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1試驗(yàn)方法

1．1竹材熱處理工藝將待處理竹片放入熱處理烘箱內(nèi)，將竹片有序置于木材隔條上，防止竹片與溫度過(guò)高的金屬支架接觸。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝［7］，以熱空氣為介質(zhì)對(duì)竹片進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)，由于竹片量較小，因此未對(duì)其進(jìn)行噴蒸處理。試驗(yàn)時(shí)，首先在5～10min內(nèi)將烘箱內(nèi)溫度升至60～70℃并保持30min，目的是通過(guò)加熱提高竹材內(nèi)部的溫度，使竹片熱透，并加速內(nèi)部水分向表層移動(dòng)，促進(jìn)水分的均勻分布，消除應(yīng)力，防止竹片變形;再將烘箱溫度以5℃/min的升溫速度升至100℃左右，保持2h;最后以5℃/min的速度升至目標(biāo)溫度。控制升溫速度可以防止竹片開(kāi)裂。本研究采用的熱處理溫度為140，180和220℃，熱處理時(shí)間為2，4和6h，每種熱處理工藝下制備3個(gè)試件，熱處理后將竹片置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±5)%的恒溫恒濕箱中，使其達(dá)到平衡含水率后放入蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行蠕變性能測(cè)定。

1．2蠕變性能測(cè)試參照GB/T15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》測(cè)得未處理竹材試件的抗彎破壞載荷均值為513N。蠕變?cè)囼?yàn)在溫度為25℃、相對(duì)濕度為38%～70%的條件下進(jìn)行，采用3點(diǎn)彎曲的加載方式，試件兩支點(diǎn)間距為100mm。中間加載載荷為最大破壞載荷的50%，設(shè)定為250N，加載時(shí)間為72h，采用斜波應(yīng)力加載到20N，并以此為位移的零位，在1min內(nèi)加載到所需的應(yīng)力，在該應(yīng)力水平下測(cè)量試驗(yàn)全過(guò)程的蠕變?nèi)崃?，采用?shù)字式位移控制器采集并自動(dòng)記錄于蠕變測(cè)試軟件中，每隔120s收集1次數(shù)據(jù)，蠕變測(cè)試儀如圖1所示。

2結(jié)果與分析

2．1熱處理時(shí)間對(duì)竹材蠕變?nèi)崃康?a href="http://www.vivacrystal.cn/gylw/rclgylw/674401.html" target="_blank">影響圖2為不同熱處理溫度和熱處理時(shí)間下竹材的蠕變性能對(duì)比結(jié)果。由圖2(a)可知，熱處理溫度為140℃時(shí)，蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間增加而減少。在受力72h內(nèi)，熱處理2h的竹材蠕變?nèi)崃孔畲螅瑸?．12mm;熱處理4h為2．46mm;熱處理6h僅為1．72mm。其蠕變主要分為兩個(gè)階段:首先是減速蠕變階段，在加載瞬間產(chǎn)生彈性變形，并隨加載時(shí)間的延續(xù)而連續(xù)進(jìn)行，但變形速率不斷降低。在250N載荷下，熱處理2和4h的彈性變形曲線較為接近，減速蠕變時(shí)間在加載后3～5h;而熱處理6h，減速蠕變時(shí)間為8h內(nèi)，產(chǎn)生的蠕變?nèi)崃枯^小。其次為恒定蠕變階段，此階段蠕變變形速率隨加載時(shí)間的延續(xù)而保持恒定，蠕變?nèi)崃侩S加載時(shí)間增加而緩慢增加。由圖2(b)可知，與熱處理140℃相比，180℃熱處理2h的竹材最大蠕變?nèi)崃肯陆?．53mm，熱處理4h下降0．56mm，而熱處理6h的竹材蠕變?nèi)崃孔兓^小。三者的減速蠕變時(shí)間較為接近，約為6h。熱處理溫度180℃的竹材恒定蠕變階段的蠕變速率大于140℃條件，其蠕變?nèi)崃坑?40℃熱處理隨熱處理時(shí)間增加而降低，向220℃熱處理隨熱處理時(shí)間增加而增加轉(zhuǎn)變過(guò)渡。從圖2(c)可知，當(dāng)熱處理溫度為220℃時(shí)，熱處理時(shí)間2，4和6h的竹材最大蠕變?nèi)崃糠謩e為1．55，1．72和1．70mm，蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間增加而逐漸增大，熱處理2，4和6h的減速蠕變時(shí)間分別為加載后1，16和10h。在恒定蠕變階段，熱處理4和6h的竹材蠕變?nèi)崃孔兓^為接近，熱處理4h竹材變形速率大于2和6h熱處理。根據(jù)Poncsák和Awoyemi的研究結(jié)論，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到220℃時(shí)，一方面，纖維素和半纖維素會(huì)產(chǎn)生降解，細(xì)胞壁變薄，呈網(wǎng)狀疏松狀，導(dǎo)致竹材的密實(shí)度降低，進(jìn)而引起力學(xué)強(qiáng)度的下降;另一方面，熱處理過(guò)程中隨著溫度的升高，半纖維素被大量降解，同時(shí)作為骨架物質(zhì)的纖維素也發(fā)生降解，塑性降低。因此，在熱處理溫度為140℃時(shí)，蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間的增加而下降;當(dāng)熱處理竹材溫度超過(guò)160℃時(shí)，纖維素中的木聚糖與甘露聚糖出現(xiàn)了結(jié)晶化，導(dǎo)致結(jié)晶度增大，竹材內(nèi)部結(jié)晶區(qū)晶層距離變小，結(jié)晶區(qū)變大，結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得更為緊湊［12］，因而其蠕變變形速率和蠕變?nèi)崃烤霈F(xiàn)了增大現(xiàn)象。

2．2熱處理溫度對(duì)竹材蠕變?nèi)崃康挠绊憟D3為不同熱處理時(shí)間和熱處理溫度下竹材蠕變性能測(cè)試結(jié)果。由圖3(a)(b)可知，熱處理2和4h時(shí)，竹材的蠕變?nèi)崃侩S熱處理溫度增加而降低，熱處理180和220℃的竹材蠕變?nèi)崃肯啾?40℃時(shí)下降較大。熱處理溫度為140℃時(shí)，竹材熱分解速度緩慢，綜纖維素、α－纖維素和酸不溶木素含量相對(duì)于未處理材變化大不;當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，綜纖維素和α－纖維素含量呈逐漸下降趨勢(shì)［12］，而綜纖維素、α－纖維素與失重率呈顯著相關(guān);熱處理溫度在120～160℃之間，失重率增加緩慢;隨著熱處理溫度的升高，在160～220℃，失重率顯著增加［13］。因此，溫度高于180℃時(shí)熱處理2和4h。由于纖維素的降解、熱處理后的失重會(huì)降低竹材塑性，竹材的蠕變?nèi)崃肯啾?40℃熱處理時(shí)降低較大，并隨溫度升高逐漸降低。由圖3(c)可知，當(dāng)熱處理6h時(shí)，竹材的蠕變?nèi)崃侩S熱處理溫度的升高而增加，與圖3(a)中熱處理2h相比，低溫?zé)崽幚頃r(shí)蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間增加逐漸減小，而高溫?zé)崽幚頃r(shí)竹材的蠕變?nèi)崃吭谇?h增加較快，繼續(xù)高溫?zé)崽幚?，其蠕變?nèi)崃烤徛黾?。在熱處?h時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，竹材內(nèi)部的化學(xué)成分發(fā)生降解。在半纖維素中，尤其是多糖醛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成聚合物，半纖維素在細(xì)胞壁中的粘結(jié)作用減弱，削弱了纖維素與木素之間的連接強(qiáng)度;同時(shí)纖維素分子鏈?zhǔn)軣嵋仔纬擅焰?，降低纖維素的結(jié)晶度，木質(zhì)素開(kāi)始降解，逐漸失去對(duì)纖維素強(qiáng)度的支撐作用［14］。因此，在220℃熱處理后期蠕變?nèi)崃烤徛黾印?/p>

3結(jié)論

(1)當(dāng)熱處理溫度為140℃時(shí)，蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間的增加而減少。在250N載荷下，熱處理2和4h時(shí)彈性變形階段較為接近，減速蠕變時(shí)間在加載后3～5h;而熱處理6h，減速蠕變時(shí)間為8h內(nèi)。當(dāng)熱處理溫度為180℃時(shí)，蠕變?nèi)崃坑?40℃隨熱處理時(shí)間增加而降低，向220℃隨熱處理時(shí)間增加而增加轉(zhuǎn)變過(guò)渡;當(dāng)熱處理溫度為220℃時(shí)，蠕變?nèi)崃亢腿渥冏冃嗡俾示S熱處理時(shí)間的增加而增加。熱處理2，4和6h的減速蠕變時(shí)間分別為加載后1，16和10h，在恒定蠕變階段，熱處理4和6h的蠕變?nèi)崃孔兓^為接近。(2)熱處理時(shí)間為2和4h時(shí)，蠕變?nèi)崃侩S熱處理溫度升高而降低。而熱處理時(shí)間6h時(shí)，蠕變?nèi)崃侩S熱處理溫度的升高而增大。熱處理時(shí)間2和4h時(shí)，熱處理180和220℃的竹材蠕變?nèi)崃肯啾?40℃時(shí)下降較大。低溫?zé)崽幚頃r(shí)蠕變?nèi)崃侩S熱處理時(shí)間的增加逐漸減小，而高溫?zé)崽幚頃r(shí)竹材的蠕變?nèi)崃吭谇?h時(shí)增加較快，繼續(xù)進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，其蠕變?nèi)崃縿t緩慢增加。(3)根據(jù)竹材蠕變特性分析，熱處理溫度180℃，熱處理時(shí)間4h較適用于竹制品熱處理改性。該工藝是由竹材彈塑性下降導(dǎo)致蠕變?nèi)崃拷档?，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崽幚磉^(guò)度引起竹材脆性增加導(dǎo)致蠕變?nèi)崃糠磸椛叩霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，既達(dá)到熱處理調(diào)色目的，又保證了其仍具有一定黏彈性。

作者：章衛(wèi)鋼 謝大原 李延軍 張宏 金敏 單位：浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司