四川兩種竹材理化性質(zhì)及纖維形態(tài)分析

彭 博 王傳貴 張雙燕

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院 合肥 230036)

我國改革開放以來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量砍伐林木，造成了森林資源嚴(yán)重緊缺。第八次森林資源清查結(jié)果顯示，雖然森林覆蓋率在逐年增長、質(zhì)量穩(wěn)步提升，但仍舊不能改變我國森林覆蓋率遠遠低于全球31%的水平，人均森林面積也只是世界人均水平1/4的森林資源緊缺現(xiàn)狀[1]。與生長較為緩慢的木材相比，竹材具有生長快、生長周期短等特性，高效利用竹材可以緩解我國木材短缺的問題，起到保護森林資源的作用[2]。

四川地處于亞熱帶，降水豐富，空氣濕度較大，非常利于森林資源的生長。同時四川也是世界竹類植物的起源地帶和現(xiàn)代分布中心之一，竹類資源極其豐富[3]。隨著近年來竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，竹資源利用較為單一，主要依賴毛竹，且現(xiàn)階段毛竹價格居高不下，合理開發(fā)諸如慈竹、綿竹這樣產(chǎn)量高的優(yōu)勢竹材，對于減輕毛竹資源利用負擔(dān)極具研究意義。本研究以四川產(chǎn)的慈竹和綿竹為材料，測定分析了2個竹種的理化性質(zhì)和纖維形態(tài)，以期了解其最佳利用方式，為有效開發(fā)利用四川竹種資源提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

試驗樣品于2017年6月采自四川省瀘州市敘永縣的慈竹林和綿竹林，采集試樣的基本情況見表1。截取試樣，取竹稈中段部位運回實驗室，氣干至含水率12%～15%，然后將試材劈成小薄片，再經(jīng)粉碎機研磨成過篩留40目而不能通過60目的竹粉，放置并貯存于密封袋中，供測試分析使用。

表1 采集試樣的基本情況

1.2 化學(xué)成分測定

按照國家標(biāo)準(zhǔn) 《造紙原料灰分含量測定》(GB/T742-2008)、《造紙原料有機溶劑抽出物含量測定》(GB/T2677-1994)、 《造紙原料酸不溶木質(zhì)素含量測定》 (GB/T2677.8-1994)、 《造紙原料綜纖維素含量測定》(GB/T2677.10-1994)，分別測定2個竹種的竹材化學(xué)成分，測定指標(biāo)包括灰分、苯醇抽提物、酸不溶木質(zhì)素、綜纖維素和纖維素，其中纖維素采用硝酸-乙醇法測得。

1.3 物理力學(xué)性能測定

將試樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》 (GB/T15780-1995)，鋸制成標(biāo)準(zhǔn)試樣后，測定試樣竹材的基本密度、氣干密度和全干密度，并在力學(xué)試驗機上測定竹材的順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。

1.4 纖維形態(tài)測定

分別將慈竹和綿竹試樣劈成火柴棍大小，取適量放入試管中，加入30%過氧化氫溶液和冰醋酸按1∶1配制的溶液中，淹沒試樣，放入70～80℃的恒溫水浴鍋中，直至試樣變白為止，約需6 h。離析后在40倍顯微鏡下測定纖維長度和寬度[4]，并計算長寬比。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材的化學(xué)成分

植物纖維原料中的化學(xué)成分組成表征了其在制漿造紙過程中利用的可行性。慈竹和綿竹化學(xué)成分的測定分析結(jié)果見表2，各項指標(biāo)分析如下。

表2 慈竹和綿竹的化學(xué)成分含量 /%

2.1.1 抽提物

原料中抽提物質(zhì)的存在會增加制漿造紙時蒸煮藥品的藥量，延緩蒸煮時間和進程，甚至?xí)谏a(chǎn)過程中造成不必要的麻煩。本試驗以苯醇為有機溶劑進行抽提，可以從原料中溶解樹脂、脂肪、蠟、色素及可溶性單寧等，苯醇的抽提物含量較其他有機溶劑的抽提物含量稍高。測定結(jié)果顯示，慈竹的抽提物含量高于綿竹，但均小于毛竹的抽提物含量(一般在4.31%～6.48%)[5]，而介于針葉材和闊葉材的抽提物含量之間，一般針葉材為1%，闊葉材為4%[6]。通常，3～4年生的竹材其薄壁細胞數(shù)量多于木材，其內(nèi)含物質(zhì)也較多，因此在竹材利用過程中要更加注重竹材的防腐、抗菌和抗蟲害等問題[7-8]。

2.1.2 綜纖維素和纖維素

植物的綜纖維素 (碳水化合物)含量是衡量其作為制漿造紙或水解工業(yè)原料的重要經(jīng)濟指標(biāo)，含量越高，其可能達到的得率也就越高[4]，若一種植物原料的纖維素含量越大，它的制漿得率也就越大。測定結(jié)果顯示，綿竹和慈竹的綜纖維素含量略高于張齊生等[5]測定的3年生毛竹綜纖維素含量(71.17%)。就纖維素含量而言，綿竹高于慈竹，而此2個竹種又遠高于3年生的毛竹[9]。由此可見，在纖維制造方面綿竹和慈竹均優(yōu)于毛竹。

2.1.3 酸不溶木質(zhì)素和灰分

木質(zhì)素含量亦是衡量植物制漿造紙的重要因素，木素含量越低在成漿過程中耗藥量就越少，而且易于成漿。一定量的木素存在可以加固木質(zhì)化植物的強度，適當(dāng)減少病蟲害的侵害[10]。慈竹和綿竹的木質(zhì)素含量均在24%左右，與3年生毛竹的木素含量(26.56%)[5]接近。

灰分的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅的存在會增加植物原料制漿造紙的困難程度，灰分含量越大，過程中消耗藥品就越多。慈竹和綿竹的平均灰分含量在1.53%左右，是闊葉材的5.5倍、針葉材的3.5倍[6]、毛竹的2倍[5]。

2.2 竹材的物理力學(xué)性能

2個竹種的竹材密度及各項力學(xué)指標(biāo)的測定結(jié)果見表3，并與毛竹的各項力學(xué)指標(biāo)[11]做了對比，分析如下。

2.2.1 竹材密度

不同生長環(huán)境、立地條件等因素會影響竹材的密度，同時密度的大小也影響著竹材本身的力學(xué)強度。從表3可以看出，慈竹的氣干密度、全干密度和基本密度均大于綿竹，而低于毛竹的各項密度指標(biāo)。

表3 竹材各項物理性能指標(biāo)

2.2.2 順紋抗壓強度

竹材的順紋抗壓強度對于結(jié)構(gòu)材來說是重要的力學(xué)性質(zhì)之一[12]。由表3可以看出，慈竹的抗壓強度大于綿竹，結(jié)合它們的基本密度來看，慈竹密度也大于綿竹，這與楊喜[13]研究的竹材密度與力學(xué)強度呈顯著相關(guān)性的結(jié)論一致。與杜文軍[14]測定的黔北慈竹順紋抗壓強度 (62.98 MPa)相比，四川產(chǎn)的慈竹抗壓強度更大些。慈竹和綿竹的順紋抗壓強度均明顯高于毛竹[11]，而且明顯優(yōu)于在闊葉材中力學(xué)強度表現(xiàn)中上等的馬占相思木 (其順紋抗壓強度為60.4 MPa)[15]。由此可見，慈竹和綿竹的抗壓強度較好。

2.2.3 抗彎彈性模量和抗彎強度

竹材的抗彎強度和抗彎彈性模量是結(jié)構(gòu)材最重要的力學(xué)性質(zhì)[12]。測定結(jié)果顯示，慈竹和綿竹的抗彎彈性模量和抗彎強度比較接近，且都明顯高于毛竹的相應(yīng)指標(biāo)[11]，慈竹的抗彎強度更優(yōu)一些。而且四川產(chǎn)的慈竹抗彎強度遠高于黔北地區(qū)的慈竹(143.086 MPa)[14]。

2.2.4 抗剪強度

由表3可以看出，慈竹的抗剪強度大于綿竹，與毛竹的抗剪強度接近。且四川產(chǎn)慈竹的抗剪強度大于黔北地區(qū)的慈竹 (15.97 MPa)[14]。

2.2.5 竹材基本密度與各項強度指標(biāo)間的關(guān)系

上述分析表明，試驗的2種竹材力學(xué)強度均高于毛竹，但是否可以用作建筑、橋梁等承重材來使用還需要看它們的品質(zhì)系數(shù)[15]，即比強度和比彈性模量等強度系數(shù)比值。慈竹的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為31 000、121.32、324.28、23.57，綿竹的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為 32 660、126.1、300.14、22.32。經(jīng)過查閱資料，馬占相思木的強度在國產(chǎn)闊葉材中屬于中上水平且品質(zhì)系數(shù)較高，可以用作承重材料或中高檔家具用材，它的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為 24 741、107.2、326.5、21.3[16]。由此可見，慈竹和綿竹的強度品質(zhì)系數(shù)均較高，可用作承重結(jié)構(gòu)材料。

2.3 竹材的纖維形態(tài)

竹材的纖維形態(tài)是衡量其作為造紙原料優(yōu)劣的重要指標(biāo)，包括纖維長度、寬度、長寬比。慈竹和綿竹的纖維形態(tài)指標(biāo)測定結(jié)果見表4。

表4 慈竹和綿竹纖維形態(tài)指標(biāo)

2.3.1 纖維長度通常造紙用原料的纖維長度為0.4～5.0 mm，在此范圍內(nèi)，纖維長度越長，接觸點就越大，成紙后質(zhì)量就越好。原料的纖維長度過短或過長，均不利于形成良好的紙張[17]。從表4來看，慈竹和綿竹的平均纖維長度分別為0.63和0.67 mm，均小于毛竹的平均纖維長度 (2.18～2.46 mm)[18]。

2.3.2 纖維寬度和長寬比

就纖維寬度而言，綿竹略大于慈竹。朱惠方等[19]認(rèn)為，纖維長寬比大于100時才是優(yōu)質(zhì)的造紙原料，長寬比小于45的則不宜造紙，由表4可知，綿竹和慈竹的纖維長寬比均在45以下，均不適用于造紙。

2.3.3 纖維長度分布

用纖維長度分布可以評判其植物纖維原料是否符合造紙標(biāo)準(zhǔn)的要求。由圖1可知，對于慈竹而言，有32%的纖維長度分布為500～1 000μm，有31%的纖維長度分布為1 000～1 500μm，而長度分布為2 500～3 000μm的纖維較少；對于綿竹而言，有37%的纖維長度分布為500～1 000μm，有24%的纖維長度分布為1 000～1 500μm，而長度分布為3 000μm以上的纖維只占1%左右。根據(jù)國際木材解剖協(xié)會規(guī)定，長度大于1 600μm的纖維屬于長纖維。從圖1可知，2種竹材的纖維長度分布分別多為500～1 000和1 000～1 500μm，而在制漿過程中所需要的長纖維分布較少[20]。

圖1 綿竹和慈竹纖維長度分布

3 結(jié)論

1)從慈竹和綿竹的化學(xué)成分上看，2個竹種的抽提物含量均小于毛竹，而介于針葉材和闊葉材之間；2個竹種的綜纖維素含量略高于毛竹，纖維素含量高于3年生的毛竹；2個竹種的木質(zhì)素含量與毛竹接近，但灰分含量遠高于毛竹、闊葉材和針葉材。表明綿竹和慈竹在制漿性能方面不及毛竹及造紙原料用木材。

2)從慈竹和綿竹的物理力學(xué)特性上看，2個竹種的各項密度指標(biāo)略低于毛竹，但相差不多；2個竹種的順紋抗壓強度均明顯高于毛竹，而且明顯優(yōu)于強度較高的闊葉材馬占相思木；2個竹種的抗彎彈性模量和抗彎強度比較接近，且都明顯高于毛竹，四川產(chǎn)的慈竹抗彎強度遠高于黔北地區(qū)的慈竹；慈竹的抗剪強度大于綿竹，與毛竹的抗剪強度接近，且四川產(chǎn)慈竹的抗剪強度大于黔北地區(qū)的慈竹。慈竹和綿竹的物理力學(xué)指標(biāo)表明，2個竹種力學(xué)強度均較大，可以用作結(jié)構(gòu)用竹或建筑用竹。

3)從慈竹和綿竹的纖維形態(tài)上看，2個竹種的纖維長度分別為0.63和0.67 mm，均小于毛竹；2個竹種的纖維長寬比均在45以下，纖維長度分布分別多為500～1 000和1 000～1 500μm，而在制漿過程中所需要的長纖維分布較少。這些特性均表明，慈竹和綿竹均不適于作為造紙原料。

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