加速老化对选择的影响的物理和力学性能Bambusa rigida竹子.docx

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加速老化对选择的影响的物理和力学性能Bambusarigida竹子

人工加速老化对硬头黄竹物理力学性质的影响

林学院木材科学与工程（家具与室内设计方向）秦柏东

指导老师：

齐锦秋副教授

摘要:

本文对比研究了硬头黄竹竹材经人工加速老化处理前后的物理力学性能差异。

结果显示，老化后的硬头黄竹的物理力学性能有所降低，然而，老化后的硬头黄竹竹材比老化前的硬头黄竹竹材具有更好的尺寸稳定性，老化后的硬头黄竹颜色变深，呈浅黄色和浅棕色，且黄色减小。

研究结果同时显示，老化前后的硬头黄竹竹材的力学强度和基本密度都随竹材高度的增加而显著增加，但体积收缩性却呈相反趋势。

此外，人工加速老化处理对竹秆底部的影响远大于其对中部和上部的影响。

关键词：

硬头黄竹，人工加速老化，物理力学性能

EffectofacceleratedagingonselectedphysicalandmechanicalpropertiesofBambusarigidabamboo

Abstract:

Bambusarigidabamboosweresubjectedtotheacceleratedagingtestandthemainphysicalandmechanicalpropertiesofbamboobeforeandafteragingwerecomparativelyinvestigated.Theresultsrevealedthattheagedbambooslostpartoftheiroriginalphysicalandstrengthproperties;whiletheagedspecimenshadsuperiordimensionalstabilitythanthatforcontrolspecimens.Meanwhile,agedbamboobecamelightbrown,reddishandlessyellow.Furthermore,strengthpropertiesandbasicdensityforbothcontrolsandagedspecimensincreasedsignificantlywiththeincreasingofbambooculmsheight;whilethatforthevolumetricshrinkagewasreverse.Theeffectofacceleratedagingonthepropertiesofbaseportionspecimenswasmuchmoresignificantthanthatforthemiddleandtopportions.

Keywords：

bambusarigidabamboo;acceleratedaging;physicalandmechanicalproperties

1前言

近年来，竹材已成为一种最重要的非木林产品之一。

这主要是因为它具有生长速度快,自然更新快，成熟周期短，生产率高，用途广等多种优点。

竹材不但具有功能多样性而且对克服木材资源的短缺具有巨大的潜力。

硬头黄竹作为中国四川最常见且分布广泛的竹种，目前已被广泛应用于工艺品、篮筐、结构材料等多个领域。

竹子的物理力学性能是评估竹制产品的重要指标（Sattaretal.1990）。

例如，在研究竹材地板的适用性方面以及化学实验和处理的过程中，竹材物理特性中的基本密度和体积收缩性被认为是最重要的因素。

基本密度之所以重要，是因为它不但能够反映单位体积上细胞壁物质的数量，而且与力学性能有密切的关系。

体积收缩性是影响竹材尺寸稳定性的主要因素。

此外，包括抗剪强度、抗压强度、抗弯强度和弹性模量等力学性质都是影响竹材结构材性能的重要因素。

最后，影响材料表面审美属性的颜色也是用于评估竹材产品价值的重要因素。

木质材料的物理力学性能在老化后会发生改变，目前用于评估木质材料材料属性的老化方法主要包括长期测试（室外暴晒自然老化实验）和短期测试（人工加速老化实验）。

加速老化与自然老化相比，可以在更短的时间内完成同时可以在室内进行，所以更为简单易行。

根据文献（KojimaandSuzuki2011），经过人工加速老化后的胶合板与经过5年自然老化的胶合板最后得到的弯曲性能相同，由此可见人工加速老化方法可行。

近年来，将木材作为工程建筑结构材料的使用上取得了重大科研成果，这刺激了将竹材作为原料制成结构材料可行性的集中研究和评估。

然而，根据现有研究结果可知，竹材的属性，诸如解剖和化学特征，与竹子的种类、年龄、产地、部位等密切相关。

这些差异将显著影响竹材的加工工艺和最终产品的性能（Hishametal.2006）。

虽然之前曾有过运用加速老化的方法研究和评估木材和竹材作为结构材料的先例（Kajitaetal.1991;KojimaandNorita2009;KojimaandSuzuki2010;2011;Tomaketal.2012）。

但在研究加速老化对竹材属性的影响和评估方面还存在一定局限性。

因此，在本次研究中，作者对中国四川常见的硬头黄竹老化前后的物理性能、力学性能和表面颜色进行对比研究。

以期探究人工加速老化对竹材性能的影响。

2材料和方法

2.1材料

此次实验所用的4年生硬头黄竹采自中国四川宜宾。

随机选用的竹材从距离地面10厘米左右的高度截断，去掉竹材顶端和枝条，将竹秆细分为三部分（基部、中部、顶部），每一部分8节。

最后，实验材料运到实验室进行空气自然干燥。

2.2加速老化试验

此次加速老化试验是按照标准方法（ASTMD1037-89）进行的。

这个过程包括6个周期，每个周期又包含以下步骤：

首先在50摄氏度的水中浸泡1小时，随后在95摄氏度的环境中蒸3个小时，其次在零下12摄氏度的条件下冷冻20小时，随即在100摄氏度的温度下干燥3小时，再次就是在95摄氏度的条件下蒸3小时，最后就是在100摄氏度的温度下干燥18小时。

因为每一个周期的完成时间为两天，所以六个周期就是12天。

加速老化过程结束后，在开始对试验试件的物理力学性能进行测试前，还需要将试验试件在温度为22摄氏度，湿度为65%的条件下贮存6周。

2.3物理和力学性能分析

本次对硬头黄竹的物理力学性能的研究和实验均是根据Kamruzzamanetal.（2008）;Tran（2010）;Zhangetal.（2013）三人的方法以及中国国家标准GB/T15780-1995而进行的。

测验硬头黄竹竹材底部、中部和顶部的基本密度和体积收缩率所选用的竹材试件均取自每一节竹材的中部。

基本密度是在得到竹材的烘干质量和湿材体积的基础上根据公式

（1）计算而得。

体积收缩率是在得到气干和绝干体积的基础上根据公式

（2）计算而得。

测验基本密度和体积收缩率的试件尺寸均为10×10×壁厚，绝干是在105±2oC的条件下持续烘干48小时直到重量恒定。

湿材体积通过水置换法测得。

（1）

（2）

Wo代表绝干质量单位为g，Vg代表湿材体积单位为cm3，Va代表气干体积单位cm3，Vo代表绝干体积单位cm3。

力学性能，包括抗剪强度SS单位MPa，抗压强度CS单位MPa，静曲强度MOR单位MPa和弹性模量MOE单位GPa的测定均是运用万能力学试验机RGM-4100进行的。

通过下列公式计算得出竹材的SS、CS、MOR、MOR的值。

其中Pmax表示最大负载力，单位（N）；L代表剪切面积的长度，单位（mm）；h代表壁厚，单位（mm）；b表示试件的宽度，单位（mm）；l表示自由跨度，单位（mm）；

是弹性区域的斜度，单位（N/mm）。

测色仪器

颜色测量是使用测色色差计（TCP2）进行的。

色差计光源型号为D65，测量窗口的直径为8毫米。

表色参数（L*a*b*）按照CIELAB颜色系统标准，直接从色差计读取得到并用于颜色的评估。

明度指数的变化（△L*），色品指数a*的变化（△a*），色品指数b*的变化（△b*），总色差（△E*），彩度变化（△C*）和色调差异（△H*）均使用以下公式计算:

△L*=La*-Lo*

△a*=aa*-ao*

△b*=ba*-bo*

△E*=[（△L*）2+（△a*）2+（△b*）2]1/2

△C*=Ca*-Co*

△H*=[（△E*）2-（△L*）2-（△C*）2]1/2

明度指数L*（亮度轴）表示黑白；色品指数a*（红绿轴），正值为红色，负值为绿色；色品指数b*（黄蓝轴），正值为黄色，负值为蓝色。

C*为色度，根据公式C*=[（△a*）2+（△b*）2）1/2。

Lo*,ao*和bo*是未经过老化处理的颜色参数，La*,aa*和ba*是经过老化处理的颜色参数。

数据分析

老化前和老化后的数据分析主要通过SAS（version9.1,SASInstitute,Cary,NC）这个软件和方差分析来确定老化前和老化后硬头黄竹竹材的显著差异。

3结果与讨论

3.1物理性质

无论是老化前还是老化后的硬头黄竹，竹材基本密度的变化特征均为从底部到顶部显著增加。

竹材中部和顶部基本密度较高的原因可能是这些部分的维管束密集。

实验结果显示，老化前硬头黄竹的基本密度为0.6~0.79g.cm-3，老化后的为0.59~0.75g.cm-3。

如图一所示，

图一

老化后的硬头黄竹，基本密度与老化前的相比要低2%~5.3%，其中下降最明显的是竹材顶部，其下降原因可能是细胞壁成分的化学变化，比如半纤维素在热处理周期发生变化（Yildiz2002;Estevesetal.2007;TuongandLi2010;2011）。

与此同时，小分子量物质如单宁、淀粉在蒸煮过程中被热水提取也可能是造成基本密度下降的原因。

图一b

研究发现老化前和老化后的竹材从底部到顶部，其体积收缩性显著下降，这一发现符合Kamruzzamanetal.（2008）和Sattaretal.（1994）的研究结果。

老化前的硬头黄竹底部、中部、顶部的平均体积收缩率分别为15.78%、14.31%、12.50%，而老化后的硬头黄竹其底部、中部、顶部的平均体积收缩率则为14.04%、13.90%、11.26%。

经过人工加速老化后的硬头黄竹其各个部位的竹材体积收缩率均显著下降，其中下降最明显的是竹材的底部（下降率11.0%）。

根据文献记载，木质材料经过热处理后，其半纤维素会发生降解，使材料的尺寸稳定性增加（Kocaefeetal.2008;TuongandLi2010;2011;Yildizetal2011）。

此外，蒸汽预热处理同样会使得硬木和软木的部分半纤维素发生水解（Hsuetal.1988）。

在此次实验中，加速老化的每一个实验周期都包含有蒸汽处理和加热处理，因此，老化后竹材的体积收缩率下降很可能是由于加热处理和蒸汽处理使半纤维素下降引起的。

3.2力学性能

图二

如图2所示，经过加速老化后的硬头黄竹老化前和老化后的力学性能包括（抗剪强度SS,抗压强度CS,静曲强度MOR,弹性模量MOE）均随着竹材高度的增加而显著增加。

其中抗剪强度SS和抗压强度CS的增长趋势与xieetal.（2011;2012）的研究结果相似。

作者在报告中称竹材顶部的力学强度更高的原因可能是因为竹材顶部的基本密度更高。

与老化前的硬头黄竹相比，老化后的硬头黄竹的力学强度下降。

根据方差分析，老化前和老化后的力学性能差异总的来说并不显著，然而加速老化对竹材底部力学性能的影响却十分显著，老化后减少的SS,CS,MOR和MOE平均值分别为18.03%、10.14%、11.53%、10.03%。

此外，各项力学性能下降最显著的均发生在竹材底部。

老化后硬头黄竹竹材的抗剪强度和抗压强度相比老化前的竹材有所下降，这一发现符合Wahabetal.（2005）的研究结果。

通常认为经过加速老化后的竹材抗剪强度下降是因为在老化过程中薄壁细胞组织发生化学变化，而薄壁细胞组织减少的主要原因是给细胞壁提供刚度的半纤维素发生降解所引起的（Hsuetal.1988;Yildiz2002;Estevesetal.2007）。

此外，CS,MOR,和MOE的降低同样反映了竹材横向和纵向纤维强度的损失，即使纤维素在温度低于120OC时降解作用很小（Zouetal.2004;Zhangetal.2013），而纤维强度的损失与纤维素的解聚作用作用相关。

3.3颜色测试

Specimens

CIELAB

△C*

△H*

△E*

L*

a*

b*

Control

Base

36.8±3.6

3.3±3.0

36.2±3.6

—

—

—

Middle

36.9±4.7

2.1±3.7

37.9±6.3

—

—

—

Top

35.1±3.6

1.2±3.9

39.5±5.3

—

—

—

Means

36.3a

2.2a

37.9a

—

—

—

Aged

Base

27.1±5.5

4.0±5.1

16.3±3.7

-19.6±7.1

3.8±2.3

22.1±7.1

Middle

30.4±5.7

3.2±3.2

20.5±2.9

-17.2±2.8

2.8±1.6

18.6±3.8

Top

24.1±5.8

1.8±5.3

20.2±1.3

-19.2±5.5

1.6±1.0

22.2±3.1

Means

27.2b

3.0a

19.0b

-18.7

2.7

21.0

表一

从表一中可以看出老化前和老化后的颜色参数以及颜色参数△C*、△H*和△E*的变化。

经过加速老化后，竹材表皮从奶油色变为浅棕色，说明L*数值的显著下降（△L*=9.1），一般来说经过热处理可以影响木材的明度（Bourgoisetal.1991）。

从竹材高度方向上看，无论老化前还是老化后，竹材中部的颜色相比竹材底部和顶部颜色更浅。

老化后的竹材试件其a*的数值增加，说明老化后的竹材试件（△a*=0.8）相比老化前的试件变得更红了。

根据Sundqvistetal.（2006）的研究结果显示，红颜色的变化可能与奎宁的二次形成有关。

老化前和老化后的竹材的a*的数值均随着竹材高度的增加而递减。

经过加速老化处理后，b*数值下降最为明显，从37.9下降到了19.0（△b*=18.9）。

从高度上来说，从底部到顶部b*数值略有增加。

与此同时，巨大的色度差异（△C*=-18.7）、总色差（△E*=21.0）以及色调差异（△H*=2.7）也被发现。

此外，差异最大的发生在竹材顶部。

Gaoetal.（2008）同样认为木质素经过热处理会形成很多酚羟基，而新形成的酚羟基会使木材的颜色加深。

4总结

老化前和老化后的硬头黄竹的基本密度和力学性能,包括抗剪强度、抗压强度、静曲强度和弹性模量,在高度上从底部到顶部显著增加。

竹材顶部的体积干缩性下降明显。

老化前和老化后的竹材其中部的颜色相比底部和顶部的颜色要浅得多。

加速老化显著影响竹材各部分的力学性能，经过加速老化后而下降的S,SS,CS,MOR和MOE分别为11.0%、18.03%、10.14%、11.53%和10.03%。

此外，老化后竹材的基本密度相比未老化的竹材下降了2.0%~5.3%。

另外，力学性能和体积收缩性下降最显著的部分均是竹材底部。

加速老化改变了竹子的颜色是因为老化后竹材的明度和色度下降，同时，老化后的竹材颜色变淡，变为了浅棕色和浅黄色。

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