热处理对毛竹静态和动态吸附行为的影响植被类型下毛竹）

摘要

热处理对毛竹吸湿行为的影响(植被类型下毛竹)，特别是在动态吸附条件下。将毛竹分别加热至180℃和200℃，分别加热8 h，研究毛竹在正弦相对湿度(RH)和恒湿条件下的化学成分和吸附行为。化学成分分析结果表明，综纤维素、α-随着处理温度的升高，纤维素和半纤维素含量降低，而木质素含量略有增加。恒定相对湿度下的静态吸附结果表明，200°C处理的竹子的含水量和吸湿系数最低。动态吸附行为的结果表明，水分含量呈正弦变化，但滞后于触发的正弦RH变化。由于半纤维素的去除，热处理的竹子表现出更大的相位滞后和更小的含水率和吸附滞后幅度。

1.导言

竹子，在强度和成本方面被认为是一种有吸引力的天然材料[1]由于其快速增长、可负担性、可加工性和高机械阻力[2]，广泛用于轻型建筑材料、围栏、脚手架和乐器[3.]．近年来，竹子被开发生产以竹子为基础的复合材料，以提高其附加值，如竹胶合板[4、竹片层压木材[5，6，竹刨花板[7和竹纤维增强聚合物复合材料[8]．

然而，与其他生物基材料一样，竹子本身具有吸湿性，暴露在潮湿或水中，容易发生尺寸不稳定，这极大地限制了它的应用[9]．热处理已被证明是提高木材和木制品尺寸稳定性的有效途径，人们对木材的热处理进行了大量的研究[10- - - - - -14]．这些研究表明，在热处理过程中，细胞壁组分发生了热降解，减少了亲水羟基的数量，从而增加了木材的疏水性。最近，热改性技术也被用于改善竹子的性能，以木材的热处理为参考。过去曾就热处理工艺进行过一些相关研究[15]，颜色变化和尺寸稳定性[16]，机械性能变化[1，9，16]，以及热处理的耐久性[17]．结果表明，热处理是一种绿色、环保的改性方法。在导热介质的帮助下，仅通过加热就可以改变竹子的物理化学性能。这些性能的变化与热处理的温度、时间和介质等工艺参数密切相关。热处理温度和时间的增加导致竹子的弹性模量和抗弯强度降低[9，16]经200°C处理的竹子弯曲强度下降31-60%[3.]．Wahab等人发现热处理竹材的平衡含水率明显低于未处理竹材，吸湿量越低，竹材的尺寸稳定性越好[17]Azadeh和Ghavami的结果还表明，增加热处理温度和时间会降低竹子的吸湿性[2]。关于热处理竹子的吸湿性能，这些研究是在恒定相对湿度（RH）的静态条件下进行的。然而，事实上，当竹子被利用和加工时，相对湿度正在变化，这可以被视为近似正弦变化[18]在此，研究了热处理对正弦相对湿度下的动态吸附行为及其在恒定相对湿度下的静态吸附行为的影响，这有助于更好地控制使用中竹制品的水分和尺寸稳定性。

2.材料和方法

２.１.材料准备

毛竹竹(毛竹)， 4岁大，产于浙江安吉。其直径7 ~ 10 cm，壁厚7 ~ 10 mm。将竹秆锯成长50毫米、宽20毫米、厚5毫米的小竹条，剥去内外竹皮。竹条在85°C下干燥24小时，水分含量约为10%。然后将样品置于20°C、50%相对湿度的空调室内保存2周。

2.2. 热处理

棉条在103℃下烘干，并在热处理前称重。将干燥样品置于烘箱中的铁桶中，并分别在180℃和200℃下加热8小时 H以红糖砂烤板栗为灵感，将竹材样品覆盖在沙子上作为保护介质，使竹材样品受热均匀，避免燃烧。沙子通过40 mm的筛子，并在试验前手动移除任何玻璃或石块，以获得均匀的混合物。然后，取出样品，用水冲洗，再次烘干。

2．3.化学成分

在进行化学分析之前，对热处理前后的竹条进行研磨并通过40-60目筛。

2.3.1.全纤维素

根据GB/T 2677.10-1995测定了全纤维素的含量₈H₁₀O） 用该方法提取了2种竹粉 g（精确到0.0001 g） .然后，粉末中注入65 mL蒸馏水，置于75°C水浴中。粉末用0.5%溶液处理 毫升醋酸（CH_3.COOH）和0.6 g亚氯酸钠（NaClO₂)，直到它们变成白色。过滤洗涤至中性后，用丙酮洗涤三次，置于105±2℃烘箱中烘干，至恒重。综纤维素的含量由 在哪里(g)为样品的烘箱重量和（g） 是提取的全纤维素的烘干重量。

重复上述步骤；取两次测量的算术平均值作为结果。两次测量之间的误差不应超过0.4%。

2.3.2。α纤维素分析

内容α-纤维素按GB/T 744-1989测定 g（精确到0.0001 g） 从切片中获得的烘箱干燥的全纤维素2．3.1与质量分数为17.5%的30ml NaOH混合。25℃水浴45 min后，加入30 mL蒸馏水，用质量分数9.5%的25 mL NaOH过滤3次，再用400 mL蒸馏水洗涤。接下来，将残基加入CH_3.COOH和系统保持5分钟。完成真空过滤过程，除去乙酸，洗涤残渣，直到滤液不再呈酸性。最后，残渣在105±2°C的烘箱中烘干，达到恒重。内容α-纤维素的计算方法为： 在哪里（g） 是提取的全纤维素的烘干重量，(g)为萃取物的烘干重量α-纤维素，和(%)为综纤维素含量。

重复上述步骤；取两次测量的算术平均值作为结果。两次测量之间的误差不应超过0.4%。

2.3.3.半纤维素

用Zhao等人提出的方程估算竹子样品中半纤维素的含量[19]．

2.3.4. 酸不溶木质素

酸不溶性木质素(简称木质素)含量按GB/T 2677.8-1994测定。首先,C₈H₁₀O提取竹粉1 g(精确为0.0001 g)。用15ml硫酸(H₂所以₄)，将质量分数为72%的竹粉放入20°C水浴2.5 h。然后加入蒸馏水，直到总体积达到560 mL，在100℃煮沸。在此期间，连续加入蒸馏水，使总积保持在560ml，然后静置，沉淀木质素。木质素的含量由 在哪里(g)为烘干后的竹粉重量和（g） 是收集的木质素的烘干重量。

重复上述步骤；取两次测量的算术平均值作为结果。两次测量之间的误差不应超过0.2%。

2.3.5.热水提取物

热水浸提物(简称浸提物)含量按GB/T 2677.4-1993测定。在200 mL蒸馏水中加入竹粉约2 g(±0.1 mg)，温度为95-100℃。将混合物置于100°C水浴3h后，放入回流冷凝管中。在用蒸馏水洗涤之前，该溶液用沥青烧结玻璃坩埚过滤。然后将残留物在烘箱中烘干，以达到恒重。提取液含量计算公式如下: 在哪里（g） 是竹粉和竹粉的烘干重量（g） 是热水提取后样品的烘干重量。

重复上述步骤；取两次测量的算术平均值作为结果。两次测量之间的误差不应超过0.2%。

2.4.恒定相对湿度下的静态吸附

将从2.3中获得的热处理竹粉和未处理竹粉放入盒子中，然后将盒子转移到含有饱和盐溶液（NaCl、K）的3种干燥器中₂有限公司_3.在25°C恒温的空调室内。三种盐溶液的相对湿度分别为75%、45%和11%。每24小时，将样品从干燥器中取出并称重，直到其重量达到恒定重量。每种条件下重复标本数为6个。恒定RH下的含水率为6个样品的平均值。

2．5．Hailwood-Horrobin吸附理论

利用H-H吸附理论研究了热处理竹材和未处理竹材的吸附行为[20.]．在理论上，木材的吸附等温线可以用抛物线来描述 在哪里为相对湿度，米是竹子的含水量，是平衡常数，含水的竹子是由溶解的水和干燥的竹子形成的，是溶解的水和水蒸气之间的平衡常数，W是木材的摩尔质量，和18/W是与所有可用吸附位置完全水合作用相对应的含水量。

水合水( ）溶解水( ）可以进一步弄清楚吗

2.6.正弦相对湿度下的动态吸附

热处理样品和未处理样品在20°C条件下，在45%相对湿度下进行调节，并进行循环相对湿度振荡，在20°C恒温下，相对湿度在75%和45%相对湿度之间呈正弦变化。在动态吸附之前，将所有样品放置在K的饱和盐溶液上₂有限公司_3.（相应的相对湿度为45%）在10天内进行预处理。动态吸附试验在预处理烘箱（DHS 225，YaShiLin Co.，Ltd.，北京）中进行[21]．RH变化4个循环，每个循环6 h。按照预定的计划，调节箱内的RH按离散步骤进行编程。RH(灵敏度±1%)由温度记录仪(TR-72Ui, T和d Co.， Ltd, Japan)监测，该记录仪放置在试样附近。在实验过程中，每隔5分钟用电子分析天平(ME104E, Mettler-toledo Co, Ltd, Columbus, OH, USA)测量重量变化(灵敏度±0.1 mg)。在整个动态测试过程中，测量数据可由个人电脑自动记录，无需打开炉门。

3.结果与讨论

3.1.化学成分

化学成分分析结果表明，综纤维素和半纤维素的含量在热处理后呈下降趋势，并随温度的升高而持续下降1）.相对含量α-纤维素的含量略有下降，而木质素和抽提物的含量有所增加，这与Lee等人报道的结果一致[15]．

3.2.恒定相对湿度下的静态吸附

数字1显示样品在不同湿度下的平衡水分含量(EMC)。在任何湿度条件下，热处理样品的电磁兼容性均低于未处理样品，且热处理温度越高，竹材的电磁兼容性越低。这是因为热处理过程中的化学变化导致了能够吸收结合水的位点数量的减少[12]．利用这些数据，(6)和(7)，其值汇总见表2．

从表中可以看出2，所有样品的值约为0.9，与实木的值相似[22]．所有18/的值W竹粉的含量在3%到4%之间。换句话说，当所有可用羟基被单层吸附水饱和时，样品的MC应在3%到4%之间。18/W样本之间的值表明18/W热处理样品的值低于未处理样品，表明热处理后由于半纤维素的部分去除，自由羟基减少。热处理样品在200°C时的半纤维素损失高于180°C时的半纤维素损失（表1）1)，因此，前者的最低值为18/W价值。

根据H-H吸附理论，使用竹子样品的EMC计算的吸附等温线如图所示2．拟合曲线与实验数据吻合较好，验证了表中数据的有效性。样品的最终吸水读数依次为:未处理样品> 180℃热处理样品> 200℃热处理样品。

数字3.显示水合水和溶解水样品的MC。水合水和溶解水的含量均表现出一种趋势，即未经处理的样品显示出最高的MC，然后是180°C下的热处理样品和200°C下的热处理样品。此外，热处理后，竹子的水合水含量显著降低（图2）3（a））.

水分吸附系数是每单位相对湿度下木材MC的变化，通常用作评估木材吸湿性的指标。相对湿度范围为45%至75%的样品的系数( ）表中列出了这些参数2.可以发现未经处理样品的平均值为0.19，接近28种木材的值（0.20）[23].下热处理样品的数值表明吸湿性下降。

３．３．在正弦RH下的动态吸附

数字4显示了热处理样品和未处理样品在4个周期内对正弦相对湿度的一般MC响应。可以清楚地看到，所有样品的mc都随着RH的正弦变化而呈正弦变化，但在相位上滞后于RH的变化。

从图中可以看出4，三种样品的MC起始点不同，这与静态吸湿一致。这是因为在开始动态吸湿之前，经过长时间的湿度调整后，它们已达到各自45%RH的EMC。表格3.列出了所有样品在动态条件下的MC响应幅值和MC从RH 45%到75%的增量。未处理样品振幅最大，200℃热处理样品振幅最小。这是因为半纤维素的减少减少了吸湿部位。与静态吸湿结果相比，当相对湿度由45%变为75%时，动态条件下所有样品的MC增量均小于静态条件下(表1)3.).由于相对湿度呈正弦变化，竹子不再有足够的时间在规定的湿度下达到EMC。

MC的相位滞后反映了对RH变化的响应速度。相位滞后越大，对RH变化的响应越低。从图中可以看出4，热处理后的竹材表现出比未处理竹材更大的相位滞后，表明热处理后的水分传质速率较低。

数字5为图中第3波波谷点和第4波波谷点之间200℃热处理样品的MC数据4在正弦相对湿度下，可以观察到明显的吸附滞后。计算了所有样品的最小滞后比“Ads.MC/Des.MC”（表1）3.）.热处理后，磁滞比减小，且与热处理温度成反比，这可以用弛豫理论解释。吸附滞后主要受半纤维素软化的影响。因此，半纤维素部分去除后，吸附迟滞现象会随之减少。

4.结论

本文研究了在恒定相对湿度条件下，热处理对竹材吸附行为的影响，以及在正弦相对湿度条件下竹材的动态吸附行为。竹材经热处理后，半纤维素含量大大降低。在恒定条件下，未经处理的竹材含水率和吸湿系数最高，其次是180℃热处理的竹材和200℃热处理竹材。在动态条件下，所有样品的水分含量均呈正弦变化，但滞后于触发的相对湿度正弦变化。热处理样品的含水量振幅减小，相位滞后增大。热处理后半纤维素的去除也降低了竹材的吸附滞后。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到中国国家自然科学基金（31870550, 31470591号）的资助。

工具书类

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