金寨毛竹纤维形态及化学成分1)

蔡燚 王宝金 官洁茹 胡凯 李鲲鹏 袁天成 王传贵

(南京林业大学，南京,210037) (安徽农业大学)

毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)属于禾本科竹亚科刚竹属[1],是我国用途最广泛的竹种。其中位于金寨县林业用地的面积已达2 980 km2，竹子的种植面积占200 km2，而毛竹的种植面积就占134 km2[2]。毛竹在全国分布范围非常广泛，也是制浆造纸原料之一，所以发展毛竹生产非常具有意义。国内学者对毛竹理化性质、力学性质的研究较多，竹材的产地大多来自于四川、云南、贵州等。例如张宏健等对云南4种典型材用丛生竹的化学成分研究，结果表明：云南龙竹(DendrocalamusyunnanicusHsueh et D. Z. Li)、甜龙竹(DendrocalamushamiltoniiNeesetArn. ex Munro)、黄竹(DendrocalamusmembranceusMunro)和油勒竹(B.lapideaMc Clure)的化学成分无显著差异，各项抽提物含量、蜡含量和二氧化硅含量较一般木材高，适合做竹人造板[3]。彭博等对四川两种竹材理化性质及纤维形态进行分析，研究结果得出：慈竹(Neosinocalamusaffinis)和绵竹(Lingnaniaintermedia)的抽提物含量高于毛竹，综纤维素和纤维素含量高于毛竹，并且慈竹和绵竹的顺纹抗压强度高于毛竹[4]。苟光前等对贵州的撑绿竹纤维形态特征及化学成分的初步研究行分析，研究表明：撑绿竹纤维平均长1 932.88 μm、宽14.03 μm、长宽比为138.05，是一优良的制浆造纸纤维，化学成分与其他竹种比较而言是一优良的纸浆原料竹[5]。李媛媛等对毛竹剩余物的化学成分及纤维形态的分析得出：毛竹采伐剩余物经硫酸盐法成浆后，纸浆得率为44.71%，有良好的成浆性能，有较高的抗张强度和耐破强度，比巨龙竹和龙竹要优良[6]。庞敏等对金寨一年生毛竹化学成分研究，得出：木质素含量从根部到顶部呈下降趋势且趋势越来越平缓；灰分含量随竹高增加而增加，其他化学成分含量无明显变异规律[7]。对于安徽毛竹的报道特别的少，并且大多数报道的竹材化学成分和纤维纤维形态的影响因素比较单一，笔者对3～5年生金寨毛竹不同竹干高度和径向的纤维形态及不同竹干高度化学成分分析，为金寨毛竹的合理利用提供科学依据，为大别山山区竹子原料的特性提供基础的数据。

1 材料与方法

1.1 毛竹的采集

本实验所用的3、4和5年生的毛竹试材均采自于六安市金寨县青山镇(31.43°N,115.90°E)。每一个竹子选取生长良好、无病虫害、无缺陷的竹子，从竹干底部往上1.5、3.5、5.5、7.5 m处做上标记线，截取每个标记线往上20 cm的竹段，分别标记为1、2、3、4再运回实验室，气干至含水率12%～15%以供使用。

1.2 纤维形态材料

根据斐韵文等对毛竹断面竹青、竹黄界定方法的研究[8]，将标号为1、2、3、4的竹段按照竹青、竹黄、竹中分离出来。将分离出来的竹青、竹中和竹黄分别剪成5 cm左右的火柴棒大小，适量装入试管中，贴上标签。

1.3 化学成分材料

将以供使用的20 cm竹段切成竹条，然后取大约200 g的竹条分别用粉碎机磨碎后，筛选能通过40目而不能通过60目的竹粉，待其冷却后，分别将其编号放入密封袋，供分析实验使用[4]。

1.4 纤维形态的测量方法

将准备好装有试样的试管，按照V(冰醋酸)∶V(双氧水)=1∶1的比例将冰醋酸和双氧水混合溶液放入试管中，淹没试样，在70～80 ℃水浴锅中浸泡试样约6 h；离析后在40倍的显微镜下测试完整纤维的长度，在每根纤维中间部位测试其宽度，并且计算出其长宽比[4]，每个试样测定200根完整的纤维。然后应用数理统计的方法，运用Excel等分析软件，分析每个指标之间的差异。

1.5 化学成分的测量方法

毛竹的化学成分按照GB/T742—2008《造纸原料、纸浆、纸和纸板灰分测定》、GB/T2677.10—1995《造纸原料综纤维素含量测定》、GB/T2677.10—1995《造纸原料酸不溶木质素含量测定》、GB/T2677.6—1994《造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量》、GB/T2677.6—1994《苯醇抽提物含量的测定》进行测量。测定指标包括灰分、综纤维素、酸不溶木质素、1%氢氧化钠抽出物、苯醇抽提物质量分数，其中纤维素采用硝酸-乙醇法测得。

2 结果与分析

2.1 毛竹的纤维形态

2.1.1 纤维长度

纤维长度是影响纤维原料质量的一个重要指标，纤维长度越大，纸张的抗张强度、耐破度及耐折度越好[9]。刘波等认为纤维长度在7～17 d迅速增大，从17 d到第8年内保持稳定，不再增长[10]。王鹏程等认为纤维长度随着竹龄增加呈现先增大后减小的趋势[11]。由表1可知：在轴向上3～5年生毛竹的纤维长度在513.7～3 376 μm。由图1可知：金寨毛竹随着竹龄增大影响较大，在竹干高度1.5～7.5 m部位的平均纤维长度随着竹龄增加逐渐增加。Grosser et al.认为纤维长度随着竹高增加呈现下降的趋势[12]，另有学者认为纤维长度在轴向上不同部位差异不大。3年生和4年生毛竹随着竹干高度增加先减小后增大，在竹干高度7.5 m和1.5 m处的平均纤维长度差异不大。5年生毛竹随着竹干高度增加整体呈现增加的趋势。从总体来说，平均纤维长度随着竹干高度增加没有一定的变异规律。

表1 3～5年生毛竹在轴向上的纤维形态特征

王鹏程等认为随着竹龄增加，竹青、竹中和竹黄纤维长度变化差异并不显著，在径向上纤维长度从大到小依次为竹中、竹青、竹黄[11]。马灵飞等认为在竹干径向的变异规律是中层较长，内层次之，外层较短[13]。由表2可知：在径向上3～5年生毛竹的纤维长度在513.7～3 568.2 μm。由图1可知：竹青、竹中和竹黄处的纤维长度随着竹龄增加没有一定的变化规律，竹青先减小后增大，竹中一直增大，竹黄先增大后减小。从总体来看，平均纤维长度从大到小依次为竹中、竹青、竹黄，符合前人研究的规律。

图1 平均纤维长度随竹龄、竹干离地高度变化曲线

表2 3～5年生毛竹在径向的纤维形态特征

2.1.2 纤维宽度

纤维宽度对纸张强度无直接影响，但是纤维宽度影响纤维的长宽比，因此对纸张有一定的影响[9]。马灵飞等认为纤维宽度和竹龄没有关系[13]，王鹏程等认为在竹龄1～5 a随着竹龄的增加，纤维宽度先增加再减小再增大[11]。由表1可知：在轴向上3～5年生的纤维宽度在3.8～30.4 μm。由图2可知：随着竹龄的增加，竹干高度1.5～7.5 m处平均纤维宽度先减小再增大，在4年生的时候平均纤维宽度最小。王朝辉等认为随着竹干高度增加纤维宽度变异不明显，从基部往上随竹干高度的增加，纤维宽度先增加到最大值后又迅速下降[14]。崔敏等认为随着竹干高度的增加，纤维宽度呈现小幅度增加[15]。由图2可知：随着竹干高度增加，5年生毛竹平均纤维宽度逐渐增加，3年生和4年生毛竹先减小后增大，在竹干高度为5.5 m处平均纤维宽度最小。总体来看，随着竹干高度的增加，纤维宽度呈现增加的趋势。

由表2可知：在径向上3～5年生毛竹纤维宽度在3.2～32.5 μm。由图2可知，随着竹龄的增加，竹青的平均纤维宽度逐渐增加，竹中和竹黄先减小后增大，从总体上来看竹青、竹中和竹黄的平均纤维宽度随着竹龄增加呈现增加的趋势。对于3～5年生毛竹，平均纤维宽度从大到小依次为竹青、竹中、竹黄。李权等认为竹壁外层纤维宽度最大，中层和外层纤维较小[16]。王鹏程等认为纤维宽度从大到小为竹青、竹中、竹黄[11]。本实验的结果和前人毛竹纤维宽度变异的结果是一致的。

2.1.3 纤维长宽比

纤维长宽比是影响纸张质量的重要因子之一。纤维长宽比在80～150为优质材，比值大的适合制浆造纸，纤维长宽比低于45的不宜制浆造纸，长宽比大于100的是优良的造纸原料。李权等研究1、2、4和6年生的竹材，认为在竹龄4 a之前，纤维长宽比一直减小，在竹龄为6 a时候纤维长宽比变大[16]。马灵飞等认为纤维长宽比和轴向的不同部位、竹龄没有关系，存在显著差异[13]。由图3可知：竹干高度在1.5、3.5、5.5 m处平均纤维长宽比随着竹龄增加先增加后减小，在4年生时候达到最大值，竹干高度在7.5 m处随着竹龄增加而增加。3～5年生毛竹的平均纤维长宽比随着竹干高度的增加呈现减小—增加—减小的趋势，并在竹干高度为5.5 m处平均纤维长宽比达到最大值。

图2 平均纤维宽度随竹龄、竹干离地高度变化曲线

由图3可知：在径向上平均纤维长宽比与竹龄的增加没有一定变异规律。竹中随着竹龄增加而增加，竹青随着竹干竹龄增加先减小后增大，竹黄随着竹龄增加先增大后减小。4年生竹青的纤维长宽比小于竹黄，原因是因为4年生竹青的平均纤维宽度大于竹黄。3年生和5年生的纤维长宽比竹青大于竹黄，因为竹青的平均纤维长度大于竹黄。

图3 平均纤维长宽比随竹龄、竹干高度变化曲线

2.2 毛竹的化学成分

2.2.1 灰分

毛竹体内含有一定的矿质元素，其燃烧之后产生灰分，主要是钾、钠、钙的无机盐类和二氧化硅等成分[16]。毛竹灰分质量分数是指毛竹原料经高温焚烧后所剩的残渣与原料绝干质量之比[4]。由表3可知：3年生和5年生毛竹灰分随着竹干高度的增加而增加。4年生毛竹灰分质量分数基本呈增加—减小—增加的趋势。从总体来说，随着竹干高度的增加毛竹灰分质量分数呈现增大的趋势。竹干高度1.5～7.5 m处毛竹灰分质量分数随着竹龄的增加逐渐减小，灰分总质量分数在0.73%～2.07%，灰分所占的比例很小，其质量分数对制浆造纸没有太大的影响。

表3 3～5年生毛竹的主要化学成分

2.2.2 综纤维素

综纤维素是指纤维原料中碳水化合物的全部，包括纤维素和半纤维素[9]。综纤维素含量越高，其纸浆得率越高[18]。由表3可知：3年生和5年生毛竹综纤维素质量分数随着竹干高度的增加基本趋于稳定，3年生毛竹综纤维素质量分数维持在70%左右，5年生综纤维素质量分数维持在78%左右。4年生毛竹在竹干高度1.5～5.5 m处趋于稳定，在竹干高度5.5～7.5 m处略微增加。竹干不同高度的综纤维素随着竹龄的增加呈现减小再增加的趋势，在4年生出现最小值。综纤维素总质量分数在67.01%～77.96%。

2.2.3 酸不溶木质素

木质素是由苯丙烷结构单元构成的具三维结构的天然高分子化合物，是植物体内一个重要的化学成分[19]。在生产纸浆时，要去除原料中80%以上的木质素，木质素质量分数高，蒸煮困难，消耗的化学药品也相对较多[20]。由表3可知：3年生毛竹的酸不溶木质素在竹干高度1.5～3.5 m处和5.5～7.5 m处趋于稳定，在3.5～5.5 m处呈现增加的趋势，3～5年生毛竹随着竹干高度增加总体呈现增加的趋势。竹干高度1.5～7.5 m处的酸不溶木质素随着竹龄增加没有一定变化规律，竹干高度1.5 m处的酸不溶木质素随着竹龄先减小再增加，竹干高度3.5 m处的酸不溶木质素随着竹龄增加先增加再减小，竹干高度5.5 m处的酸不溶木质素随着竹龄增加先减小再趋于稳定，竹干高度1.5 m处的酸不溶木质素随着竹龄增加先增加再趋于稳定。毛竹酸不溶木质素总质量分数在23.83%～25.77%。

2.2.4 纤维素

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁中的主要成分[21]。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上[22]。由表3可知：3～5年生毛竹的纤维素质量分数随着竹干高度的增加没有一定的变化规律。3年生毛竹纤维素质量分数在竹干高度1.5～3.5 m处趋于稳定，在竹干高度3.5～7.5 m处呈现增加再减小的趋势。4年生毛竹随着竹干高度的增加呈现减小—增加—增加的趋势。5年生毛竹随着高度增加呈现减小—减小—增大的趋势。竹干高度在1.5～7.5 m处毛竹的纤维素质量分数随着竹龄的增加先减小再增大。纤维素总质量分数在42.96%～45.92%。

2.2.5 1%氢氧化钠抽提物

毛竹1%氢氧化钠抽提物质量分数是指：采用热1%氢氧化钠溶剂萃取法从毛竹试样中提取抽提物的质量分数，其值在一定程度上反映了毛竹耐腐蚀性的程度。由表3可知：3～5年生毛竹的1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹干高度的增加没有一定的变化规律。3年生毛竹1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹干高度的增加呈现减小—减小—增大的趋势，4年生毛竹随着竹干高度的增加呈现减小—减小—增加的趋势，5年生毛竹随着竹干高度的增加呈现增加—增加—减小的趋势。竹干高度1.5～7.5 m处的1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹龄增加没有一定的变化规律，竹干高度为1.5 m处1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹龄的增加先增加再减少，竹干高度3.5 m处的1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹龄的增加趋于稳定，竹干高度5.5 m处的1%氢氧化钠质量分数随着竹龄增加逐渐增加，竹干高度7.5 m处的1%氢氧化钠抽提物质量分数随着竹龄增加先增加再减少。毛竹1%氢氧化钠抽提物总质量分数大约在24.67%～26.73%。

2.2.6 苯醇抽提物

由表3可知：3～5年生毛竹的苯醇抽提物质量分数随着竹干高度的增加没有一定的变化规律。3年生毛竹苯醇抽提物的质量分数随着竹干高度增加呈现减小—增加—增加的趋势，4年生毛竹苯醇抽提物的质量分数随着竹干高度增加呈现增加—减小—减小的趋势，5年生毛竹苯醇抽提物的质量分数随着竹干高度的增加呈现增加—增加—减小的趋势。竹干高度1.5～7.5 m处苯醇抽提物的质量分数随着竹龄的增加先减小再增加。苯醇抽提物总质量分数在0.81%～4.86%。

3 结论

分析3～5年生金寨毛竹的纤维形态得出：毛竹的平均纤维长度随着竹龄的增加逐渐增加，随着竹干高度的增加平均纤维长度没有呈现明显的变异规律。平均纤维长度从大到小依次为竹中、竹青、竹黄、平均纤维长度大于1 500 μm，优于一般阔叶材(平均纤维长度为1 400 μm)，属于长纤维类；毛竹的平均纤维宽度随着竹龄的增加先减少再增加，随着竹干高度的增加总体呈现增加的趋势；毛竹的平均纤维长宽比在竹干高度为5.5 m处达到最大值，毛竹的平均纤维长宽比均大于100(长宽比大于100是优良的造纸原料)。综合纤维长度和纤维长宽比，可知3～5年生金寨毛竹是优良的纸浆造纸原料。

分析3～5年生金寨毛竹的化学成分得出：灰分质量分数在0.73%～2.07%，并且随着竹龄的增加呈现减小的趋势，随着竹干高度的增加呈现增加的趋势；综纤维素质量分数在67.01%～77.96%，并且随着竹干高度的增加趋于稳定，随着竹龄的增加呈现增加的趋势；苯醇抽提物质量分数在0.81%～4.86%，纤维素质量分数在42.96%～45.92%，苯醇抽提物和纤维素质量分数随着竹龄增加先减小再增加；1%氢氧化钠抽提物总质量分数在24.67%～26.73%，酸不溶木质素总质量分数在23.83%～25.77%。纤维素、1%氢氧化钠抽提物、酸不溶木质素和苯醇抽提物质量分数随着竹干高度的增加没有一定变化规律。