(fā)現(xiàn)，提高含水率對降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量等效果并不顯著[16-18]，且含水率過高不利于圓竹軟化彎曲后的定型處理。

圖1 絕干竹筒微波處理過度炭化Fig.1 Carbonization of oven-dry bamboo treated by microwave treatment

鑒于此，本試驗采用10.6%（氣干）和45.3%（鮮竹砍伐后在冰箱中放置2 個月）兩個含水率水平進(jìn)行單因素試驗，微波功率為500 W，處理時間為240 s。試驗重復(fù)數(shù)為10 次。

1.4 軟化效果評價

拉伸應(yīng)變與壓縮應(yīng)變法、彈性模量（MOE）、抗彎強(qiáng)度（MOR）法通常用于判斷木材的軟化效果。圓竹中空壁薄，拉伸或壓縮應(yīng)變過程中各部位變形量差異較大，采用拉伸應(yīng)變與壓縮應(yīng)變法較復(fù)雜。同時竹材屬于高聚物材料，微波處理造成圓竹內(nèi)部溫度升高會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致抗彎彈性模量降低[16-17]，因此本試驗以MOE和MOR作為軟化效果評價依據(jù)。

測試方法參考標(biāo)準(zhǔn)ISO22157-1:2004《圓竹物理力學(xué)性能的測定》，對紅竹筒進(jìn)行三點彎曲試驗，加載方法如圖2 所示。兩支座間的跨距為160 mm，加載速度為5 mm/min。

圖2 加載方法示意圖Fig.2 Loading method

試驗步驟如下：

1）將圓竹橫截為200 mm（長）×tmm（壁厚）的無節(jié)竹筒。

2）測量竹筒平均外徑（D）和平均內(nèi)徑（d）。測量平均外徑時，在竹筒長度方向兩端及中間任意選A、B、C三點，沿圓竹直徑方向，找到與A、B、C相對應(yīng)的點A'、B'、C'，測量A、B、C三點處的外徑，將A、B、C三點處的平均值作為平均外徑。測量平均內(nèi)徑時，在兩端位置各選取E、F兩點，以相同的方法測量出平均內(nèi)徑，如圖3所示。

3）圓竹經(jīng)過設(shè)定的微波功率、時間處理后立即取出，對其進(jìn)行MOR和MOE的測試。

4）將圓竹近似為標(biāo)準(zhǔn)圓管構(gòu)件進(jìn)行MOR和MOE的計算，公式如（1）和（2）所示[19]：

式中：E為抗彎彈性模量，MPa；σ為抗彎強(qiáng)度，MPa；L為跨距，mm；Pmax為破壞荷載，N；ΔP為上、下限荷載之差，N；Δf為上、下限荷載對應(yīng)位移，mm；D為平均外徑，mm；d為平均內(nèi)徑，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率對圓竹軟化效果影響

微波功率對圓竹MOR和MOE的影響如圖4、5所示。微波功率增大，圓竹MOE總體先下降后升高，較未處理材下降35.14%～65.23%。圓竹MOR總體呈下降趨勢，較未處理材下降24.53%～47.21%。由表1可知，微波功率對圓竹軟化效果影響顯著。

表1 不同微波功率下的抗彎彈性模量方差分析與顯著性檢查Tab. 1 The variance analysis and significance of bamboo MOE under diあerent microwave power

圖4 不同微波功率處理后圓竹的彈性模量Fig.4 MOE of round bamboo treated by diあerent microwave power

在微波作用下，圓竹內(nèi)部分子發(fā)生碰撞、摩擦從而產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高[11]。當(dāng)微波功率為200 W和300 W時，由于功率較低，圓竹內(nèi)部分子運動不劇烈，溫度提升小，達(dá)不到木質(zhì)素和半纖維素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因此MOE及MOR下降幅度小。當(dāng)功率提升至500 W時，圓竹內(nèi)部分子運動變得劇烈，內(nèi)部溫度提升，達(dá)到木質(zhì)素和半纖維素的軟化溫度。在微波作用下，木質(zhì)素與碳水化合物之間的連接鍵被破壞，圓竹細(xì)胞壁內(nèi)的自由空間體積增大[13]，因此MOE和MOR大幅下降，MOE達(dá)到最小值，軟化效果良好。當(dāng)功率提升至700 W或800 W時，可聽見“咔咔”的脆裂聲響。這是因為高功率使圓竹內(nèi)部溫度短時間內(nèi)大幅度上升，大量水分蒸發(fā)，內(nèi)部水分汽化產(chǎn)生一定的蒸汽壓，水蒸氣持續(xù)膨脹帶來的壓力使得圓竹內(nèi)部發(fā)生開裂等破壞。這與毛竹片經(jīng)微波軟化后類似，毛竹片經(jīng)600 W或700 W處理后，含水率降低，內(nèi)部水蒸氣膨脹導(dǎo)致MOR回升，軟化效果減弱[16-17]。功率為700 W時，水分散失較多，潤脹效果減弱，圓竹的MOE和MOR上升，軟化效果減弱。經(jīng)800 W處理后，圓竹的MOR再次下降并達(dá)到最小值，這是由于高功率導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，大量水蒸發(fā)，且紅竹竹壁厚度僅有6～8 mm，細(xì)胞壁受到的水蒸氣壓力，造成嚴(yán)重內(nèi)裂，強(qiáng)度下降。

圖5 不同微波功率處理后圓竹的抗彎強(qiáng)度Fig.5 MOR of round bamboo treated by diあerent microwave power

2.2 微波時間對圓竹軟化效果影響

微波時間對圓竹MOE和MOR的影響如圖6、7 所示。隨著微波處理時間延長，圓竹MOE逐漸下降，較未處理材下降64.09%～75.44%。圓竹MOR總體呈下降趨勢，較未處理材下降38.46%～46.35%。由表2 可知微波處理時間對圓竹軟化效果影響顯著。

表2 不同微波時間處理后抗彎彈性模量方差分析與顯著性檢查Tab.2 The variance analysis and significance of round bamboo MOE treated by diあerent microwave time

圖6 不同微波時間處理后圓竹的彈性模量Fig.6 MOE of round bamboo treated by microwave time

當(dāng)處理時間為120 s時，圓竹MOE較未處理材已經(jīng)有較大幅度下降，說明微波對圓竹具有較好的傳熱效率。微波作用下，圓竹內(nèi)部分子運動加劇，溫度升高，造成MOE下降較大。隨著微波處理時間從120 s增至360 s，圓竹內(nèi)部分子運動更加激烈，內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，復(fù)合物之間氫鍵出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致分子之間的結(jié)合強(qiáng)度下降，發(fā)生分子構(gòu)象重排[20]，從而圓竹更易產(chǎn)生形變，并在360 s時達(dá)到最小值。MOR在0～120 s下降，180～300 s小幅度上升。根據(jù)相關(guān)研究，含水率為80%左右的毛竹片經(jīng)微波功率540 W、180 s處理后，含水率可降低82%，可見微波處理可大大降低竹材含水率[16]。因此，隨著處理時間的延長，圓竹失去大量水分從而潤脹減弱，塑性減小。MOR在300～360 s再次下降并達(dá)到最低值，這主要是因為在微波持續(xù)作用下，半纖維素的降解導(dǎo)致強(qiáng)度下降[12]。同時，圓竹內(nèi)部短時間產(chǎn)生大量水蒸氣，細(xì)胞腔內(nèi)壓力升高與外部形成壓力差，水分在壓力作用下持續(xù)、快速膨脹，但竹青具有鎖水作用，水分難以通暢排出[21-22]。單薄的竹壁持續(xù)受到內(nèi)部水蒸氣膨脹所帶來的壓力，當(dāng)壓力突破竹壁的承受極限時，圓竹內(nèi)部發(fā)生內(nèi)裂致使強(qiáng)度下降。

圖7 不同微波時間處理后圓竹的抗彎強(qiáng)度Fig.7 MOR of round bamboo treated by diあerent microwave time

2.3 初含水率對圓竹軟化效果影響

含水率約為45.3%的圓竹經(jīng)500 W、240 s微波處理后，其MOE和MOR較氣干圓竹大幅下降，分別下降了81.75%和65.13%，如圖8 所示。可見大幅提高圓竹含水率可增加微波軟化效果。

圖8 不同含水率處理后圓竹的彈性模量和抗彎強(qiáng)度Fig.8 MOE and MOR of round bamboo with diあerent MC treated by microwave

微波處理中，水分作為極性分子有利于提高圓竹軟化效果，圓竹在水熱的共同作用下軟化[17]。當(dāng)圓竹處于氣干狀態(tài)時，含水率過低，內(nèi)部水分主要以結(jié)合水的形式存在，吸附在纖維素的非結(jié)晶區(qū)。結(jié)合水雖然可以使纖維素發(fā)生潤脹，但由于含量過少，對非結(jié)晶區(qū)的潤脹效果不明顯，因此處理后氣干圓竹MOE仍然較高，軟化效果較弱。隨著含水率增至45.3%，此時圓竹的含水率已高于纖維飽和點，結(jié)合水處于飽和[23]。纖維素非結(jié)晶區(qū)上的游離羥基更易吸收水分，因此水分對纖維素的潤脹效果更加明顯，增加了分子鏈之間的距離，從而使纖維之間更易產(chǎn)生滑移[24-25]。此外，游離羥基吸收的水分可降低纖維素內(nèi)部的結(jié)合力[12-13]，因此MOE下降幅度大，軟化效果良好。由圖可見，圓竹的MOR隨著含水率的增高而減小，原因在于圓竹內(nèi)部水分具有催化劑的作用，在高溫環(huán)境下可使纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的分子鏈發(fā)生斷裂，從而降低圓竹強(qiáng)度[26]。當(dāng)含水率提升至45.3%左右時，圓竹內(nèi)部所含水分以結(jié)合水和自由水的形式存在。在高溫環(huán)境下，這一部分自由水會快速蒸發(fā)，但由于受到圓竹形態(tài)特征及竹青的阻礙，水蒸氣難以排出從而給細(xì)胞腔帶來持續(xù)壓力，圓竹強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

本研究采用微波法對紅竹圓竹進(jìn)行軟化處理，以MOR和MOE為指標(biāo)，對軟化效果進(jìn)行分析，比較了不同微波功率、微波時間及初含水率對紅竹圓竹軟化效果的影響，主要結(jié)論如下：

1）微波功率對圓竹軟化效果影響顯著。隨微波功率增加，圓竹MOE總體先下降后升高，在500 W時達(dá)到最小值，但進(jìn)一步提升功率將導(dǎo)致MOE上升，軟化效果減弱。MOR隨功率增加減小，700 W時小幅度上升，800 W時，由于功率過高，圓竹發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)裂，抗彎強(qiáng)度下降。

2）微波處理時間對圓竹軟化效果影響顯著。隨微波處理時間延長，圓竹MOE逐漸減小，在360 s時達(dá)到最小值。MOR總體呈減小趨勢，在360 s時，由于時間過長，圓竹產(chǎn)生內(nèi)裂。

3）含水率對圓竹軟化效果有明顯影響。含水率為45.3%圓竹的MOE和MOR較氣干圓竹均有大幅度下降，表明提高含水率可增強(qiáng)微波軟化效果。