維管束分布及結(jié)構(gòu)對竹材宏觀壓縮性能的影響

袁 晶，張雪霞，余 雁，陳冠軍，王漢坤

（1.國際竹藤中心 竹藤生物質(zhì)新材料研究所，北京 100102；2.國家林業(yè)與草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102）

竹材是僅次于木材的最重要森林資源，集高強、高韌、高彎曲延展性和適當?shù)膭傂杂谝簧?。竹子生長速度快，3～4 a 即可成材，可替代木材用于建筑、家具、造紙等眾多領(lǐng)域，具有很高的經(jīng)濟價值和社會效益[1-3]。

竹材可視為由維管束及薄壁基本組織組成的具有多級結(jié)構(gòu)的兩相復(fù)合材料，不同類型細胞往往具有不同化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特性，承擔相應(yīng)的機械或生理功能[4]。維管束中的纖維鞘為增強相，長徑比大，細胞壁較厚，決定了竹材幾乎所有的力學(xué)性能[5]。竹纖維的縱向彈性模量、斷裂強度、斷裂伸長率可分別高達47 GPa、1.9 GPa 和5%，比強度、比模量和斷裂延展性均明顯優(yōu)于玻璃纖維[6]；薄壁基本組織為基體相，對竹材壓縮變形具有非常重要的作用，兩者的完美組合是竹材具有優(yōu)異力學(xué)性能的根本原因[7-8]。竹材也可視為功能梯度材料，力學(xué)性能在徑向呈現(xiàn)顯著的梯度變化特征，這與纖維鞘與薄壁基本組織的比例有關(guān)。纖維在竹稈橫截面的外部區(qū)域分布密集，在內(nèi)表面區(qū)域分布稀疏，這是功能梯度材料的典型結(jié)構(gòu)[9]。以毛竹為例，竹黃部位抗拉強度和彈性模量分別為101.85 MPa 和6.65 GPa，而竹青部位抗拉強度和彈性模量則可高達294.26 MPa 和30.30 GPa[10-11]。毛竹的順紋抗壓強度及剛度隨維管束分布密度的增加而增加，當纖維鞘含量較低時，試樣的塑性變形階段隨薄壁基本組織比例的增加明顯延長[12]。

竹材宏觀力學(xué)性能不僅與纖維鞘和薄壁基本組織的比例有關(guān)，還與兩者本身的性能密切相關(guān)。研究纖維鞘和基本組織的力學(xué)性能是進一步深入了解竹材宏觀力學(xué)特性的基礎(chǔ)。最初研究人員通過經(jīng)典的復(fù)合材料混合定律推算竹材維管束（纖維鞘）的力學(xué)性能。Shao 等[13]通過計算得出毛竹纖維鞘和薄壁基本組織的彈性模量和拉伸強度分別為40.35 GPa，588.72 MPa 和0.22 GPa，19.42 MPa。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，目前已可直接測量纖維鞘和基本組織的力學(xué)性能。Shang 等[14]通過微拉伸結(jié)合激光共聚焦斷層掃描技術(shù)，較為準確地測量了毛竹維管束（纖維鞘）的力學(xué)性能，并系統(tǒng)研究了維管束和纖維鞘力學(xué)性能的徑向變異和高度變異，結(jié)果表明：毛竹維管束和纖維鞘的縱向拉伸彈性模量和抗拉強度分別為33.9 GPa，482.2 MPa 和47.33 GPa，729.25 MPa[15-16]。安曉靜[16]通過顯微切割和微拉伸技術(shù)，測得薄壁基本組織的拉伸彈性模量抗拉強度分別為0.24 GPa 和20.92 MPa。

綜上所述，雖然目前已經(jīng)知道維管束（纖維鞘）的力學(xué)性能及組織比量對竹材力學(xué)性能有著重要的影響，但對于維管束具體的形態(tài)和構(gòu)造與宏觀力學(xué)性能之間相互關(guān)系的研究較少。本文以散生竹毛竹，從生竹慈竹、花竹、綠竹為研究對象，分別測試其基本密度，維管束分布密度、纖維鞘組織比量、纖維形態(tài)（厚壁或薄壁）及其比例等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，定量分析維管束的分布及結(jié)構(gòu)等因素對4 種竹材宏觀壓縮性能的影響，為竹材的科學(xué)加工利用及仿竹材料設(shè)計、制造提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試材采集

散生竹毛竹，叢生竹慈竹、花竹、綠竹采集于福建省，試材信息見表1。生長良好、無缺陷的樣竹，標記北向后離地0.5 m 伐倒，編號并記錄各株的胸徑、竹高等信息。

表1 試材信息表Table 1 Information of samples

1.1.2 樣品制備

為定量分析維管束的分布等結(jié)構(gòu)信息對宏觀力學(xué)性能的影響，選取竹壁厚相近的樣品，去除青皮、髓環(huán)，制成規(guī)格約為6 mm（弦向）×5 mm（徑向）×20 mm（軸向）的竹塊，并將樣品橫切面拋光。拋光后的樣品首先置于實體顯微鏡下進行圖像采集（橫切面），然后進行基本密度和縱向壓縮力學(xué)性能測試。

電鏡試樣的制作：選取竹肉部位的約3 mm（弦向）×3 mm（徑向）×10 mm（軸向）的小樣品，將其垂直置于電鏡托上，置于掃描電子顯微鏡（ESEM-XL30,美國FEI 公司）內(nèi)采集顯微圖片，以獲得其維管束結(jié)構(gòu)信息。

1.2 試驗方法

1.2.1 維管束分布密度及纖維組織比量測定

每種竹材樣本數(shù)為10，應(yīng)用Image-pro plus 6.0（IPP 6.0,美國,Media Cybernetics,Inc）對1.1.2 采集的圖像進行處理。首先將圖片導(dǎo)入IPP 軟件中，通過勾勒維管束纖維鞘邊緣輪廓得到其像素點，圖1為處理圖片。再通過像素點進行計算獲得維管束分布密度及纖維鞘組織比量等結(jié)構(gòu)信息。

1.2.2 厚壁纖維及薄壁纖維組織比量測定

同樣利用IPP 軟件對1.1.2 中SEM 采集的維管束圖片進行處理。本文將采集的維管束電鏡圖片中肉眼可見孔隙，壁腔比約小于1 的纖維定義為薄壁纖維，密實的壁腔比約大于1 的纖維定義為厚壁纖維。4 個竹種分別選取竹肉部分的10 個維管束，通過IPP 得到其厚壁纖維、薄壁纖維的像素點，計算厚壁纖維及薄壁纖維占整個樣品的組織比量。

圖1 花竹橫切面維管束纖維鞘組織比量測定Fig.1 The determination of fiber sheath area ratio in the vascular bundle of Bambusa albo-lineata

1.2.3 基本密度、順紋壓縮測試

竹材的基本密度、順紋抗壓強度測試參照GB/15780—1995 進行。測試設(shè)備為Instron 5582萬能力學(xué)試驗機（美國,INSTRON 公司），載荷傳感器量程為10 kN，測試速度為1.5 mm/min。壓縮變形由試驗機十字頭位移獲得，因此文中計算所得壓縮彈性模量為表觀彈性模量。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材維管束的分布及結(jié)構(gòu)信息

圖2為4 種竹材橫切面體式顯微鏡圖片。由圖可知，所測4 種竹材的維管束形態(tài)和分布密度差異較大，其中毛竹的單根維管束尺寸較小，維管束結(jié)構(gòu)從竹青到竹黃從半開放型過渡到開放型?？拷袂嘁粋?cè)維管束側(cè)方纖維鞘和內(nèi)方纖維鞘相連，形成兩個大的纖維鞘?？拷顸S一側(cè)維管束尺寸變大，纖維鞘分化為4 個獨立的纖維鞘，這是散生竹典型的維管束特征。3 種叢生竹單根維管束的面積相比毛竹較大，維管束結(jié)構(gòu)從竹青到竹黃是從典型的緊腰型過渡到斷腰型，維管束尺寸從竹青到竹黃逐漸變大?？拷袂嘁粋?cè)，一般有2～3 個纖維鞘?？拷顸S一側(cè)，除了完整的維管束外還存在游離的纖維股，這是叢生竹典型的維管束特征。

圖2 4 種竹材橫切面實體顯微鏡圖片F(xiàn)ig.2 Four kinds of bamboo cross-section microscope images

表2為4 種竹材的基本密度及維管束結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計表，由表2可知，4 種竹材中，慈竹和花竹的維管束平均分布密度、單根維管束的面積、纖維鞘的組織比量較高，因此基本密度也相對較高；毛竹單根維管束的面積最小，維管束內(nèi)纖維鞘的組織比量也很小，僅為0.28。綠竹單根維管束的面積較大（0.14 mm2），纖維鞘的組織比量也較高（0.39），但基本密度最低，原因是綠竹纖維的壁腔比較大，纖維多為薄壁結(jié)構(gòu)（圖3d）。毛竹密度明顯高于綠竹，是因為成熟毛竹纖維多為厚壁纖維（圖3a）。

圖3為4 種竹材維管束的電鏡圖片。選取位于竹肉部位的4 種竹材的維管束進行對比。從圖可知，毛竹的維管束最小，但維管束中的纖維鞘多以厚壁纖維為主，慈竹和綠竹維管束尺寸最大，其外方及側(cè)方纖維鞘多為厚壁纖維，但游離纖維股多為薄壁纖維，且壁腔比很小?；ㄖ窬S管束尺寸介于兩者之間，維管束的組成及特點與慈竹和綠竹相近。

表2 4種竹材維管束的結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本密度Table 2 The vascular bundle structural parameters and basic density of four types bamboo species

圖3 4 種竹材的維管束掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 The vascular bundle characteristics of four bamboo species

對圖3維管束中的厚壁纖維和薄壁纖維的的組織比量進行統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。4 個竹種的厚壁纖維組織比量從大到小分布如下：花竹＞慈竹＞毛竹＞綠竹，分別為0.29、0.14、0.12 和0.09，花竹是綠竹的3 倍。薄壁纖維的組織比量從大到小為綠竹＞慈竹＞毛竹＞花竹，分別為0.21、0.20、0.06 和0.03。綠竹約是花竹的7 倍。

表3 4種竹材纖維鞘的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 The fiber sheath structure parameters of four bamboo species

2.2 竹材的順紋壓縮性能

圖4為四種竹材的順紋壓縮性能測試結(jié)果。圖4a為壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線，曲線第一階段為彈性變形階段，此時處于材料的彈性區(qū)域，應(yīng)力—應(yīng)變曲線為直線，斜率即為材料的彈性模量；第二階段為彈塑性變形階段，開始產(chǎn)生屈曲及塑性變形；第三階段為塑性變形階段，或稱為平臺期。在此階段，維管束已發(fā)生屈曲不承受載荷，而泡沫狀的薄壁細胞在持續(xù)壓力作用下發(fā)生大的塑性變形，因此薄壁細胞含量越高，平臺期越長[12]。圖4b為四種竹材順紋壓縮性能的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖?；ㄖ耥樇y抗壓強度和壓縮模量最高，毛竹和慈竹次之，綠竹最小。

圖4 4 種竹材的順紋壓縮性能Fig.4 Macroscopic mechanical properties of different bamboo species

2.3 竹材順紋壓縮性能的影響因子

2.3.1 基本密度、維管束分布密度

圖5為基本密度、維管束分布密度對竹材順紋壓縮性能的影響，由圖可知，4 種竹材的順紋壓縮模量和抗壓強度與基本密度、維管束的分布密度總體呈線性正相關(guān)?；久芏?、維管束的分布密度越大，力學(xué)性能越好?；久芏群途S管束分布密度與順紋抗壓強度決定系數(shù)分別為0.990 3、0.788 7，與順紋壓縮模量之間的決定系數(shù)分別為0.976 4、0.416 3，前者明顯大于后者，表明基本密度是決定竹材順紋壓縮性能更為直接的因子。這是因為基本密度反映的是材料中所有實質(zhì)物質(zhì)和孔隙的平均效應(yīng)，將維管束分布密度、維管束尺寸、纖維鞘組織比量以及厚壁纖維組織比量等因素均包括在內(nèi)。

圖5 基本密度、維管束的分布密度與順紋壓縮性能的關(guān)系Fig.5 Relationship between basic density,distribution density of vascular bundles,and the compression performance in parallel direction of bamboo

2.3.2 維管束內(nèi)纖維鞘組織比量及纖維形態(tài)

圖6a為纖維鞘組織比量與彈性模量及順紋抗壓強度關(guān)系，力學(xué)性能與維管束內(nèi)纖維鞘的組織比量無顯著相關(guān)性，這是由于不同竹種之間纖維鞘內(nèi)纖維形態(tài)的差異性導(dǎo)致。圖3表明，不同竹種纖維鞘中的纖維具體形態(tài)存在很大差別。綠竹和花竹的纖維鞘的組織比量相近，但花竹厚壁纖維比例遠高于綠竹。慈竹，綠竹的纖維鞘組織比量大于毛竹，其薄壁纖維組織比量相差不大，約為毛竹的3 倍。毛竹的厚壁纖維組織比量與慈竹相差不大，約是綠竹的1.3 倍，但毛竹的力學(xué)性能遠大于綠竹。薄壁纖維在承擔外界載荷時，其在載荷的分擔上作用較弱，因此我們對厚壁纖維的組織比量與宏觀力學(xué)性能進行了分析。圖6b是厚壁纖維的組織比量與彈性模量及順紋抗壓強度關(guān)系。由圖可知厚壁纖維的組織比量與宏觀力學(xué)性能呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性。

圖6 纖維鞘和厚壁纖維的組織比量與順紋壓縮性能的關(guān)系Fig.6 The relationship between the ratio of the tissue ratio of fiber sheath and sclerenchyma fiber and the compression property of straight grain

3 結(jié)論與討論

為深入研究影響竹材宏觀壓縮性能的因素，以密度差異相對較大的4 種重要經(jīng)濟竹種（毛竹、慈竹、花竹、綠竹）為研究對象，研究了維管束分布密度和結(jié)構(gòu)特點對竹材順紋壓縮性能的影響。研究結(jié)果表明：

1）4 種竹材維管束的分布密度、形態(tài)及組成差異較大。毛竹（散生竹）的維管束尺寸小于叢生竹，三種叢生竹均含游離纖維股且多為薄壁纖維，慈竹和花竹的單根維管束的面積、纖維鞘的組織比量和厚壁纖維組織比量較高；而維管束平均分布密度，花竹較慈竹更高。

2）4 種竹材宏觀壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線相近，力學(xué)性能存在明顯差異。竹材順紋壓縮性能與基本密度、維管束分布密度和厚壁纖維組織比量呈正相關(guān)，且與基本密度的相關(guān)性最高。維管束的分布密度和厚壁纖維的組織比量是影響竹材壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素。

綜上所述，以往的研究著重于構(gòu)建單一竹種的基本密度、纖維鞘拉伸性能和維管束組織比量等物理結(jié)構(gòu)因素與竹材宏觀力學(xué)性能間的關(guān)系，本研究在比較了多竹種的基本密度和維管束分布密度對竹材順紋壓縮性能影響的基礎(chǔ)上，重點探索并分析了維管束結(jié)構(gòu)因素的作用，發(fā)現(xiàn)壓縮性能與維管束內(nèi)厚壁纖維的組織比量之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系。由于生物材料自身變異性大，后續(xù)應(yīng)對更多竹種的維管束特征進行統(tǒng)計性研究。