不同竹龄麻竹材气干密度、力学性质及燃烧性能的比较研究

尤龙杰，尤龙辉，涂永元，吴德淮，刘胜蓝

（1.福建省香产品质量检验中心，福建 永春 362600；2.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012）

不同竹龄麻竹材气干密度、力学性质及燃烧性能的比较研究

尤龙杰1，尤龙辉2，涂永元1，吴德淮1，刘胜蓝1

（1.福建省香产品质量检验中心，福建 永春 362600；2.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012）

为进一步发掘麻竹材加工利用潜力，通过对不同竹龄、不同部位麻竹材的气干密度、力学性质、燃烧性能及其相关关系进行分析。结果表明：（1）竹龄对麻竹材气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、点燃时间、释热速率、质量损失率、释烟总量及60、180、300 s比消光面积均有显著影响，而对抗拉强度无显著影响；（2）竹材部位对气干密度、顺纹抗拉强度、抗弯强度有显著影响，而对顺纹抗压强度、抗弯弹性模量无显著影响；（3）麻竹材顺纹抗拉强度：顺纹抗压强度：抗弯强度：抗弯弹性模量=3.06∶1.00∶2.63∶164.28；（4）麻竹材气干密度与顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、点燃时间、释烟总量、60 s比消光面积和300 s比消光面积呈显著正相关，且相关系数达到0.899～0.958。4 a生麻竹材的气干密度、力学性质及燃烧性能等指标渐趋基本稳定，利用简单易测的麻竹材气干密度能较准确预测评价麻竹材部分力学性质与燃烧性能。

麻竹材；竹龄；气干密度；力学性质；燃烧性能

麻 竹Dendrocalamus latiflorusMunro为 禾本科Gramineae竹亚科Bambusoideae牡竹属Dendrocalamus地下茎合轴型竹类植物（丛生竹），主要分布在福建、广东、广西、台湾、海南、云南、贵州及四川等地，是优良的笋材两用、速生大型丛生竹种之一[1-2]。

福建省麻竹种植面积占竹类种植面积的比重大，其中以永春县为典型，种植面积达1 057 hm2，占本县竹类种植总面积的13.46%，是竹产业发展的主要经济竹种之一。麻竹的经济价值主要以笋为主，其制成的笋干、罐头远销日本、欧美等国，而竹材的深加工利用较少，产品附加值较低。

福建永春制香历史悠久，其中篾香远销世界各地，而制作篾香的竹签，长期以来以毛竹Phyllostachys heterocycla(Carr.) Mitford cv.Pubescens材为主，制作成本较高，因此，研究麻竹材材性及加工工艺开发，不仅可为制作篾香寻求替代原材料，降低生产成本，而且能为进一步拓宽麻竹材的应用领域提供理论依据，从而提升麻竹材的经济利用价值，提高竹农收入，促进福建省乃至全国各地麻竹产业的发展。

目前，许多研究者对麻竹开展了大量的研究，主要集中在生物学特性[3]、生理生态特征[4-5]、遗传改良[6-7]及栽培技术[8]等方面，对麻竹材的物理力学性质及燃烧性能等方面的研究鲜见报道。本文通过开展不同竹龄、不同部位麻竹材气干密度、力学性质、燃烧性能及其相关关系的研究，探讨麻竹材作为制作篾香替代原材料的可能性，并为进一步挖掘麻竹材的开发利用潜力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2015年10月，在福建省永春县达埔镇麻竹种植场（118°10′26″E，25°18′46″N），选取秆材通直、无病虫害、胸径10～11 cm的不同竹龄（分别为0.5 a生、1 a生、2 a生、4 a生和6 a生）的麻竹各3株，共15株。齐地伐倒后，在2 m、4 m和6 m处向上分别截取长为800 mm的竹段试样，按竹龄分组编号后带回实验室。

1.2 试验方法

1.2.1 气干密度

选取未被破坏的抗弯强度试样端头，截取尺寸为20 mm（长）×10 mm（宽）×tmm（竹壁厚，下同）的竹块试样，沿径向从竹青至竹黄用手工依次劈制厚度约为1 mm的薄竹片5～7片（具体劈制数量视竹壁厚度而定），将薄竹片的毛刺用砂纸磨平，采用多点测量薄竹片厚度取平均值的方法，计算其体积，然后在薄竹片气干状态下称重计算其气干密度。计算公式为ρ=m/v，其中m为薄竹片重量，v为薄竹片体积。

1.2.2 物理力学性质

按照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》中的相关方法[9]，依次测定麻竹材的顺纹抗拉强度（试样尺寸为20 mm×20 mm×tmm）、顺纹抗压强度（试样尺寸为280 mm×10 mm×tmm）、抗弯强度（试样尺寸为160 mm×10 mm×tmm）和抗弯弹性模量。测量时试样为气干状态，含水率为10%～11%。

1.2.3 燃烧性能

为满足仪器测试要求，需将待测木材加工成边长为100 mm×100 mm×tmm的正方形试样。具体方法为：先从竹段试样劈取800 mm×16 mm×tmm的竹条，然后将其分8段劈制成100 mm×16 mm×tmm的小竹条并除青除黄，最后将小竹条利用竹扦拼制成100 mm×128 mm×tmm的待测试件，用锥形量热仪（CONE）测量不同竹龄、不同部位麻竹材的燃烧性能。本试验CONE的热辐射功率设置为50 kW/m2（对应温度约为743℃），数据读取频率为5 s/次。

1.3 数据处理

利用Excel 2010、SPSS 17.0对数据进行多因素方差分析、DUCAN多重比较及非线性回归等统计计算。

2 结果与分析

2.1 麻竹材气干密度特征

气干密度（Air-dry Density, ADD）主要反映木材在一定大气状态下，达到平衡含水率时密度大小的指标。从表1可以看出，随着竹龄的增大，各部位麻竹材ADD均呈现逐渐上升的趋势，其中以6 a生竹材平均ADD最大，为0.81 g·cm-3，0.5 a生最小，为0.61 g·cm-3。不同竹龄麻竹材ADD，从竹青到竹黄，整体上先呈现逐渐减小的趋势，至3/7处（即竹片编号3）时，下降幅度降低，ADD渐趋于稳定。竹青处的平均ADD最大，为1.06 g·cm-3，竹黄处最小，为 0.60 g·cm-3。此外，不同高度麻竹材ADD从下到上逐渐增大，其中6 m处竹材平均ADD最大，为0.76 g·cm-3，2 m处最小，为 0.69 g·cm-3。† 竹片编号1～7表示按次序对竹块从竹青到竹黄的切片编号；“±”表示均值标准差，下同。

表1 不同竹龄麻竹材的气干密度特征†Table 1 Air-dried density characteristics of Dendrocalamus latiflorus timber in different ages g·cm-3

对不同竹龄、不同高度、不同径向位置麻竹材的ADD进行方差分析与DUNCAN多重比较（见表2～表3），结果显示，0.5 a生、1 a生与4 a生、6 a生麻竹材ADD有显著差异（P＜0.05，下同），竹青至竹黄1/5、2/5、3/5位置与4/5位置、竹黄位置竹材ADD均有显著差异，不同高度麻竹材ADD差异不显著。

表2 麻竹材气干密度ANOVA表Table 2 Air-dried density ANOVA of Dendrocalamus Latiflorus timber

表3 麻竹材气干密度DUNCAN多重比较†Table 3 Air-dried density DUNCAN multiple comparison of Dendrocalamus Latiflorus timber

2.2 麻竹材力学性质分析

2.2.1 麻竹材力学性质

从表4可以看出，麻竹材的顺纹抗拉强度（Tension strength, TS）、顺纹抗压强度（Compressive strength, CS）、 抗 弯 强 度（Modulus of rupture,MOR）及抗弯弹性模量（Modulus of elasticity,MOE）4种力学性质从下部（2 m处）到上部（6 m处）总体上均呈现逐渐上升的趋势，但随着竹龄的增大呈现先增大后减小的趋势，其中4 a生麻竹材各力学性质均达到最大，分别为197.77 MPa、72.17 MPa、171.10 MPa和10.52 GPa。对不同高度、不同竹龄麻竹材的4种力学性质分别进行方差分析和DUNCAN多重比较（见表5～表6），结果显示，竹材在高度位置上，除TS在2 m、4 m处与6 m处存在显著差异外，其余各力学性质差异不显著；而不同竹龄的竹材除TS差异不显著外，其余各力学性质均表现出0.5 a生、1 a生、2 a生与4 a生、6 a生竹材存在显著差异。

表4 不同竹龄麻竹材的力学特性Table 4 Mechanical properties of Dendrocalamus Latiflorus timber in different ages

2.2.2 麻竹材各力学性质与竹龄的回归分析

从表7可以看出，各力学性质与竹龄的一元二次回归方程拟合效果较好，相关系数R2达到0.864～0.977。根据回归方程计算麻竹材4种力学性质间的比例关系可得：TS：CS：MOR：MOE=3.06∶1.00∶2.63∶164.28。因此，通过非破坏性测试麻竹材的CS，可估算其他3种力学性质。

表5 麻竹材力学特性ANOVA表Table 5 Mechanical properties ANOVA of Dendrocalamus Latiflorus timber

表6 麻竹材力学特性DUNCAN多重比较Table 6 Mechanical properties DUNCAN multiple comparison of Dendrocalamus Latiflorus timber

表7 麻竹各力学特性指标与竹龄的回归方程Table 7 The regression equation between mechanical properties and Dendrocalamus Latiflorus ages

2.3 麻竹材燃烧性能分析

2.3.1 点燃时间（Time to ignition, TTI）

TTI反映了木材被点燃的难易程度。从表8可以看出，随着竹龄的增加，麻竹材TTI呈现逐渐增大的趋势，而麻竹材从上部（6 m处）到下部（2 m处），TTI总体上呈现下降的趋势。对不同竹龄麻竹材的TTI进行方差分析与DUNCAN多重比较（表9～10），结果显示，0.5 a生、1 a生、2 a生麻竹与4 a生、6 a生麻竹材TTI有显著差异。

2.3.2 释热速率（Heat release rate, HRR）

HRR反映了木材燃烧释放热量的快慢程度。从图1和表8可以看出，不同竹龄麻竹材HRR变化趋势基本相同，可分成4个阶段：①主要是竹材表面从加热到点燃并大量释热的阶段，在47～55 s时出现第一个释热峰值（Peak heat release rate,pkHRR）（199.6～217.6 kW·m-2）；②竹材表面碳化，燃烧逐步向内部过渡，热量由外向内传导，HRR缓慢平稳；③竹材全面燃烧，进一步大量释热的阶段，在218～263 s时出现比第一pkHRR还高的第二pkHRR（235.0～276.1 kW·m-2）；④竹材碳化，火焰逐渐消失，进入无焰燃烧阶段，HRR迅速下降至趋于平稳。对不同竹龄麻竹材燃烧的HRR进行方差分析与DUNCAN多重比较（见表9～10），结果显示，除0.5 a生和2 a生、6 a生麻竹的第一pkHRR有显著差异外，其余差异均不显著。另外，竹龄增大使麻竹材第一、第二pkHRR出现的时间总体上均有所延迟。

表8 不同竹龄麻竹材的燃烧性能特征†Table 8 Combustion performance characteristics of Dendrocalamus Latiflorus timber in different ages

图1 释热速率曲线Fig.1 Heat release rate curve

2.3.3 质量损失率（Mass loss rate, MLR）

MLR反映了木材热解的快慢程度。由于麻竹材燃烧过程的MLR动态变化趋势与HRR基本一致，故未作图说明，但MLR峰值出现的时间较释热速率迟。对不同竹龄麻竹材MLR进行方差分析与DUNCAN多重比较（表9～表10），结果显示，仅6 a生麻竹与其他竹龄的MLR有显著差异。

2.3.4 释烟总量（Total smoke release, TMR）

TMR反映了木材燃烧过程释烟量的大小。从图2和表8可以看出，麻竹材燃烧过程的TMR变化趋势呈现倒“S”型。与HRR相同，TMR大致也可分成4个阶段：①从加热到点燃过程，TMR曲线斜率大，上升迅速；②竹材表面碳化，并逐渐向内部加热燃烧过程，TMR曲线斜率变小，上升变缓；③竹材全面燃烧过程，TMR曲线斜率又再次变大；④竹材碳化进入无焰燃烧过程，TMR曲线又迅速放缓至趋于平稳。可见，麻竹材的释热与释烟均主要发生在有焰燃烧过程。对不同竹龄麻竹材燃烧TMR进行方差分析与DUNCAN多重比较（表9～表10），结果显示，0.5 a生、1 a生、2 a生麻竹与4 a生、6 a生麻竹材的TMR有显著差异。

表9 不同竹龄麻竹材的燃烧性能ANOVA表Table 9 Combustion performance ANOVA ofDendrocalamus Latiflorus timber

表10 不同竹龄麻竹材的燃烧性能DUNCAN多重比较Table 10 Combustion performance DUNCAN multiple comparison of Dendrocalamus Latiflorus timber

图2 释烟总量曲线Fig.2 Total smoke release curve

2.3.5 比消光面积（Specific extinction area, SEA）

SEA反映了单位质量木材燃烧后产烟量的大小（以面积计）。由表8可以看出，随着竹龄的增大，竹材从点燃至燃烧60、180、300 s的平均SEA总体上均呈现上升的趋势。对不同竹龄麻竹材平均SEA进行方差分析与DUNCAN多重比较（表9～表10），结果显示，0.5 a生、1 a生、2 a生与4 a生、6 a生麻竹的平均SEA有显著差异。

2.4 麻竹材气干密度、力学特性及燃烧性能的相关性分析

从表11可以看出，麻竹材ADD与CS、MOR、MOE、TTI、TMR、SEAa60和 SEAa300呈显著正相关，且相关系数达到0.899～0.958，说明ADD对麻竹材大部分力学性质及燃烧性能均能产生较大的正向影响。除麻竹的TS与CS相关性不显著外，其余各力学性质间均存在显著正相关关系，相关系数达到0.939～0.997；另外，各力学性质与部分燃烧性能如TTI、TMR、SEAa60和SEAa300也存在正显著相关关系，相关系数达到0.918～0.993，说明麻竹材致密性越高、力学强度越大，越不易被点燃，释烟量越多。麻竹材燃烧性能除TTI与TMR、SEAa60及SEAa300间存在正显著相关关系外（相关系数达到0.987～0.998），其余各指标的相关性均不显著。

表11 麻竹材气干密度、力学特性及燃烧性能的相关性分析†Table 11 Correlation between air-dried density, mechanical properties and combustion performance of Dendrocalamus Latiflorus timber

3 讨 论

竹材ADD与竹材维管束分布密度、纤维比量等因素密切相关，可直观反映竹子生长过程的细微变化，对不同竹种的定向培育和竹材利用具有重要的指导意义[10]。本研究发现，竹龄越大，纵向不同高度、径向不同位置的麻竹材ADD均呈现逐渐增大的趋势，这与逐渐成熟的麻竹材纤维细胞次生壁连续增厚，微纤丝间木质素及导管腔内侵填体等物质不断沉积有关[11-12]。竹青位置附近麻竹材平均ADD相对较大，可能是因为竹青作为竹材的外保护层，其植物纤维组织排列致密，且靠近竹青位置的竹肉中用于输送水分和养分的维管束分布密度大、纤维组织比量高；相反，靠近竹黄位置的竹肉平均ADD相对较小，可能与此位置薄壁组织比量较高，维管束分布疏散有关[13-14]；而竹黄位置的平均ADD有所增加，则可能与竹黄位置含有多层厚壁石细胞有关[15]。此外，竹材从下部到上部维管束分布密度、纤维长度、纤维壁厚、纤维腔径比及壁腔比逐渐增大[16-18]，可能是导致麻竹材ADD从下部到上部逐渐增加的主要原因。与毛竹材ADD相关研究的比较发现[19]，竹龄及竹材部位因素对麻竹材ADD影响与毛竹材基本一致，毛竹材ADD变异范围为0.40～1.10 g·cm-3，而麻竹材ADD变异范围为0.42～1.14 g·cm-3，说明麻竹材ADD总体上高于毛竹材。

对竹材力学性质的各向异性分析，是竹材深加工利用的重要理论依据，也是检验其质量的重要指标[14-15]。本研究发现，麻竹材的TS、CS、MOR及MOE由下部2 m处（基部）至上部6 m处（梢部）总体呈现逐渐上升的趋势，这可能是由于上部维管束横断面小，导管孔径相对较窄，游离水含量较少，维管束分布密度较大，纤维组织比量高，力学强度较大[20]。随着竹龄的增加，麻竹材纤维细胞次生壁不断增厚，木质素也在纤维次生壁的微纤丝之间不断沉积，使纤维不断硬化，形成坚硬的纤维鞘和纤维股，因此力学强度亦随之增加[11]，至4～6 a时，竹材的高度木质化却使其质地变脆，力学强度反而下降。刘亚迪等[21]研究发现，福建省不同种源毛竹材（5 a生）平均TS、CS、MOR及MOE分别为216.7 MPa、76.91 MPa、160.2 MPa和10.1 GPa，本研究中，4 a生和6 a生麻竹材平均TS、CS、MOR及MOE分别为 197.8 MPa、72.2 MPa、171.2 MPa、10.52 GPa和 183.1 MPa、75.7 MPa、166.3 MPa、10.33 GPa，其中麻竹材平均TS和CS均小于毛竹材，而平均MOR和MOE均高于毛竹材。作为篾香制作工艺中必不可少的重要一环——“抡香”，要求篾香中香料助燃载体的竹签具有一定的抗弯强度，因此麻竹材具有替代以往制作篾香竹签的毛竹材的潜在优势。

本研究发现，竹龄对麻竹材的TTI、第一pkHRR、TMR及SEA有显著影响，且4 a生麻竹材各燃烧性能指标基本达到最大，而后略有下降，这可能是由于麻竹材主要组成成分中为竹材燃烧提供可燃性物质的纤维素、半纤维素、木质素和抽提物等随竹龄的增加不断积累，至麻竹生长到第4a时，可燃性物质组分含量已趋基本稳定，但不可燃灰分（无机物）物质含量仍继续增加，反而使6a生麻竹材的燃烧性能有所下降[22-23]，这有待于进一步研究验证。与卢凤珠等[24]对毛竹材燃烧性能相关研究（见表12）的比较发现，1 a、2 a、4 a及6 a生麻竹材的TTI均比对应竹龄毛竹材TTI大，说明麻竹材的阻燃性能优于毛竹材；除了1a生麻竹材第一pkHRR及2 a生麻竹材第二pkHRR小于毛竹材外，其余各竹龄麻竹材的第一、第二pkHRR及MLR、TMR、SEA均大于毛竹材，说明麻竹材点燃后火灾危险性大于毛竹材，但对于需要有较好助燃载体的篾香来说，麻竹材的燃烧性能优于毛竹材。

表12 不同竹龄毛竹材的燃烧性能特征[24]Table 12 Combustion performance characteristics of Phyllostachys edulis timber in different ages

许多研究证明，ADD可以有效预测木材的力学性质及燃烧性能[10,13,23-28]。通过对麻竹材ADD、力学性质及燃烧性能的相关性分析，探索三者间的相关关系，以期为利用简便易测的麻竹材ADD快速准确的预测评价其竹材力学性质及燃烧性能提供理论依据。本研究表明，麻竹材ADD与CS、MOR、MOE呈显著正相关关系，这可能与影响麻竹材ADD的维管束中纤维组织比量有关[29-31]，竹龄越高，维管束中纤维组织比量越大，竹材ADD越致密，力学强度越高。此外，麻竹材ADD与TTI、TMR、SEAa60和SEAa300亦呈显著正相关，这可能与决定麻竹材ADD的纤维细胞次生壁壁厚及其微纤丝之间木质素沉积量有关，因为较难热解的纤维素、木质素含量随着竹龄的增大不断累积增加，竹材ADD越致密，竹材越不易被点燃，燃烧过程释烟量越大[22,32-33]。麻竹材ADD与CS、MOR、MOE、TTI、TMR、SEAa60和SEAa300相 关系数达到0.899～0.958，说明麻竹材ADD能较准确预测竹材部分力学性质及燃烧性能。

4 结 论

（1）竹龄对麻竹材ADD、CS、MOR、MOE、TTI、HRR、MLR、TMR及SEAa60、SEAa180、SEAa300均有显著影响，而对TS无显著影响；

（2）竹材部位对麻竹材ADD、TS、MOR有显著影响，而对CS、MOE无显著影响；

（3）竹龄越大，麻竹材ADD越高，而TS、CS、MOR、MOE、TTI、HRR、MLR、TMR 则先逐渐上升，至第6 a有所下降；

（4）不同高度麻竹材从下到上，ADD、TS、CS、MOR及MOE均逐渐增大。

（5）麻竹材TS∶CS∶MOR∶MOE=3.06∶1.00∶2.63∶164.28；

（6）麻竹材气干密度与顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、点燃时间、释烟总量、比消光面积a60和比消光面积a300呈显著正相关，且相关系数达到0.899～0.958；

（7）本研究结果显示麻竹材的力学性质及燃烧性能与毛竹材有许多共同之处，其中4 a生的麻竹材各指标已渐趋基本稳定，以此竹材工艺成熟龄为依据确定的麻竹轮伐期较毛竹（一般需要5～6 a）短。因此，可考虑将其作为制作篾香的替代原材料之一，降低生产成本，同时也为拓展麻竹材在其他领域应用提供了科学依据。

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[本文编校：吴 彬]

Comparative study on air-dried density, mechanical properties and combustion performance ofDendrocalamus latiflorusMunro in different ages

YOU Longjie1, YOU Longhui2, TU Yongyuan1, WU Dehuai1, LIU Shenglan1
(1. Fujian Quality Inspection Center of Incense Products, Yongchun 362600, Fujian, China;2. Fujian Academy of Forest, Fuzhou 350012, Fujian, China)

In order to further explore the potential value of processing ofDendrocalamus latiflorusMunro timber, the air-dried density,mechanical property and combustion performance in different ages and positions ofD. latiflorustimber were comparative analyzed as well as the relationship between each other. The results showed that: (1) the age ofD. Latiflorushad a significant affect onD. Latiflorustimber’s air-dried density, compressive strength parallel to grain, bending strength, bending elastic modulus, ignition time, heat release rate, mass loss rate, total smoke release, and 60-second, 180-second, 300-second specific extinction area, but not on tensile strength parallel to grain. (2)The position ofD. Latiflorustimber also had a significant influence onD. Latiflorustimber’s air-dried density, tensile strength parallel to grain, and bending strength, but not on the compressive strength parallel to grain, and bending elastic modulus. (3)Tensile strength: compressive strength: bending strength: bending elastic modulus= 3.06∶1.00∶2.63∶164.28. (4)The air-dried density were significantly positively correlated with compressive strength, bending strength, bending elastic modulus, ignition time, total smoke release, 60-second specific extinction area, 300-second specific extinction area, and correlation coefficients range from 0.899 to 0.958. The air-dry density, mechanical property and combustion performance of 4-year-oldD. Latiflorustimber tend to be basically stable, and it was possible to accurately predict and evaluate parts of the mechanical property and combustion performance ofD.Latiflorustimber by using its air-dry density.

Dendrocalamus Latiflorustimber; bamboo ages; air-dried density; mechanical properties; combustion performance

S781.9 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2017)10-0124-09

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.020

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-12-26

福建省质监局科技项目“样品前处理——气相色谱联用技术在燃香未知成分检测的应用”（FJQI2016035）；泉州市科技基金项目“室内燃香未知成分的鉴定及其环境毒理学的初步研究”（2016N044）；福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室项目

尤龙杰，助理工程师

尤龙辉，工程师，硕士；E-mail：m378384996@126.com

尤龙杰，尤龙辉，涂永元，等. 不同竹龄麻竹材气干密度、力学性质及燃烧性能的比较研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(10): 124-132.