淺談竹材特性

淺談竹材特性

目前，國內外對竹材的研究主要集中在竹材料的微觀解剖特征、物理力學性質和性質上。本文對竹材的性質、化學成分和性質、力學性質、干燥特性、生物力學特性、微觀和超微觀解剖結構進行了探討。1竹材的解剖性質1.1界面材性的變異與木材相比,竹材的解剖性質及特征的研究相對進行的較少,起步也較晚。竹材的解剖特征有其自身的特點,竹材的節(jié)間細胞全部嚴格縱向排列,缺少像木材那樣的徑向分布的薄壁細胞和射線細胞。中國(包括臺灣)以及德國在此方面進行了較多的研究。如李正理等對24種國產竹材的解剖特征進行了觀察比較,溫太輝等對中國竹類的維管束解剖形態(tài)進行了研究;吳順昭等對臺灣產竹材解剖特征與滲透性關系進行了研究,指出了竹材滲透深度和水分移動與解剖性質間有極顯著的相關關系的論點,但未提及界面材性的變異對滲透性的影響。方偉對國產10屬15種竹材的內部構造觀察結果表明:叢生竹與散生竹之間在桿部構造上的差異很顯著,維管束構造、薄壁組織細胞和維管束在斷面上的分布有很大的不同。這種差異與竹種的外部形態(tài)、地理分布和地下莖類型有密切關系,并認為竹材內部構造可以作為種屬鑒別的依據之一。竹壁中部和竹桿中部的纖維較長,基部和梢部的纖維寬度變小,竹壁中部的纖維徑向較大,兩側的纖維徑向較小,腔徑也有類似變化。王菊華的研究結果顯示:竹材中纖維細胞占60%～70%,其余為薄壁細胞、石細胞、導管和表皮細胞等。纖維平均長度隨品種而異,多在1.5～2.0mm之間,寬度為15～18μm,纖維細胞壁較厚,腔徑小,纖維壁上明顯有節(jié)狀加厚。薄壁細胞大小形狀相似,比較均勻,多呈枕形和腰鼓形,桿狀較少。竹材的導管較大,長度一般在120～130μm之間,兩端開口,端壁平直或略微傾斜。在電子顯微鏡下觀察,竹材纖維有2種基本結構,即細胞壁相對較厚的纖維和相對較薄的纖維,薄層為近橫向排列,厚層為近軸向排列,與纖維軸的纏繞角度呈30～40°。從超薄切片的KMnO4染色現象看,薄層著色較厚較深,說明薄層的木素含量較厚層高。周仕強對慈竹及黃竹2種竹材在光學顯微鏡和電子顯微鏡下的觀察結果表明,二者的平均纖維長度在2mm左右,帶狀薄壁纖維較多。纖維細胞壁平均值相差不大,壁腔比為1.3左右。桿部纖維比例上部>中部>下部。1.2竹材的結構和特性竹材作為一種生物材料,是植物中作為結構材的最好的原料之一,它具有強度高、彈性好、性能穩(wěn)定、密度小的特點。竹材的比強度和比剛度高于木材和普通鋼鐵,能廣泛用于建筑工程。竹材的內部構造決定其性能,竹材的微觀結構與力學性質之間有著重要的聯(lián)系。冼杏娟對毛竹和蒿竹的研究結果顯示:竹材主要由起承載作用的纖維厚壁細胞和起連接作用并傳遞載荷的薄壁細胞基體所組成。竹材具有良好的比強度和比剛度,是其厚壁細胞竹纖維排列整齊的結果。從宏觀性能上看,毛竹高于蒿竹,上部大于基部,竹壁外側高于內側,這與纖維組織細密、纖維層厚和纖維密度等因素有關。某些竹材的超微結構特征是具有層狀的厚次生壁結構,層狀紋理由不同纖維走向的交變寬窄層組成。這種層狀竹壁結構在竹壁周圍的纖維上表現十分明顯,對竹材的抗彎強度有重要意義,薄壁細胞纖維無層狀紋理。竹材與其它植物相比,在生態(tài)和形態(tài)上既有相同之處,也有不同之處。其重要的生長特征之一就是節(jié)間生長。竹材作為天然的生物復合材料,已經被國內外作為仿生材料研究的對象。與木材相比,竹材組織結構簡單,維管束和竹桿平行排列,因此抗劈性高,適合于彎曲加工。竹材的易劈性和分割性都優(yōu)于木材,幾乎是針葉樹木材平均值的2倍。竹材外皮層、維管束鞘、基本組織及內皮層對密度及抗壓強度均有影響,如外皮層及維管束鞘增加,密度就增加,基本組織及內皮層增加,密度就減小。竹材的抗拉強度約為針葉樹木材的4倍,為闊葉樹木材的2倍。竹材單位面積內的維管束數量、纖維束排列方向以及纖維本身的強度是影響竹材強度的重要因素。2竹材的物理性質2.1竹材的密度和生長在竹材研究方面,國內外對竹材的物理性質研究的較多,研究重點主要集中在密度、吸水率及干縮性等方面。密度在很大程度上決定著竹材的力學性質,密度主要取決于纖維含量、纖維直徑及細胞壁厚度,密度隨纖維含量增加而增加。今川一志對日本的世竹研究結果表明:竹桿的密度以地下和基部為最大,越到上部越小。杜復元對浙江省10個竹種2年生竹材的實質密度、絕干密度和孔隙度的測試結果表明:叢生竹的實質密度比散生竹要大1.4%,絕干密度也要大于散生竹。絕干密度的變化是從基部到梢部、從里到外遞增,而孔隙度的變化與其相反,從基部到梢部遞減。竹材基本密度與纖維長度具有顯著的相關性,與纖維體積比量、壁腔比和長寬比之間有較顯著相關性,而與纖維寬度、壁厚度及纖維含量無顯著相關性。竹材的密度和竹材的竹桿部位、竹齡、立地條件以及竹種有關,竹桿上部和竹壁外側的密度大,基部和竹壁內側的密度小;竹材密度隨年齡的增長而不斷提高和變化。研究表明,立地條件好,竹子生長快,維管束密度低,竹材的密度就低;立地條件差,竹子生長慢,竹材密度大;生長在降雨少、氣溫低地區(qū)的竹類其密度較大,而在降雨多、溫度高地區(qū)的竹類其密度較小。竹材因維管束中的導管失水后收縮而收縮,其收縮率比木材要小。干燥后的竹材吸水性很強,吸水后,體積膨脹,強度降低。干燥后再浸水的竹材的膨脹率比氣干竹材低,膨脹速度也較快。隨著對竹材利用的研究越來越多,竹材的滲透性正逐漸引起人們的關注。滲透性的優(yōu)劣對竹材的藥劑處理、干燥、染色和膠合加工工藝等均有重要影響。與木材不同,竹材組織中沒有射線細胞,因此,處理劑及水分不能沿射線滲入。竹莖成熟后,由于膠狀物質的沉積及侵填體的聚積,導管和篩管不再具有滲透性。與針葉材的形成層活性不同,竹材輸導組織在其整個生長期內都有影響,但在數量上沒有任何增加。2.2干燥條件對竹材干燥特性的影響竹材干燥是竹材工業(yè)化利用不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。由于竹材本身各向異性的特點以及其固有的節(jié)間組織,如干燥不好勢必造成開裂等各種現象發(fā)生。竹壁外側的維管束微小,但數量多,而竹壁內側的維管束大而少。由于這種獨特的結構,竹桿干燥時很容易劈裂。如果采用高溫干燥,當溫度從60℃升到120℃時,竹材(桂竹)不會出現開裂現象。近年來對竹材干燥特性的研究不是很多,研究的焦點主要集中于干燥方式的選用及干燥參數的確定,竹材干燥通常采用自然干燥法。Sharama對印度的9個竹種的氣干和窯干的試驗結果顯示:就整竹干燥而言,窯干與氣干相比,竹桿表面更易開裂、內裂和變形,故不適于整竹干燥。黃竹極易干燥,有時干燥開始表面有細小裂縫,但隨后愈合;印度刺竹干燥時無大的變化,成熟竹桿干燥較慢;B.hamlitonii竹干燥快,效果好;牡竹干燥時間長,成熟竹材干燥結果令人滿意。王建和測定了竹材膠合板用竹片(毛竹)脹縮的變化規(guī)律:徑向大于弦向大于縱向;有竹節(jié)處大于無竹節(jié)處;竹片含水率和密度相關,且隨竹齡和立地條件不同呈較大差異;竹片宜采用熱風氣流循環(huán)干燥,以保持其平整。由于溫度和濕度隨自然環(huán)境而變化,所以一般情況下很難保持竹桿的含水率穩(wěn)定。3竹齡與竹材力學強度的關系竹材力學性質主要為順紋抗拉強度和彈性模量、順紋抗壓強度和彈性模量和順紋剪切強度以及順紋靜曲強度和彈性模量等。竹材的力學強度隨含水率的增高而降低,但當竹材處于絕干條件下時,因質地變脆,強度反而下降。竹桿上部比下部的力學強度大,竹壁外側比內側的力學強度大。毛竹節(jié)部的抗拉強度比節(jié)間的低1/4,而其它的力學性質均比節(jié)間高,原因是節(jié)部維管束分布彎曲不齊,受拉時易被破壞。竹材的力學強度一般隨竹齡的增長而提高,但當竹桿老化變脆時,強度反而下降。立地條件越好,竹材力學強度越低,小徑材比大徑材的力學強度高,有節(jié)整竹比無節(jié)竹段的抗壓強度和抗拉強度都要高,整竹劈開后的彎曲承載能力比整竹要低,氣干試樣的壓縮強度、抗拉強度、彈性模量和破裂模量要比新鮮試樣高得多,竹壁外側的破裂模量較高,而彈性模量沒有改變。就強度和成本而言,竹子被認為是自然界中效能最高的材料。Sanyal收集了有關竹子物理力學特性的數據,其中包括:在未干燥和干燥條件下竹種的強度特性;在未干燥和干燥條件下竹種的平均直徑和彈性系數;牡竹的平均強度;牡竹和最重的木材及最輕的木材之間的強度比較。Mously對埃及的3個竹種的力學性質分析結果表明:竹材的抗彎強度、彈性模量、抗拉強度和抗壓強度與山毛櫸木材相當,竹桿的機械性質特別是抗拉強度和壓縮強度高,在建筑結構材料中尤其是空間珩架,竹桿可以代替木材和金屬使用。TahirHM的研究結果表明,竹齡對竹材的物理和機械性能起重要作用,竹齡越高,強度越大。一般來講,竹齡與竹材的力學強度有較密切的關系。竹材維管束是竹材的重要組成部分。維管束由許多厚壁纖維細胞組成,是影響竹材力學性質的重要因素。4竹材木素結構研究尚未取得較大進展目前對竹材化學性質的研究主要集中于以下幾個方面:竹材的基本成分研究,主要研究不同竹種、同種竹種的不同部位及不同生長階段的竹材的纖維素、半纖維素及木素含量的變化;竹材木素結構的研究,由于在竹材造紙過程中,木素的去留對造紙的質量和工藝影響很大,故開展對木素結構研究的較多,但目前尚無突破性進展。竹材中除了纖維素、半纖維素及木素外,還有一定數量的抽提物,如蛋白質、淀粉、蠟、脂肪和樹脂等。這些低分子和高分子化合物不是竹材組織的結構物質,是竹材化學組成的次要成分,但其抽提物類型和數量的變化,不僅對竹材的色香味、抗蟲、抗菌性及耐久性有密切關系,而且對竹材材質的均勻性也有重要影響。由于竹材在使用過程中易遭蟲蛀和發(fā)霉的特性,對竹材中糖類及淀粉的研究主要集中在糖及淀粉的含量以及不同采伐期不同部位的糖及淀粉含量的變化。4.1竹材的組成結構竹材的化學成分類似于木材,但又有別于木材。竹材主要由纖維素、半纖維素和木素組成,一般來講,整竹由50%～70%的全纖維素、30%的戊聚糖和20%～25%的木素組成,竹子的化學成分在不同的屬種之間會有一些差別,部分原因是與微管束類型的不同有關。竹材的基本化學成分與竹桿高度及部位有密切關系,如竹桿外側的纖維素明顯多于竹桿內側,而竹桿內側的木素又明顯多于竹桿外側。中國林業(yè)科學研究院早在1963年即對8種竹材的化學成分進行了研究,其取樣分上、中、下不同部位,劈碎混均,測定了全竹的平均化學成分。從造紙角度考慮,國內的不少研究機構對竹材纖維長度、組織比量和灰分含量等都進行了研究。張伏全對龍竹的研究結果表明:龍竹纖維含量為51.49%,接近于木材,比草類高10%;纖維組織比量高,壁腔比小,具有良好的造紙性能。吳姣平等對小雜竹的分析結果表明,其纖維原料木素含量高,灰分低于草類,纖維較細長,與闊葉材接近,纖維壁厚腔小,雜細胞多,制漿用堿量多。龔鎖榜對3年生毛竹化學組份分析結果表明:3年生毛竹的灰分為1.48%,冷水抽出物為4.4%,熱水抽出物為6.24%,1%NaOH抽出物為27.25%,聚戊糖為20.2%,木素為25.2%,綜纖維素為78.75%。馬靈飛對毛竹竹材材性的研究結果表明:竹材的組織比量與竹齡無顯著相關,與胸徑有一定相關,纖維素含量和基本密度與竹齡、胸徑、竹桿部位均有關系。纖維組織比量隨竹竿胸徑增加而減少,纖維素含量隨竹齡增加而減少,竹子3年生時的纖維素含量基本趨于穩(wěn)定,基本密度隨竹齡增加而減少。纖維素含量、基本密度與胸徑存在一定的負相關關系。國外對竹材化學成分也進行了相關的研究。Latif于1997年測定了馬來西亞最普通的竹種(Gigantochloascotechinii)的組織結構特征和化學成分,并評價了竹齡及竹高與竹材性質間的關系。其研究結果表明:竹材的化學成分與竹齡及竹高的關系甚少,通常竹材化學成分中α-纖維素和熱水抽提物含量、木素和纖維素含量隨著竹齡增加而提高。4.2立地條件對竹材結合酸、食酸、可溶性酸的影響與木材相比較,竹材的pH值變化范圍偏小。馬靈飛等對雷竹和毛金竹等21種竹材的pH值和緩沖容量測試結果表明:竹材的pH值在4.80～6.66之間,平均為5.698,呈弱酸性。散生竹變化范圍較大,在5.42～6.66之間。叢生竹較小,在4.80～5.72之間,且pH值普遍較散生竹小。大部分散生竹的基部pH值較梢部大。而叢生竹則是梢部較基部大。叢生竹的pH值變異性較大。竹材的pH值受抽提時間和蒸餾水比例的影響較大。散生竹的酸堿緩沖容量變化較大,其范圍在0.1522～0.5568meq之間,叢生竹相對較小,變化范圍在0.0919～0.2534meq之間。王思群等對毛竹的研究結果表明:竹材結合酸含量范圍為0.207～1.80meqg/100g;可溶性酸含量范圍0.211～2.228meqg/100g。膠粘劑的固化時間與結合酸含量及總酸含量關系密切,其中結合酸相關性比總酸量關系更為密切,總酸量增加,固化時間縮短。4.3竹材的不均勻性竹材化學成分是影響竹材性質和利用的重要因素,它賦予竹材一定的強度和其它的物理力學性質。與木材相比,竹材纖維素、半纖維素和木素的分布具有極大的不均勻性,纖維素由外及內逐漸減少,木素由內向外逐漸增多,這種不均勻性,對加工過程及工藝性能有明顯影響。竹材中的硅含量較高,影響竹材的紙漿及切削性能。另外,竹材中的淀粉含量比普通木材要高,因而容易發(fā)生蟲害和霉變。4.4不同材料對竹材淀粉分布的影響竹材中可溶性淀粉的含量為2%左右,淀粉總量為2%～6%,蛋白質含量為1.5%～6%,脂肪含量為2%～4%。竹材在存放和使用過程中極易受到蟲害及霉菌的影響,這與竹材中糖類與淀粉的分布差異有關。對信濃赤竹的研究結果表明:竹材的游離糖及淀粉含量隨季節(jié)性變化顯著,當年生竹材其淀粉含量只有0.1%～0.3%,隨著竹葉的急劇增加,到第2年發(fā)筍前淀粉含量達6%。因此在實