毛竹材不同部位纖維形態(tài)及部分物理性能差異

李榮榮，賀楚君，彭 博，王傳貴

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥230036）

竹材作為天然可再生、綠色環(huán)保的生物質(zhì)纖維材料，具有強(qiáng)度高、生長周期短等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于家具、建筑結(jié)構(gòu)、工具用具等不同領(lǐng)域[1?9]。其中，毛竹Phyllostachys edulis由于種植面積廣、成材速度快、蓄積量高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是工程材料中利用較為普遍的竹種之一，可用于制造竹膠合板、竹木復(fù)合材料、竹集成材、室內(nèi)裝飾材等產(chǎn)品[10?15]。然而，由于竹材的特異性，竹黃、竹青和竹肉性能存在一定差異。在實(shí)際生產(chǎn)中一般需對(duì)原竹進(jìn)行去青、去黃處理，造成毛竹材利用率低等問題。研究毛竹材各部分性能特性，對(duì)合理利用毛竹材具有一定應(yīng)用價(jià)值。如竹篾-單板復(fù)合材料，是一種利用去青原竹，沿徑向剖分制備竹篾，串聯(lián)成竹簾與單板復(fù)合，制備而成的新型竹木復(fù)合材料。針對(duì)竹材構(gòu)造的特殊性，采用適當(dāng)改性與處理方法[16]，充分合理利用竹青與竹黃，成為目前研究的重點(diǎn)，對(duì)于提高竹材利用率具有一定價(jià)值[17?18]。袁晶等[19]研究了維管束分布及結(jié)構(gòu)對(duì)慈竹Neosinocalamus affins、花竹Bambusa albo-lineata及綠竹Dendrocalamopsis oldhami壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)竹材順紋壓縮性能與維管束分布密度呈正相關(guān)。維管束的分布密度是影響竹材壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素之一。陳秋艷等[20]對(duì)綠竹不同部位物理化學(xué)特性的研究表明：竹材不同部位中纖維素含量從大到小依次為竹肉、竹青、竹黃；且竹肉的纖維素結(jié)晶度大于竹青和竹黃。竹青、竹黃表面結(jié)構(gòu)較為致密，兩者表面密度均大于竹肉的表面密度。竹材梯度結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能也有一定影響，當(dāng)竹黃受拉，竹青受壓時(shí)，竹材的彎曲韌性最好；當(dāng)竹黃受壓，竹青受拉時(shí)，竹材彎曲模量最佳[21]。夏旭光等[22]對(duì)不同竹齡竹材的不同部位進(jìn)行力學(xué)性能測試表明：竹材力學(xué)性能隨竹齡增加呈增強(qiáng)趨勢；竹材各單層順紋抗壓彈性模量呈非線性變化，竹青單層與竹黃單層模量相差較大，兩者模量比值最大值達(dá)201%，比值最小值為173%。綜上所述，竹材特殊結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成對(duì)各部位性能影響顯著[23]，直接影響了竹木復(fù)合材料制備工藝及性能。本研究擬通過纖維顯微特征觀察、物理力學(xué)性能以及干縮性能測試，分析、評(píng)價(jià)毛竹材不同部位性能差異，以期為毛竹材高效、合理利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹采伐于安徽省金寨縣青山鎮(zhèn)(31.43°N，115.90°E)，竹齡為3～4年生。選取15株胸徑接近、無霉變等的毛竹，截取原竹距地面1.5～3.5 m的竹筒制作試件。

1.2 方法

1.2.1 毛竹纖維形態(tài)測試 纖維形態(tài)的測試采用離析法進(jìn)行。首先，將毛竹進(jìn)行縱向剖分和橫向截?cái)?，獲得一定長度與寬度的竹片，再將竹黃、竹肉和竹青分開；然后，將各部分劈成小火柴棍狀，分別放入不同試管中。試管中加入V(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%過氧化氫)∶V(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%冰醋酸)=1∶1的離析液[24]，60 ℃水浴加熱，直至試樣邊緣有纖維開始離析為止。最后，將試液倒出并將試樣用清水洗滌至無氣味，再往試管中加入適量清水搖勻纖維，用解剖針挑取纖維到玻璃載玻片上，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行纖維形態(tài)特征參數(shù)測量[25]。

同時(shí)，將毛竹鋸切成小塊狀，通過微波加熱法對(duì)其軟化后，用滑走式切片機(jī)將毛竹試塊切片，利用光學(xué)顯微鏡觀察纖維鞘區(qū)域、薄壁細(xì)胞區(qū)域。

1.2.2 力學(xué)性能測試 為研究竹材不同部位對(duì)其力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，將試件分為4類：A組試件為去除竹青的試件，尺寸為 160 mm×10 mm×6 mm(縱向×弦向×徑向)；B 組試件為去除竹黃的試件，尺寸為 160 mm×10 mm×8 mm；C 組試件為竹青和竹黃均去除的試件，尺寸為 160 mm×10 mm×4 mm；D 組試件為原竹片，尺寸為160 mm×10 mm×tmm (t為原竹分片后的自然厚度)。4組試件的抗彎強(qiáng)度和彈性模量測量采用3點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行，詳細(xì)試驗(yàn)步驟依據(jù)GB/T 15780?1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》[26]。

順紋抗壓強(qiáng)度測試試件也分為4組：A組試件為去除竹青的試件，尺寸為20 mm×20 mm×6 mm(縱向×弦向×徑向)；B組試件為去除竹黃的試件，尺寸為20 mm×20 mm×8 mm；C組試件為竹青和竹黃均去除的試件，尺寸為 20 mm×20 mm×4 mm；D 組試件為原竹片，尺寸為 20 mm×20 mm×tmm(t為原竹分片后的自然厚度)。順紋抗壓強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 15780?1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法》[27]。

1.2.3 干縮性能測試 將毛竹加工成 10 mm×10 mm×tmm(t為原竹分片后的自然厚度，縱向×弦向×徑向)大小的試件(共計(jì)150個(gè))；然后，采用“逐級(jí)削減法”將毛竹試塊進(jìn)行剖分、打磨，制得尺寸為10 mm×10 mm×2 mm 的毛竹竹黃片、尺寸為 10 mm×10 mm×4 mm 的竹肉片和尺寸為 10 mm×10 mm×4 mm 的竹青片(每類試件各50個(gè)，劃線標(biāo)號(hào))；最后，按照GB/T 15780?1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》進(jìn)行氣干干縮率和全干干縮率測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛竹各部位纖維形態(tài)

由表1可知：毛竹竹肉的纖維長度及寬度均最大，分別為1.88 mm和15.15 μm。t檢驗(yàn)結(jié)果表明：毛竹竹肉與竹黃、竹青的纖維長度和寬度差異極顯著 (P＜0.01)。

表1 毛竹材各部位纖維平均尺寸Table 1 Mean size of fiber in different parts of Ph. edulis

毛竹不同部位的纖維長度分布頻率見圖1。竹黃、竹肉及竹青中，長度為1～2 mm的纖維占比最高，分別為72.0%、53.0%和63.5%。竹黃中，0～1、2～3 mm的纖維占比分別為15.3%、12.7%，未見3～4 mm長度的纖維。竹肉中，0～1、2～3以及3～4 mm的纖維占比分別為4.8%、40.0%和2.3%。竹青中，0～1、2～3以及3～4 mm的纖維占比分別為22.7%、12.5%和1.3%。竹肉的纖維長寬比大于竹青和竹黃，且竹青和竹黃的纖維長寬比較為接近。

圖1 毛竹不同部位纖維長度分布頻率和纖維長寬比Figure 1 Fiber length distribution frequency and the ratio of fiber length to width in different parts of Ph. edulis

紙漿造紙過程中，纖維長度和長寬比是衡量纖維性能的重要指標(biāo)。一般而言，隨著纖維長度變長，其紙漿性能越佳[28]。同時(shí)，毛竹材纖維長度、寬度以及長寬比等參數(shù)亦與毛竹材結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等指標(biāo)有密切關(guān)系[29?30]。因此，工業(yè)化利用中應(yīng)充分考慮不同部位纖維尺寸，并合理利用。

由圖2可知：竹青維管束占比最大，其次為竹肉和竹黃。就薄壁細(xì)胞而言，竹黃部位薄壁細(xì)胞占比較大，為69.45%，竹青中薄壁細(xì)胞含量最小。竹黃中，維管束的面積較大，其均值為2.41×105μm2，竹肉部位維管束平均面積為1.96×105μm2，竹青部位的維管束平均面積為1.72×105μm2。同時(shí)，竹黃部位維管束分布也更為稀疏[31]。由于維管束和薄壁細(xì)胞占比不同，以及維管束形態(tài)與尺寸差異，竹青、竹黃以及竹肉的力學(xué)性能差異極顯著(P＜0.01)[20, 32]。

圖2 不同部位毛竹的維管束與薄壁細(xì)胞面積比例及單個(gè)維管束的面積Figure 2 Area ratio of vascular bundle and parenchyma tissue in different parts of Ph. edulis and the area of single vascular bundle

2.2 毛竹材不同部位力學(xué)性能

2.2.1 抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量 從表2可見：毛竹不同試件的抗彎強(qiáng)度從小到大依次為C、A、D、B。原竹片(D)的抗彎強(qiáng)度為109.13 MPa，去青試件(A)抗彎強(qiáng)度驟減至57.77 MPa，去青去黃試件(C)的抗彎強(qiáng)度為48.19 MPa，而去黃試件(B)抗彎強(qiáng)度為115.28 MPa，較原竹片抗彎強(qiáng)度提高了5.5%。彈性模量呈現(xiàn)同樣的變化趨勢。由此可知，竹青對(duì)竹材的抗彎強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，其次為竹肉和竹黃。竹材的梯度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為維管束占比從竹黃到竹青呈上升趨勢，薄壁細(xì)胞占比呈下降趨勢[32]。因此，竹青在彎曲過程中，由于受拉側(cè)(竹青)纖維較多，彎曲應(yīng)變較大，彎曲模量表現(xiàn)較低值，對(duì)于彎曲強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。竹黃由于薄壁細(xì)胞較多，彎曲過程中彎曲應(yīng)變較小，彎曲彈性模量表現(xiàn)出較大值[20, 33?34]。

表2 毛竹不同試件的抗彎強(qiáng)度和彈性模量Table 2 Bending strength and elastic modulus of different Ph. edulis samples

2.2.2 順紋抗壓強(qiáng)度 由表 3可見：原竹片 (D)順紋抗壓強(qiáng)度為59.54 MPa，去黃試件(B)順紋抗壓強(qiáng)度為59.36 MPa。去黃后，試件的順紋抗壓強(qiáng)度差異不明顯，然而，去青試件(A)順紋抗壓強(qiáng)度明顯下降，下降至38.35 MPa。因此，竹青對(duì)于毛竹的順紋抗壓強(qiáng)度具有較大貢獻(xiàn)。去青試件順紋抗壓強(qiáng)度比去青去黃試件(C)略大，說明竹黃順紋抗壓強(qiáng)度較竹肉稍大。因此，竹制抗壓構(gòu)件設(shè)計(jì)制造過程中，合理利用竹黃對(duì)提高竹材利用率具有一定意義。

表3 不同毛竹試件順紋抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of different Ph. edulis samples

2.3 毛竹材不同部位干縮性能

毛竹的干縮性對(duì)其加工利用具有重要影響，亦是衡量竹材產(chǎn)品性能及其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[35]。由于竹材中無橫向組織，且徑向和弦向干縮差異較大，竹材在加工利用時(shí)極易出現(xiàn)開裂或翹曲等問題[36]。

由表4和表5可知：從全濕狀態(tài)至氣干狀態(tài)的過程中(即氣干干縮率)，竹黃的徑向干縮率最大，為4.14%。3個(gè)方向的氣干干縮率從大到小依次為徑向、弦向、縱向；竹青變化規(guī)律亦如此。然而，竹肉和毛竹材3個(gè)方向的氣干干縮率從大到小依次為弦向、徑向、縱向。竹青、竹黃、竹肉以及毛竹的全干干縮率從大到小依次為徑向、弦向、縱向，與前人研究結(jié)果一致[37]。無論氣干干縮率還是全干干縮率，竹黃徑向與弦向干縮率差值均最大，易產(chǎn)生翹曲變形等問題。因此，在后續(xù)加工利用中，合理配置竹黃結(jié)構(gòu)對(duì)提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

表4 毛竹竹黃、竹肉、竹青與毛竹氣干干縮率測試結(jié)果Table 4 Results of air-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

表5 毛竹竹黃、竹肉、竹青與毛竹全干干縮率測試結(jié)果Table 5 Results of total-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

3 結(jié)論

毛竹不同部位的纖維形態(tài)及部分物理性能存在一定差異。毛竹竹黃、竹肉與竹青的纖維長度和寬度差異顯著，且不同長度的纖維占比和纖維長寬比亦存在著差異。毛竹材利用過程中需要根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，合理選擇相應(yīng)部位，以進(jìn)一步提高利用效率。竹青對(duì)竹材抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量貢獻(xiàn)最大。氣干干縮率和全干干縮率在竹材不同部位、不同方向上均存在一定差異。未來可開展不同剖篾狀態(tài)下，竹黃、竹青含量對(duì)竹質(zhì)、木竹復(fù)合工程材料力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性等性能影響規(guī)律的研究，對(duì)提高竹材利用率具有一定意義。