4種竹材微纖絲角變異及其對抗彎性質(zhì)的影響

楊 欣，劉杏娥，楊淑敏*，齊錦秋，尚莉莉，田根林，馬建鋒，馬千里

(1.國際竹藤中心 竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都 611134)

微纖絲角(MFA)為植物細(xì)胞次生壁S2層微纖絲排列方向與細(xì)胞主軸所形成的夾角，是木質(zhì)材料的固有性質(zhì)，主要決定著材料的機械性能，直接影響木質(zhì)材料的彈性模量和異向收縮性[1]。從結(jié)晶學(xué)觀點，微纖絲角就是單斜晶體的B軸與纖維軸之間的夾角。微纖絲角傳統(tǒng)測試方法有偏光顯微鏡法、熒光顯微鏡法、汞浸漬法、碘染色法等，尤其是偏光法也在不斷發(fā)展中[2-3]。隨著顯微技術(shù)的快速發(fā)展，掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡逐漸應(yīng)用于微纖絲角的研究[4-5]。近年來，X線的應(yīng)用對于微纖絲角的測定帶來了技術(shù)上的變革[6-7]。X線衍射法主要利用實驗室光源的X線衍射儀(X-Ray Diffraction)，同步輻射光源的小角X線衍射線站(Small-Angle X-Ray Scattering SAXS)和大角X線衍射線站(Wide-Angle X-Ray Scattering SAXS)[7]來實現(xiàn)。X線衍射技術(shù)是當(dāng)X線入射纖維晶體時，產(chǎn)生散射和衍射效應(yīng)，衍射強度隨試樣旋轉(zhuǎn)角度變化呈現(xiàn)出光譜曲線，分析光譜獲得所測樣品的微纖絲角[8]。在一次操作中得到的衍射圖樣，即能反映出幾百個細(xì)胞平均微纖絲角的數(shù)值。試樣制作簡單、觀察簡易迅速、適用于大量試樣的微纖絲角測試，尤其在測定具有極大變異性的生物質(zhì)材料時，可得到具有充分意義的平均值[9]。

竹材作為一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的多級結(jié)構(gòu)生物復(fù)合材料，與木材相比，竹材纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和微纖絲取向更加復(fù)雜。竹纖維細(xì)胞壁具有寬窄交替的多壁層結(jié)構(gòu)，壁層的厚層和薄層具有不同的微纖絲取向。竹材微纖絲取向在生長發(fā)育過程中的改變引起微纖絲角度的變化，從而對其物理力學(xué)性能等產(chǎn)生影響[10]。相對于毛竹，國內(nèi)外對其他竹材微纖絲角及其變異規(guī)律的研究較少，且缺乏針對微纖絲角與力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系研究。本研究選取了在廣東和廣西分布較廣的4種叢生竹，在其他研究工作者的基礎(chǔ)上利用X線衍射儀對不同竹齡、縱向和徑向位置的撐篙竹微纖絲角進行了研究，分析了微纖絲角對抗彎強度和抗彎彈性模量的影響，并與其他竹種進行了對比，從而為揭示竹材生長發(fā)育機理以及合理有效地開發(fā)竹資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及制備

所選竹種分別為撐篙竹、吊絲竹、粉單竹、青皮竹，采自廣西林科院樹木園，詳情見表1。選取生長正常、有代表性的竹株齊地砍伐。記錄樣竹的胸徑、節(jié)間長和竹高，從離地面約1.5 m整竹節(jié)處，向上每隔約2 m長完整竹節(jié)處，截取竹段，直至7.5 m處，移至實驗室氣干以備試驗。分別從1～3年生撐篙竹稈基部向上第6節(jié)、12節(jié)和18節(jié)節(jié)間中部截取T×10 mm×20 mm(徑向×弦向×縱向，T 為竹壁厚度)大小的竹塊，然后沿徑向從竹青到竹黃將竹塊劈成大小為1 mm×10 mm×20 mm(徑向×弦向×縱向)的小樣片作為撐高竹年齡、縱向和徑向變異試樣。對于其他3種3年生竹材，只在第6節(jié)選取試樣，小樣片制作方法和撐高竹相同?？傇嚇訑?shù)393個，所有小樣片削制過程中要求測試面光滑平整，準(zhǔn)確編號后待測?？箯澚W(xué)試件取3年生撐篙竹，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15780-95《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》中試件加工和制樣要求，制作抗彎測試試樣，尺寸為T×10 mm×160 mm(徑向×弦向×縱向，T為竹壁厚度)。

表1 采集竹種一覽表

1.2 方法

微纖絲角測試采用荷蘭Panalytical公司的粉末X線衍射儀(PHILIPS X.PertPro)。利用雙面膠帶將樣品垂直固定在旋轉(zhuǎn)樣品臺，使試樣旋切面與入射光路垂直，設(shè)定接收光路和入射光路的夾角為22.4°。主要掃描參數(shù)：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描步進1°，樣品掃描范圍0°～360°。計算機自動采集數(shù)據(jù)，隨之生成Phi掃描強度曲線圖(圖1)。將曲線圖導(dǎo)入Origin數(shù)據(jù)處理軟件，采用高斯函數(shù)進行單峰擬合，再用0.6T法即可得到微纖絲角。

測定抗彎強度和彈性模量的試樣置于溫度20℃，濕度65%的恒溫恒濕箱中，調(diào)整試件含水率至8%～15%時，用Instron萬能力學(xué)試驗機進行測試。

圖1 Phi掃描強度分布曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 撐篙竹微纖絲角的變異

2.1.1 竹齡對撐高竹微纖絲角的影響 3個竹齡的撐篙竹微纖絲角的統(tǒng)計值見圖2。1、2、3年生竹微纖絲角分別為10.18°、10.24°、9.66°，平均值為10.05°，微纖絲角隨竹齡增長變化較小，2年生竹微纖絲角平均值最大。3個竹齡的微纖絲角最大值和最小值分別為12.35° ，9.09°。差異<4°。撐高竹平均微纖絲角比前人研究的毛竹和梁山慈竹平均微纖絲角偏大[11-12]，這可能是與植物固有遺傳特性和環(huán)境因素間的差異有關(guān)。方差分析表明(表2)，3個竹齡的撐篙竹微纖絲角無顯著性差異。

表2 不同竹齡和部位微纖絲角的方差分析

2.1.2 撐篙竹微纖絲角的縱向變異和徑向變異 撐篙竹微纖絲角沿縱向高度的變化情況見表3?？v向上中下3個部位的微纖絲角的平均值分別為10.09°、9.98°和10.01°，變異系數(shù)<8%。1年生和2 年生竹微纖絲角隨縱向高度增加先下降而后逐漸增加。3年生竹微纖絲角從基部向上先增加而后下降。不同高度的微纖絲角值差異較小，介于9.53°～10.43°。方差分析表明(表2)，撐篙竹基部、中部和上部微纖絲角之間顯著性差異。

從竹青到竹黃按1 mm的間隔取樣，撐篙竹徑向平均微纖絲角差值的變化為0.93°～1.97°，2年生的徑向微纖絲角變化最大為1.97°，1年生和3年生的微纖絲角差值相差無幾。徑向位置對微纖絲角影響差異顯著(表2)。

圖2 竹齡對微纖絲角的影響

表3 不同竹齡不同高度的微纖絲角

2.2 撐篙竹與其他3種竹材微纖絲角的對比分析

2.2.1 4種竹材的微纖絲角 細(xì)胞次生壁壁層中S2層最厚，約占全壁厚度70%以上，是構(gòu)成壁層的主體。S2層中微纖絲環(huán)繞細(xì)胞軸排列所成的角度決定微纖絲角的值，因此不同竹種間的微纖絲角大小和變異規(guī)律各有不同(圖4)。不同竹種間的微纖絲角呈現(xiàn)明顯差異，平均微纖絲角大小順序為粉單竹>吊絲竹>撐篙竹>青皮竹，平均值分別為10.46°、9.73°、9.66°、9.52°，竹種間的微纖絲角差異變化差異范圍在0.53°～1.48°，有文獻(xiàn)也曾報道過竹種間微纖絲角變化較大這樣類似的結(jié)果[13]。與經(jīng)濟價值高、用途廣的毛竹相比，2.5年生毛竹的微纖絲角為9.65°[12]，本研究中的吊絲竹、撐高竹、青皮竹與與毛竹的微纖絲角差異很小，粉單竹的微纖絲角稍大于毛竹，相差不到1°。雖然4種從生竹微纖絲角受竹種影響較大，但竹材微纖絲角與木材相比，變異值很小[14]，并且4種竹材只有粉單竹微纖絲角稍大，其余3種與毛竹相近，在竹材精準(zhǔn)利用過程中，期望為竹纖維產(chǎn)品適宜竹種的選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

注：A.青皮竹，B.粉單竹，C.吊絲竹，D.撐篙竹。圖4同。

2.2.2 徑向變異對比分析 對其他3種竹的微纖絲角的徑向變異進行分析，并與撐高竹的微纖絲角進行對比(圖4)。4種竹材從竹青到竹黃以間隔1 mm的距離取樣，竹壁外側(cè)到內(nèi)側(cè)平均微纖絲角差異變動范圍為0.78°～1.77°。方差分析表明，徑向不同部位的微纖絲角有顯著性差異。從圖4可知，其他3種竹材與撐篙竹的微纖絲角變化趨勢一致，均是從竹壁內(nèi)側(cè)到外側(cè)呈增大的趨勢，這與楊淑敏等[15]研究毛竹微纖絲角的部分結(jié)論是一致的。而江澤慧等[16]對毛竹對微纖絲角的研究認(rèn)為從竹青到竹黃略有增加。李霞鎮(zhèn)等[17]對毛竹微纖絲角的研究結(jié)果認(rèn)為，微纖絲角徑向差異<4°，沒有穩(wěn)定的變化規(guī)律。在木材和棕櫚藤材微纖絲角徑向變化的研究中，也得出了不同的結(jié)論，沙柳的微纖絲角從髓心向外逐漸減小[18]，黃藤材微纖絲角從藤心到藤皮微纖絲角呈變小趨勢[19]。

圖4 4種竹材的微纖絲角徑向變異

2.3 微纖絲角對竹材力學(xué)性質(zhì)的影響

2.3.1 微纖絲角撐篙竹力學(xué)性質(zhì)的影響 微纖絲角對木質(zhì)材料的物理和力學(xué)性質(zhì)都有重要影響，是密度、強度和硬度等性質(zhì)的重要決定因素之一。木竹材微纖絲排列與主軸的夾角呈較小狀態(tài)時，也決定了其具有較優(yōu)的力學(xué)性能，即微纖絲角小，抗拉強度大；微纖絲角大，則伸縮性強。微纖絲角與密度是決定彈性模量的2個主要因素，密度越大，微纖絲角越小，彈性模量越大[20]。為了研究微纖絲角對力學(xué)性能的影響，研究了撐蒿竹抗彎強度和抗彎彈性模量，有效樣20個。對抗彎強度和抗彎彈性模量進行函數(shù)擬合并進行回歸分析，二者呈線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.41(圖5)。

圖5 撐篙竹的抗彎強度和彈性模量關(guān)系

微纖絲角和抗彎強度、抗彎彈性模量的回歸分析如圖6，得到線性決定系數(shù)分別為0.61和0.44的一元線性函數(shù)模型。微纖絲角增大，抗彎強度和抗彎彈性模量均有下降趨勢，微纖絲角每增加1°，抗彎強度和抗彎彈性模量就相應(yīng)降低73.67 MPa和2.27 GPa。抗彎強度和抗彎彈性模量的變異中分別有61%和44%是由微纖絲角引起的，結(jié)果與輻射松相似[6]，比梁山慈竹的微纖絲角對拉伸強度、楊氏模量的影響程度大[11]。竹材抗彎強度與生長地區(qū)的立地條件、竹種、竹齡、部位、溫度、含水率、密度和木質(zhì)素含量等眾多因素都息息相關(guān)，而微纖絲角只是其中的一個影響因素，需要綜合考慮其他因素的影響。

2.3.2 微纖絲角對不同種竹材力學(xué)性質(zhì)的影響 木材微纖絲角和木材剛度密切相關(guān)，為研究竹材微纖絲角對剛度的影響，選取撐篙竹與其他3種同竹齡的3年生竹材進行力學(xué)測試，4種竹材的微纖絲角及抗彎強度、抗彎彈性模量的相關(guān)性見表4。決定系數(shù)的結(jié)果呈現(xiàn)正數(shù)或者負(fù)數(shù)，說明微纖絲角與力學(xué)性質(zhì)呈正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)，其中粉單竹的抗彎強度和抗彎彈性模量與微纖絲角呈現(xiàn)相對強的正相關(guān)關(guān)系，這說明微纖絲角對其力學(xué)性質(zhì)變異的影響較大，但是微纖絲角對青皮竹、吊絲竹和撐篙竹的抗彎強度和彈性模量相關(guān)性不顯著，與Koizumi等[21]對木材的微纖絲角與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系所得到的結(jié)論不一致。

表4 不同竹種的微纖絲角與力學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)性分析

圖6 撐篙竹的微纖絲角和力學(xué)性能的關(guān)系

3 結(jié)論

4種竹材微纖絲角平均值分別為10.46°、9.73°、9.66°、9.52°，變化范圍僅為0.53°～1.48°，4種竹材微纖絲角從竹青到竹黃呈增大的趨勢。撐蒿竹微纖絲角隨竹齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；縱向上，不同年齡撐蒿竹微纖絲角沿竹稈高度方向變化趨勢不同，竹齡對撐蒿竹微纖絲角無顯著影響，徑向部位和縱向部位對微纖絲角有顯著性影響。微纖絲角對4種竹材的力學(xué)性質(zhì)有一定影響，其中粉單竹滿足微纖絲角越大，抗彎強度和抗彎彈性模量相對越大，但是要完善對竹材性能的評價還需結(jié)合竹材的化學(xué)組成、立地條件和密度等進行綜合的探究，從而為竹資源培育和精細(xì)利用提供可靠的理論基礎(chǔ)和科技支撐。