綠竹竹齡和竹稈徑向部位對(duì)纖維形態(tài)特征的影響

李權(quán)　巫其榮　胡吉萍

摘要：分析了綠竹竹齡和竹稈徑向部位對(duì)纖維的長(zhǎng)度及其分布頻率、寬度、長(zhǎng)寬比、壁厚、腔徑、壁腔比的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，竹壁中層纖維的長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比較大，內(nèi)層纖維較??；纖維寬度和壁腔比則是竹壁外層纖維較大，內(nèi)層纖維較?。焕w維腔徑為竹壁內(nèi)層纖維較大，中層和外層纖維較小。不同竹齡的綠竹纖維長(zhǎng)度在1687～1961 μm之間，屬長(zhǎng)纖維類型；纖維寬度在119～176 μm之間，長(zhǎng)寬比為104～147；纖維雙壁厚隨竹齡增加而增大，而纖維腔徑隨竹齡的增加而減小。大部分綠竹纖維的長(zhǎng)度分布集中在1000～2500 μm之間，長(zhǎng)度分布頻率約為76%～86%。

關(guān)鍵詞：綠竹；竹齡；纖維形態(tài)；纖維長(zhǎng)度分布頻率

中圖分類號(hào)：TS721+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011981/jissn1000684220180213

綠竹[Dendrocalamopsis oldhami （Monro） Keng f]俗稱“馬蹄綠”，其竹筍營(yíng)養(yǎng)豐富，竹材可用于制漿造紙、生產(chǎn)纖維板以及燒制竹炭等[1]。竹材的纖維形態(tài)是判定其是否適用于制漿造紙的決定性因素，其中，纖維長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)造紙和纖維板原料品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。在一定范圍內(nèi)，纖維越長(zhǎng)，紙張撕裂度、抗張強(qiáng)度、耐破度和耐折度就越大。用長(zhǎng)度小于05 mm的纖維，很難生產(chǎn)出合格的纖維板。長(zhǎng)寬比越大，則纖維交織能力越好，最終產(chǎn)品強(qiáng)度越高。同時(shí)，壁腔比也是造紙行業(yè)衡量纖維質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[23]。

影響竹材纖維形態(tài)特征的因素很多，包括竹齡、竹稈徑向部位和垂直部位等。竹齡會(huì)影響竹材的密度，進(jìn)而影響竹材纖維的壁腔比和長(zhǎng)寬比等。因此，本實(shí)驗(yàn)研究了綠竹的纖維形態(tài)，以了解竹齡和竹稈徑向部位對(duì)綠竹纖維形態(tài)的影響規(guī)律，以期為綠竹的定向培育及高效合理利用提供重要依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

11試驗(yàn)地概況

南平市地處福建省北部、閩江上游，地貌特征以丘陵、山地為主，森林資源豐富，素有“南方林海”和“中國竹鄉(xiāng)”之稱。南平市順昌縣埔上鎮(zhèn)地處北緯N27°00′，東經(jīng)E118°02′，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量16969 mm，土壤以紅壤為主，土層深厚，土質(zhì)肥沃，年平均氣溫為185℃，年均濕度82%，全年日照18566 h。

12實(shí)驗(yàn)用原料

按國家標(biāo)準(zhǔn)《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》（GB/T 15780—1995）采集綠竹樣竹，在竹子分布均勻和生態(tài)條件相對(duì)一致的林區(qū)內(nèi)按規(guī)格伐取樣竹。每個(gè)竹齡段各伐取15株，離地05 m伐倒后并做好北向標(biāo)記。樣竹信息如表1所示。從每株竹稈基部截取長(zhǎng)度2 m的竹段并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室以供實(shí)驗(yàn)分析用。

13實(shí)驗(yàn)方法

131取材

將截取得到的長(zhǎng)度2 m的綠竹竹段在離地高度05 m處截取長(zhǎng)度約為5 cm的竹環(huán)，在每個(gè)竹環(huán)的北向處截取5 mm寬的竹片，將所得竹片按壁厚三等分剖開作為竹壁徑向部位，即竹壁內(nèi)層、中層和外層的測(cè)定試樣。每個(gè)竹齡的15株試樣用于測(cè)定纖維長(zhǎng)度、寬度。對(duì)于每個(gè)竹齡竹樣，從伐取的15株樣竹中隨機(jī)選取3株試樣用于測(cè)定纖維壁厚及腔徑。

132綠竹材纖維長(zhǎng)度和寬度的測(cè)定

將綠竹竹片劈成寬1 mm、長(zhǎng)度20 mm的竹梗并置于試管中，往試管中加水至沒過試樣，再把試管放入鋁鍋中沸水煮3 h直至試樣下沉。倒去試管中的水分，按許爾茲法（Schurse）進(jìn)行離析（氯酸鉀、60%的硝酸、水的質(zhì)量比為1∶2∶1）。向試管內(nèi)加入清水1 mL及60%的硝酸2 mL，加熱沸騰約1 min，產(chǎn)生黃色氣體，然后投入固體氯酸鉀08 g繼續(xù)加熱，直至竹材顏色變白。倒出藥液，冷卻后用清水沖洗數(shù)次，然后向試管中加入適量的水，用拇指按住試管口振蕩，使竹樣自行分離得到竹纖維。取少量制備好的竹纖維于載玻片上，并將載玻片放在顯微鏡下以測(cè)定綠竹材的纖維長(zhǎng)度和寬度。

133綠竹材纖維壁厚和腔徑的測(cè)定

將綠竹試樣加入到裝有3/4清水的試管中并放入水浴鍋中進(jìn)行蒸煮軟化至試樣下沉后，再繼續(xù)蒸煮4 h，使試樣充分軟化。對(duì)蒸煮軟后的試樣進(jìn)行切片，切片材料用番紅染液染色制片，將制片放在顯微鏡下并測(cè)定60根纖維的壁厚和腔徑。

2結(jié)果與討論

21竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維長(zhǎng)度的影響

竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維長(zhǎng)度的影響如圖1所示。1、2、4、6年生的綠竹材纖維長(zhǎng)度平均值分別為：1746、1687、1831、1961 μm。根據(jù)國際木材解剖學(xué)家協(xié)會(huì)理事會(huì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，纖維根據(jù)長(zhǎng)度可分為3級(jí)：L≤900 μm為短纖維，900 μm1600 μm為長(zhǎng)纖維。綠竹材纖維平均長(zhǎng)度均大于1600 μm，因此，其屬于長(zhǎng)纖維。

不同竹齡和竹稈徑向部位綠竹材的纖維長(zhǎng)度存在一定差異[45]。由圖1可知，綠竹材纖維長(zhǎng)度在竹稈徑向部位的變化規(guī)律為竹壁中層和外層纖維較長(zhǎng)，內(nèi)層纖維較短。綠竹材纖維平均長(zhǎng)度在同竹稈徑向部位，不同竹齡間的變化表現(xiàn)為先隨竹齡的增加而減??；當(dāng)竹齡超過2年后，纖維平均長(zhǎng)度則隨著竹齡的增加而增大。

22竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維寬度的影響

竹齡和竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維寬度的影響如圖2所示。4種不同竹齡綠竹材的纖維寬度在119～176 μm內(nèi)，其中纖維寬度最短為1年生的竹材，最長(zhǎng)為4年生的竹材。

綠竹材纖維寬度在竹稈徑向部位的變化規(guī)律為竹壁外層纖維較大，中層和內(nèi)層纖維較小。同竹稈徑向部位的綠竹材纖維寬度先隨著竹齡的增加而增大，但竹齡超過4年以后，則纖維寬度減小。

23竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維長(zhǎng)寬比的影響

長(zhǎng)寬比是衡量造紙用纖維質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，纖維長(zhǎng)寬比越大，則成紙撕裂度、抗張強(qiáng)度、耐破度、耐折度和柔韌性越好。一般認(rèn)為，長(zhǎng)寬比大于35～45的纖維可形成良好的交織[6]。竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維長(zhǎng)寬比的影響如表2所示。

從表2可知，竹齡為1、2、4、6年的纖維長(zhǎng)寬比均值分別為：147、110、104、122，均符合造紙用原料的要求。同竹齡的綠竹材纖維長(zhǎng)寬比在竹稈徑向部位的變化規(guī)律為竹壁中層纖維長(zhǎng)寬比較大，內(nèi)層和外層纖維長(zhǎng)寬比較小。同竹稈徑向部位的綠竹材纖維長(zhǎng)寬比在不同竹齡間的變化為前4年生的纖維長(zhǎng)寬比不斷減小，竹齡為6年時(shí)纖維長(zhǎng)寬比變大，且各個(gè)竹稈徑向部位纖維長(zhǎng)寬比的變化趨勢(shì)一致。

24不同竹齡綠竹材纖維長(zhǎng)度的分布頻率

根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)將纖維長(zhǎng)度分為0～500 μm、500～1000 μm、1000～1500 μm、1500～2000 μm、2000～2500 μm、2500～3000 μm、3000～3500 μm、3500～4000 μm共8個(gè)等級(jí)，本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同竹齡綠竹材各長(zhǎng)度等級(jí)纖維的數(shù)量及其所占比例（對(duì)纖維總數(shù)），結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，各竹齡綠竹材纖維長(zhǎng)度小于1000 μm的纖維分布頻率都較?。欢L(zhǎng)度在1000～1500 μm的纖維分布頻率均超過了15%；長(zhǎng)度在1500～2000 μm的纖維分布頻率均超過30%；各竹齡竹材的纖維長(zhǎng)度為2000～2500 μm的分布頻率差別較大；長(zhǎng)度在2500～3000 μm區(qū)間的纖維分布頻率相對(duì)較小，約10%左右；長(zhǎng)度在3000 μm以上的纖維分布頻率僅約3%。大部分纖維長(zhǎng)度分布集中在1000～2500 μm之間，該長(zhǎng)度分布頻率達(dá)76%～86%，該長(zhǎng)度區(qū)間是確定原料配比的主要依據(jù)。

25竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維雙壁厚的影響

纖維雙壁厚對(duì)紙張強(qiáng)度的影響較大。壁薄腔大的纖維在外力作用下易潰陷變形，壓扁而呈帶狀，增大纖維表面積，提高其結(jié)合力，從而提高成紙的耐破度、耐折度和抗張強(qiáng)度等[7]。

竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維雙壁厚的影響如圖4所示。由圖4可知，同竹稈徑向部位的綠竹材纖維雙壁厚在不同竹齡間的整體變化規(guī)律是隨著竹齡的增加而增大，其中中層和內(nèi)層1～2年生竹纖維雙壁厚增大顯著。

26竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維腔徑的影響

纖維腔徑會(huì)影響壁腔比的大小，進(jìn)而影響成紙的質(zhì)量[89]。竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維腔徑的影響如圖5所示。由圖5可知，同竹齡的綠竹材纖維腔徑在竹稈徑向部位的變化規(guī)律為竹壁內(nèi)層纖維腔徑較大，中層和外層纖維次之。同竹稈徑向部位的綠竹材纖維腔徑在不同竹齡間的變化總趨勢(shì)為隨著竹齡的增加而減小，其中1～2年生之間的竹纖維腔徑降幅最為明顯。

27竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維壁腔比的影響

纖維壁腔比是用于衡量紙張質(zhì)量的另一個(gè)必不可少的指標(biāo)。一般認(rèn)為，壁腔比小的纖維易于結(jié)合，成紙強(qiáng)度大；而壁腔比大的纖維難以結(jié)合，成紙強(qiáng)度低[1011]。竹齡及竹稈徑向部位對(duì)綠竹材纖維壁腔比的影響如表3所示。

由表3可知，竹齡為1、2、4、6年生的纖維壁腔比分別為178、322、341、506。同竹齡的綠竹材纖維壁腔比在竹稈徑向部位的變化規(guī)律為竹壁外層和中層纖維壁腔比較大，內(nèi)層纖維最小。同竹稈徑向部位的綠竹材纖維壁腔比在不同竹齡間的變化是隨著竹齡的增加而增大。

3結(jié)論

對(duì)不同竹齡及竹稈徑向部位的綠竹材纖維形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果如下。

31竹稈徑向部位綠竹材纖維形態(tài)的變化表現(xiàn)為：對(duì)于纖維長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比，竹壁中層纖維較大，內(nèi)層纖維較??；對(duì)于纖維寬度和壁腔比，竹壁外層纖維較大，內(nèi)層纖維較小；對(duì)于腔徑，竹壁內(nèi)層纖維較大，中層和外層纖維較小。

32不同竹齡綠竹材纖維長(zhǎng)度在1687～1961 μm之間，屬長(zhǎng)纖維類型。不同竹齡綠竹材的纖維寬度為119～176 μm，長(zhǎng)寬比在104～147之間。

33同竹稈徑向部位時(shí)，綠竹材纖維長(zhǎng)度先隨竹齡的增加而減小，竹齡超過2年后，纖維長(zhǎng)度則隨著竹齡的增加而增大。纖維寬度先隨著竹齡的增加而增大，但竹齡超過4年后，纖維寬度則隨著竹齡的增加而減小。纖維雙壁厚隨著竹齡增加而增大，纖維腔徑隨竹齡的增加而減小。

34不同竹齡綠竹材大部分纖維長(zhǎng)度分布集中在1000～2500 μm之間，長(zhǎng)度分布頻率約為76%～86%。

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