慈竹防霉处理工艺及其对力学性能影响的研究

杨凌云，黄仲华

（1.四川城市职业学院，四川 成都610101；2.四川省林业科学研究院，四川 成都610081）

慈竹（Neosinocalamus affinis）禾本科，主干高5-10 m，直径4-8 cm，节长可达60 cm，竹壁薄，竹质柔软，韧性大，劈裂性好，被广泛应用于制作竹编工艺品、建筑用材、造纸，也可用于生产重组竹、竹地板、竹家具等产品，广泛分布于我国西南地区，尤其在四川地区其资源十分丰富［1］。

竹材由于富含大量淀粉、糖分等营养物质，极易产生霉菌、腐朽菌、变色菌等真菌［2-4］，滋生大量微生物，导致竹材发霉腐烂、变色等缺点［5］。除此之外，竹材还极易受环境影响［6］，户外用竹材由于长时间暴露在阳光，雨水，湿气等环境下，极易发霉，影响竹材光泽度和力学强度。因此，竹材的防霉处理研究至关重要。

为了提高竹材的防霉性能，国内外对竹材防霉已有不少研究。西南林业大学宋广采用不同处理工艺对竹材的吸药性能和抗流失性能进行了研究，证明处理压力和预处理条件，对竹材的吸药性具有重要影响［7］。本研究考虑到竹材因其表面含有蜡质层，药液难渗透的特点，采用高温加压处理方法，增强药剂渗透性，提升防霉持效性。研究以四川慈竹为试验材料，进行防霉处理并对其进行力学强度检测，以期为户外慈竹应用提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 慈竹 采自四川崇州市道明镇混生竹林，试验选取2～3 a生慈竹的中间部分截断剖取竹条，气干后备用。

1.1.2 防霉剂 竹木防霉剂，型号：AEM5700-L2，广州佳尼斯抗菌材料有限公司研制生产。该防霉剂为无毒有机硅季铵盐防霉剂，是绿色环保的防霉剂，不含对人体和环境有害的物质。并且耐高温，详见表1。

表1 AEM5700-L2防腐防霉剂主要性状Tab.1 Main properties of AEM5700-L2 mould inhibitor

1.2 仪器设备

蒸煮灭菌锅，型号XFS-280；电热鼓风干燥箱，型号CS101-3EB；推台锯；带锯；电子天平，品牌梅特勒-托利多；微机控制万能力学试验机，MTSMWD-W50。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制备 根据GB／T 18261-2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》及GB／T 13942.1-2009《木材耐久性能 第1部分：天然耐腐性实验室试验方法》中对试件尺寸要求，将慈竹锯切成试件，防霉试验试件尺寸为20 mm×20 mm×10 mm，每种处理工艺10个试件。防霉处理之前，将锯制完成的试件放入恒温恒湿箱中在温度25℃、相对湿度65%条件下平衡处理。

1.3.2 防霉处理 配置一定浓度防霉剂待用，采用L9（33）正交试验方案进行防霉处理，设备的浸渍压力随温度升高而升高，110℃对应的压力0.05 MPa，120℃对应的压力0.1 MPa，130℃对应的压力0.15 MPa.选择防霉剂浓度、加压时间、浸渍温度为试验因素，制定正交试验方案，各处理因素及水平见表2。

表2 防霉处理工艺正交试验L9（33）设计方案Tab.2 Design of the orthogonal test L9（33）for mould proof treatment

1.4 测试指标和方法

将载药量试件防霉处理前分别称重后，放入浸渍罐，加入防霉剂溶液按照各处理工艺参数浸渍处理，浸渍处理结束后取出试样，擦去表面余液，称重记录。试样防霉剂的载药量L为试件防霉处理前后重量增加与试件表面积的比值，取平均值，单位为g／m2，按下式计算：

式中，M2为试件处理后重量，M1为试件处理前重量，单位g；C为防霉剂浓度，单位%；S为试件6个表面积之和，单位mm2。

2 慈竹载药量测试及结果分析

表3显示了慈竹载药量的极差分析情况，由表中数据可知，药剂浓度所对应的极差值最大，为1.58，因此，药剂浓度是主要影响因子，而加压时间和浸渍温度对应极差值分别为1.02和0.85，为次要因子。在防霉处理工艺中，影响载药量的因素主次关系为：药剂浓度＞加压时间＞浸渍温度，即防霉剂浓度对载药量影响最大，加压时间次之，最后是浸渍温度。

表3 慈竹载药量极差分析表Tab.3 Range analysis for mould inhibitor loading of Neosinocalamus affinis

为了分析药剂浓度、加压时间及浸渍温度对载药量的影响显著性，继续对正交试验结果进行方差分析，结果见表4。

表4 慈竹载药量正交试验方差分析Tab.4 ANOVA of the orthogonal test for mould inhibitor loading

正交试验方差分析结果表明，药剂浓度对慈竹载药量具有显著影响，加压时间和浸渍压力对慈竹载药量的影响不显著。药剂浓度为2.5%时，载药量达到最大值，随着药剂浓度的逐渐增加，慈竹的载药量先增后降，结合上文正交试验极差分析结果，表明药剂浓度是影响载药量的最重要因素，且药剂浓度适合为佳，不宜过低也不宜过高，过低浓度会造成载药量的不足，过高浓度不仅会造成载药量的下降，同时造成防霉药剂的浪费。

图1 加压时间和浸渍温度对慈竹材载药量的影响Fig.1 Effect of pressure duration and impregnation temperature on mould inhibitor loading of Neosinocalamus affinis

图1中A图表示加压时间对慈竹载药量的影响。随着处理时间的增加，载药量出现了先增后降的变化趋势，增速和降速较缓，因此，在防霉处理时，应选择合适的加压时间，仅通过延长处理时间反而会造成载药量的下降，进而影响防霉效果。

图1中B图显示了浸渍温度与载药量的关系。由于实验用的浸渍罐是靠温度控制压力，温度越高，压力越大。随着浸渍温度增加，压力增加，载药量也随之增加，当浸渍温度达到130℃时，载药量达到最大。分析其中原因，温度和压力的提高有助于防霉剂更多更快地注入竹材内部，但在瞬间卸压过程中，适当的高压力能使防霉剂更好的渗入竹材内部，使载药量上升。所以在竹材防霉处理时应控制浸渍温度，不仅能提高载药量，提高防霉处理效率，还能减少防霉工艺能耗，降低成本。

综上所述，确定慈竹的防霉处理工艺为：药剂浓度2.5%、加压时间60 min、浸渍温度130℃。

3 户外自然腐朽霉变对防霉处理慈竹材力学性能的影响

3.1 试验工艺流程

慈竹经过气干达到稳定平衡含水率后，从每株约2 m长的竹段中，选择无明显缺陷及竹青无损伤，节间长度在200 mm以上的两节竹筒。参照国家标准GB／T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》分别锯制3种竹材的抗弯强度、顺纹抗压强度及抗拉强度试件，抗弯强度试件尺寸为：160 mm×10 mm×t mm（竹壁厚）；顺纹抗压强度试件尺寸为：20 mm×20 mm×t mm（竹壁厚）；抗拉强度试件尺寸为：280 mm×10 mm×t mm（竹壁厚），每种力学性能试件锯制60个，每种处理工艺6个试件。以研究确定的最佳防霉工艺参数处理慈竹力学性能试件，并设置对照组试件，对照组试件为处理后未放置户外的试件，测试处理后试件的抗弯强度、顺纹抗压强度、抗拉强度，与对照组对比分析，确定防霉处理工艺对慈竹力学性能的影响，利用SPSS软件对测试结果进行单因素方差分析，结果见表5、表6和表7。

表5 不同处理条件下慈竹力学性能测试值Tab.5 Mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo under treatments

表6 户外自然霉变前后慈竹的力学性能方差分析Tab.6 ANOVA of mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo before and after outdoor natural mildew

表7 不同条件下慈竹力学性能比较Tab.7 Comparison of mechanical properties of Neosinocalamus affinis bamboo under different conditions

3.2 户外自然霉变试验

处理组试件处理后在50℃烘箱中烘2 h后，与未处理组一同放置在户外，待其自然霉变，样品放置时间：2018年9月15日-11月4日，共50 d，对照组放在室内通风处等待力学性能测试。时间满后将试件取回待测。

3.3 力学性能测试及结果分析

参考国家标准GB／T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》测定慈竹处理组、未处理组和对照组力学性能试件的抗弯强度、顺纹抗压强度和抗拉强度。

表5是未防霉处理放置户外50 d、防霉处理后放置户外50 d和对照3组慈竹试样力学性能试验数据对比，由此表可知，防霉处理过和未经防霉处理的慈竹材在户外放置50 d后，抗弯强度、顺纹抗压强度和抗拉强度均低于对照组。结果表明，与对照组相比，未经防霉处理的慈竹材在户外放置50 d后，抗弯强度下降了11.7%、顺纹抗压强度下降了18.8%、抗拉强度下降了9.8%；经过防霉处理的慈竹材在户外放置50 d后，与对照组相比抗弯强度下降了0.2%、顺纹抗压强度下降了5.1%、抗拉强度下降了0.3%。进而对3组试样的力学性能进行方差分析，从表4-7的显著性分析可知，放置户外50 d的未经过防霉处理慈竹材、放置户外50 d的经过防霉处理的慈竹材与对照组的抗弯强度、顺纹抗压强度和抗拉强度均表现出显著差异。

将3组试样的力学性能进行两两比较，由表7可知，未经防霉处理的慈竹材的抗弯强度、顺纹抗压强度及抗拉强度与经过防霉处理后试样的抗弯强度、顺纹抗压强度及抗拉强度差异显著，与对照组的3者力学性能也呈现显著差异；经过防霉处理的慈竹材的抗弯强度、顺纹抗压强度及抗拉强度与对照组的抗弯强度、顺纹抗压强度及抗拉强度差异不显著。

图2 已处理和未处理慈竹材与对照组力学性能比较Fig.2 Comparison of mechanical properties of the treated and untreated Neosinocalamus affinis bamboo with the control

4 小结

本实验选用无毒有机硅季铵盐防霉剂对慈竹进行加压浸渍处理，通过研究处理后竹材和未处理竹材在户外放置50 d后力学性能的变化，并与对照组竹材的力学性能进行对比分析，考察防霉处理对户外用竹材力学性能的影响，得到如下结论：

（1）在慈竹防霉处理工艺中，影响载药量的工艺参数主次关系为：药剂浓度＞加压时间＞浸渍温度，即防霉剂浓度对载药量影响最大，加压时间次之，最后是浸渍温度。在后续的竹材防霉处理中，应首先选择调整防霉剂浓度使之达到目标载药量。慈竹的防霉最佳处理工艺为：药剂浓度2.5%、加压时间60 min、浸渍温度130℃。

（2）在户外放置50 d后，未经防霉处理的慈竹材的主要力学性能显著低于经过防霉处理的慈竹材和对照组慈竹材。其中，与对照组相比，未经防霉处理的慈竹材在户外放置50 d后，抗弯强度下降了11.7%、顺纹抗压强度下降了18.8%、抗拉强度下降了9.8%；经过防霉处理的慈竹材在户外放置50 d后，与对照组相比抗弯强度下降了0.2%、顺纹抗压强度下降了5.1%、抗拉强度下降了0.3%，且在0.05水平下，未处理慈竹材和处理过慈竹材及对照组差异显著，处理过慈竹材和对照组差异不显著。