淺談竹材特性

淺談竹材特性

目前，國內(nèi)外對(duì)竹材的研究主要集中在竹材料的微觀解剖特征、物理力學(xué)性質(zhì)和性質(zhì)上。本文對(duì)竹材的性質(zhì)、化學(xué)成分和性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、干燥特性、生物力學(xué)特性、微觀和超微觀解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。1竹材的解剖性質(zhì)1.1界面材性的變異與木材相比,竹材的解剖性質(zhì)及特征的研究相對(duì)進(jìn)行的較少,起步也較晚。竹材的解剖特征有其自身的特點(diǎn),竹材的節(jié)間細(xì)胞全部嚴(yán)格縱向排列,缺少像木材那樣的徑向分布的薄壁細(xì)胞和射線細(xì)胞。中國(包括臺(tái)灣)以及德國在此方面進(jìn)行了較多的研究。如李正理等對(duì)24種國產(chǎn)竹材的解剖特征進(jìn)行了觀察比較,溫太輝等對(duì)中國竹類的維管束解剖形態(tài)進(jìn)行了研究;吳順昭等對(duì)臺(tái)灣產(chǎn)竹材解剖特征與滲透性關(guān)系進(jìn)行了研究,指出了竹材滲透深度和水分移動(dòng)與解剖性質(zhì)間有極顯著的相關(guān)關(guān)系的論點(diǎn),但未提及界面材性的變異對(duì)滲透性的影響。方偉對(duì)國產(chǎn)10屬15種竹材的內(nèi)部構(gòu)造觀察結(jié)果表明:叢生竹與散生竹之間在桿部構(gòu)造上的差異很顯著,維管束構(gòu)造、薄壁組織細(xì)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(guān)系,并認(rèn)為竹材內(nèi)部構(gòu)造可以作為種屬鑒別的依據(jù)之一。竹壁中部和竹桿中部的纖維較長(zhǎng),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(cè)的纖維徑向較小,腔徑也有類似變化。王菊華的研究結(jié)果顯示:竹材中纖維細(xì)胞占60%～70%,其余為薄壁細(xì)胞、石細(xì)胞、導(dǎo)管和表皮細(xì)胞等。纖維平均長(zhǎng)度隨品種而異,多在1.5～2.0mm之間,寬度為15～18μm,纖維細(xì)胞壁較厚,腔徑小,纖維壁上明顯有節(jié)狀加厚。薄壁細(xì)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(dǎo)管較大,長(zhǎng)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(jié)構(gòu),即細(xì)胞壁相對(duì)較厚的纖維和相對(duì)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(xiàn)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(qiáng)對(duì)慈竹及黃竹2種竹材在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下的觀察結(jié)果表明,二者的平均纖維長(zhǎng)度在2mm左右,帶狀薄壁纖維較多。纖維細(xì)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(jié)構(gòu)和特性竹材作為一種生物材料,是植物中作為結(jié)構(gòu)材的最好的原料之一,它具有強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定、密度小的特點(diǎn)。竹材的比強(qiáng)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(nèi)部構(gòu)造決定其性能,竹材的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)之間有著重要的聯(lián)系。冼杏娟對(duì)毛竹和蒿竹的研究結(jié)果顯示:竹材主要由起承載作用的纖維厚壁細(xì)胞和起連接作用并傳遞載荷的薄壁細(xì)胞基體所組成。竹材具有良好的比強(qiáng)度和比剛度,是其厚壁細(xì)胞竹纖維排列整齊的結(jié)果。從宏觀性能上看,毛竹高于蒿竹,上部大于基部,竹壁外側(cè)高于內(nèi)側(cè),這與纖維組織細(xì)密、纖維層厚和纖維密度等因素有關(guān)。某些竹材的超微結(jié)構(gòu)特征是具有層狀的厚次生壁結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)在竹壁周圍的纖維上表現(xiàn)十分明顯,對(duì)竹材的抗彎強(qiáng)度有重要意義,薄壁細(xì)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(zhǎng)特征之一就是節(jié)間生長(zhǎng)。竹材作為天然的生物復(fù)合材料,已經(jīng)被國內(nèi)外作為仿生材料研究的對(duì)象。與木材相比,竹材組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)皮層對(duì)密度及抗壓強(qiáng)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(nèi)皮層增加,密度就減小。竹材的抗拉強(qiáng)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(nèi)的維管束數(shù)量、纖維束排列方向以及纖維本身的強(qiáng)度是影響竹材強(qiáng)度的重要因素。2竹材的物理性質(zhì)2.1竹材的密度和生長(zhǎng)在竹材研究方面,國內(nèi)外對(duì)竹材的物理性質(zhì)研究的較多,研究重點(diǎn)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(xué)性質(zhì),密度主要取決于纖維含量、纖維直徑及細(xì)胞壁厚度,密度隨纖維含量增加而增加。今川一志對(duì)日本的世竹研究結(jié)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(fù)元對(duì)浙江省10個(gè)竹種2年生竹材的實(shí)質(zhì)密度、絕干密度和孔隙度的測(cè)試結(jié)果表明:叢生竹的實(shí)質(zhì)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(zhǎng)度具有顯著的相關(guān)性,與纖維體積比量、壁腔比和長(zhǎng)寬比之間有較顯著相關(guān)性,而與纖維寬度、壁厚度及纖維含量無顯著相關(guān)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(guān),竹桿上部和竹壁外側(cè)的密度大,基部和竹壁內(nèi)側(cè)的密度小;竹材密度隨年齡的增長(zhǎng)而不斷提高和變化。研究表明,立地條件好,竹子生長(zhǎng)快,維管束密度低,竹材的密度就低;立地條件差,竹子生長(zhǎng)慢,竹材密度大;生長(zhǎng)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(dǎo)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(qiáng),吸水后,體積膨脹,強(qiáng)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(duì)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(guān)注。滲透性的優(yōu)劣對(duì)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(xì)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(zhì)的沉積及侵填體的聚積,導(dǎo)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(dǎo)組織在其整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)都有影響,但在數(shù)量上沒有任何增加。2.2干燥條件對(duì)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(gè)重要環(huán)節(jié)。由于竹材本身各向異性的特點(diǎn)以及其固有的節(jié)間組織,如干燥不好勢(shì)必造成開裂等各種現(xiàn)象發(fā)生。竹壁外側(cè)的維管束微小,但數(shù)量多,而竹壁內(nèi)側(cè)的維管束大而少。由于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu),竹桿干燥時(shí)很容易劈裂。如果采用高溫干燥,當(dāng)溫度從60℃升到120℃時(shí),竹材(桂竹)不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。近年來對(duì)竹材干燥特性的研究不是很多,研究的焦點(diǎn)主要集中于干燥方式的選用及干燥參數(shù)的確定,竹材干燥通常采用自然干燥法。Sharama對(duì)印度的9個(gè)竹種的氣干和窯干的試驗(yàn)結(jié)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(nèi)裂和變形,故不適于整竹干燥。黃竹極易干燥,有時(shí)干燥開始表面有細(xì)小裂縫,但隨后愈合;印度刺竹干燥時(shí)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(shí)間長(zhǎng),成熟竹材干燥結(jié)果令人滿意。王建和測(cè)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(guān),且隨竹齡和立地條件不同呈較大差異;竹片宜采用熱風(fēng)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(xué)強(qiáng)度的關(guān)系竹材力學(xué)性質(zhì)主要為順紋抗拉強(qiáng)度和彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量和順紋剪切強(qiáng)度以及順紋靜曲強(qiáng)度和彈性模量等。竹材的力學(xué)強(qiáng)度隨含水率的增高而降低,但當(dāng)竹材處于絕干條件下時(shí),因質(zhì)地變脆,強(qiáng)度反而下降。竹桿上部比下部的力學(xué)強(qiáng)度大,竹壁外側(cè)比內(nèi)側(cè)的力學(xué)強(qiáng)度大。毛竹節(jié)部的抗拉強(qiáng)度比節(jié)間的低1/4,而其它的力學(xué)性質(zhì)均比節(jié)間高,原因是節(jié)部維管束分布彎曲不齊,受拉時(shí)易被破壞。竹材的力學(xué)強(qiáng)度一般隨竹齡的增長(zhǎng)而提高,但當(dāng)竹桿老化變脆時(shí),強(qiáng)度反而下降。立地條件越好,竹材力學(xué)強(qiáng)度越低,小徑材比大徑材的力學(xué)強(qiáng)度高,有節(jié)整竹比無節(jié)竹段的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和破裂模量要比新鮮試樣高得多,竹壁外側(cè)的破裂模量較高,而彈性模量沒有改變。就強(qiáng)度和成本而言,竹子被認(rèn)為是自然界中效能最高的材料。Sanyal收集了有關(guān)竹子物理力學(xué)特性的數(shù)據(jù),其中包括:在未干燥和干燥條件下竹種的強(qiáng)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(shù);牡竹的平均強(qiáng)度;牡竹和最重的木材及最輕的木材之間的強(qiáng)度比較。Mously對(duì)埃及的3個(gè)竹種的力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果表明:竹材的抗彎強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與山毛櫸木材相當(dāng),竹桿的機(jī)械性質(zhì)特別是抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度高,在建筑結(jié)構(gòu)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(jié)果表明,竹齡對(duì)竹材的物理和機(jī)械性能起重要作用,竹齡越高,強(qiáng)度越大。一般來講,竹齡與竹材的力學(xué)強(qiáng)度有較密切的關(guān)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(xì)胞組成,是影響竹材力學(xué)性質(zhì)的重要因素。4竹材木素結(jié)構(gòu)研究尚未取得較大進(jìn)展目前對(duì)竹材化學(xué)性質(zhì)的研究主要集中于以下幾個(gè)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)的研究,由于在竹材造紙過程中,木素的去留對(duì)造紙的質(zhì)量和工藝影響很大,故開展對(duì)木素結(jié)構(gòu)研究的較多,但目前尚無突破性進(jìn)展。竹材中除了纖維素、半纖維素及木素外,還有一定數(shù)量的抽提物,如蛋白質(zhì)、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(jié)構(gòu)物質(zhì),是竹材化學(xué)組成的次要成分,但其抽提物類型和數(shù)量的變化,不僅對(duì)竹材的色香味、抗蟲、抗菌性及耐久性有密切關(guān)系,而且對(duì)竹材材質(zhì)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(duì)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(jié)構(gòu)竹材的化學(xué)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(xué)成分在不同的屬種之間會(huì)有一些差別,部分原因是與微管束類型的不同有關(guān)。竹材的基本化學(xué)成分與竹桿高度及部位有密切關(guān)系,如竹桿外側(cè)的纖維素明顯多于竹桿內(nèi)側(cè),而竹桿內(nèi)側(cè)的木素又明顯多于竹桿外側(cè)。中國林業(yè)科學(xué)研究院早在1963年即對(duì)8種竹材的化學(xué)成分進(jìn)行了研究,其取樣分上、中、下不同部位,劈碎混均,測(cè)定了全竹的平均化學(xué)成分。從造紙角度考慮,國內(nèi)的不少研究機(jī)構(gòu)對(duì)竹材纖維長(zhǎng)度、組織比量和灰分含量等都進(jìn)行了研究。張伏全對(duì)龍竹的研究結(jié)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(duì)小雜竹的分析結(jié)果表明,其纖維原料木素含量高,灰分低于草類,纖維較細(xì)長(zhǎng),與闊葉材接近,纖維壁厚腔小,雜細(xì)胞多,制漿用堿量多。龔鎖榜對(duì)3年生毛竹化學(xué)組份分析結(jié)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(duì)毛竹竹材材性的研究結(jié)果表明:竹材的組織比量與竹齡無顯著相關(guān),與胸徑有一定相關(guān),纖維素含量和基本密度與竹齡、胸徑、竹桿部位均有關(guān)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(shí)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(fù)相關(guān)關(guān)系。國外對(duì)竹材化學(xué)成分也進(jìn)行了相關(guān)的研究。Latif于1997年測(cè)定了馬來西亞最普通的竹種(Gigantochloascotechinii)的組織結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)成分,并評(píng)價(jià)了竹齡及竹高與竹材性質(zhì)間的關(guān)系。其研究結(jié)果表明:竹材的化學(xué)成分與竹齡及竹高的關(guān)系甚少,通常竹材化學(xué)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(duì)竹材結(jié)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(duì)雷竹和毛金竹等21種竹材的pH值和緩沖容量測(cè)試結(jié)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(shí)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(duì)較小,變化范圍在0.0919～0.2534meq之間。王思群等對(duì)毛竹的研究結(jié)果表明:竹材結(jié)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(shí)間與結(jié)合酸含量及總酸含量關(guān)系密切,其中結(jié)合酸相關(guān)性比總酸量關(guān)系更為密切,總酸量增加,固化時(shí)間縮短。4.3竹材的不均勻性竹材化學(xué)成分是影響竹材性質(zhì)和利用的重要因素,它賦予竹材一定的強(qiáng)度和其它的物理力學(xué)性質(zhì)。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(nèi)逐漸減少,木素由內(nèi)向外逐漸增多,這種不均勻性,對(duì)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(duì)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(zhì)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(guān)。對(duì)信濃赤竹的研究結(jié)果表明:竹材的游離糖及淀粉含量隨季節(jié)性變化顯著,當(dāng)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(dá)6%。因此在實(shí)