毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

李荣荣，贺楚君，彭 博，王传贵

（1. 南京林业大学 家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；2. 安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥230036）

竹材作为天然可再生、绿色环保的生物质纤维材料，具有强度高、生长周期短等优势，被广泛应用于家具、建筑结构、工具用具等不同领域[1−9]。其中，毛竹Phyllostachys edulis由于种植面积广、成材速度快、蓄积量高、价格低廉等优点，是工程材料中利用较为普遍的竹种之一，可用于制造竹胶合板、竹木复合材料、竹集成材、室内装饰材等产品[10−15]。然而，由于竹材的特异性，竹黄、竹青和竹肉性能存在一定差异。在实际生产中一般需对原竹进行去青、去黄处理，造成毛竹材利用率低等问题。研究毛竹材各部分性能特性，对合理利用毛竹材具有一定应用价值。如竹篾-单板复合材料，是一种利用去青原竹，沿径向剖分制备竹篾，串联成竹帘与单板复合，制备而成的新型竹木复合材料。针对竹材构造的特殊性，采用适当改性与处理方法[16]，充分合理利用竹青与竹黄，成为目前研究的重点，对于提高竹材利用率具有一定价值[17−18]。袁晶等[19]研究了维管束分布及结构对慈竹Neosinocalamus affins、花竹Bambusa albo-lineata及绿竹Dendrocalamopsis oldhami压缩性能的影响，发现竹材顺纹压缩性能与维管束分布密度呈正相关。维管束的分布密度是影响竹材压缩性能的结构因素之一。陈秋艳等[20]对绿竹不同部位物理化学特性的研究表明：竹材不同部位中纤维素含量从大到小依次为竹肉、竹青、竹黄；且竹肉的纤维素结晶度大于竹青和竹黄。竹青、竹黄表面结构较为致密，两者表面密度均大于竹肉的表面密度。竹材梯度结构对其力学性能也有一定影响，当竹黄受拉，竹青受压时，竹材的弯曲韧性最好；当竹黄受压，竹青受拉时，竹材弯曲模量最佳[21]。夏旭光等[22]对不同竹龄竹材的不同部位进行力学性能测试表明：竹材力学性能随竹龄增加呈增强趋势；竹材各单层顺纹抗压弹性模量呈非线性变化，竹青单层与竹黄单层模量相差较大，两者模量比值最大值达201%，比值最小值为173%。综上所述，竹材特殊结构与化学组成对各部位性能影响显著[23]，直接影响了竹木复合材料制备工艺及性能。本研究拟通过纤维显微特征观察、物理力学性能以及干缩性能测试，分析、评价毛竹材不同部位性能差异，以期为毛竹材高效、合理利用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

毛竹采伐于安徽省金寨县青山镇(31.43°N，115.90°E)，竹龄为3～4年生。选取15株胸径接近、无霉变等的毛竹，截取原竹距地面1.5～3.5 m的竹筒制作试件。

1.2 方法

1.2.1 毛竹纤维形态测试 纤维形态的测试采用离析法进行。首先，将毛竹进行纵向剖分和横向截断，获得一定长度与宽度的竹片，再将竹黄、竹肉和竹青分开；然后，将各部分劈成小火柴棍状，分别放入不同试管中。试管中加入V(质量分数为30%过氧化氢)∶V(质量分数为95%冰醋酸)=1∶1的离析液[24]，60 ℃水浴加热，直至试样边缘有纤维开始离析为止。最后，将试液倒出并将试样用清水洗涤至无气味，再往试管中加入适量清水摇匀纤维，用解剖针挑取纤维到玻璃载玻片上，用光学显微镜进行纤维形态特征参数测量[25]。

同时，将毛竹锯切成小块状，通过微波加热法对其软化后，用滑走式切片机将毛竹试块切片，利用光学显微镜观察纤维鞘区域、薄壁细胞区域。

1.2.2 力学性能测试 为研究竹材不同部位对其力学性能的贡献，将试件分为4类：A组试件为去除竹青的试件，尺寸为 160 mm×10 mm×6 mm(纵向×弦向×径向)；B 组试件为去除竹黄的试件，尺寸为 160 mm×10 mm×8 mm；C 组试件为竹青和竹黄均去除的试件，尺寸为 160 mm×10 mm×4 mm；D 组试件为原竹片，尺寸为160 mm×10 mm×tmm (t为原竹分片后的自然厚度)。4组试件的抗弯强度和弹性模量测量采用3点弯曲方法进行，详细试验步骤依据GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质试验方法》[26]。

顺纹抗压强度测试试件也分为4组：A组试件为去除竹青的试件，尺寸为20 mm×20 mm×6 mm(纵向×弦向×径向)；B组试件为去除竹黄的试件，尺寸为20 mm×20 mm×8 mm；C组试件为竹青和竹黄均去除的试件，尺寸为 20 mm×20 mm×4 mm；D 组试件为原竹片，尺寸为 20 mm×20 mm×tmm(t为原竹分片后的自然厚度)。顺纹抗压强度测试依据GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质实验方法》[27]。

1.2.3 干缩性能测试 将毛竹加工成 10 mm×10 mm×tmm(t为原竹分片后的自然厚度，纵向×弦向×径向)大小的试件(共计150个)；然后，采用“逐级削减法”将毛竹试块进行剖分、打磨，制得尺寸为10 mm×10 mm×2 mm 的毛竹竹黄片、尺寸为 10 mm×10 mm×4 mm 的竹肉片和尺寸为 10 mm×10 mm×4 mm 的竹青片(每类试件各50个，划线标号)；最后，按照GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质试验方法》进行气干干缩率和全干干缩率测试。

2 结果与讨论

2.1 毛竹各部位纤维形态

由表1可知：毛竹竹肉的纤维长度及宽度均最大，分别为1.88 mm和15.15 μm。t检验结果表明：毛竹竹肉与竹黄、竹青的纤维长度和宽度差异极显著 (P＜0.01)。

表1 毛竹材各部位纤维平均尺寸Table 1 Mean size of fiber in different parts of Ph. edulis

毛竹不同部位的纤维长度分布频率见图1。竹黄、竹肉及竹青中，长度为1～2 mm的纤维占比最高，分别为72.0%、53.0%和63.5%。竹黄中，0～1、2～3 mm的纤维占比分别为15.3%、12.7%，未见3～4 mm长度的纤维。竹肉中，0～1、2～3以及3～4 mm的纤维占比分别为4.8%、40.0%和2.3%。竹青中，0～1、2～3以及3～4 mm的纤维占比分别为22.7%、12.5%和1.3%。竹肉的纤维长宽比大于竹青和竹黄，且竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近。

图1 毛竹不同部位纤维长度分布频率和纤维长宽比Figure 1 Fiber length distribution frequency and the ratio of fiber length to width in different parts of Ph. edulis

纸浆造纸过程中，纤维长度和长宽比是衡量纤维性能的重要指标。一般而言，随着纤维长度变长，其纸浆性能越佳[28]。同时，毛竹材纤维长度、宽度以及长宽比等参数亦与毛竹材结构、力学性能等指标有密切关系[29−30]。因此，工业化利用中应充分考虑不同部位纤维尺寸，并合理利用。

由图2可知：竹青维管束占比最大，其次为竹肉和竹黄。就薄壁细胞而言，竹黄部位薄壁细胞占比较大，为69.45%，竹青中薄壁细胞含量最小。竹黄中，维管束的面积较大，其均值为2.41×105μm2，竹肉部位维管束平均面积为1.96×105μm2，竹青部位的维管束平均面积为1.72×105μm2。同时，竹黄部位维管束分布也更为稀疏[31]。由于维管束和薄壁细胞占比不同，以及维管束形态与尺寸差异，竹青、竹黄以及竹肉的力学性能差异极显著(P＜0.01)[20, 32]。

图2 不同部位毛竹的维管束与薄壁细胞面积比例及单个维管束的面积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 毛竹材不同部位力学性能

2.2.1 抗弯强度与抗弯弹性模量 从表2可见：毛竹不同试件的抗弯强度从小到大依次为C、A、D、B。原竹片(D)的抗弯强度为109.13 MPa，去青试件(A)抗弯强度骤减至57.77 MPa，去青去黄试件(C)的抗弯强度为48.19 MPa，而去黄试件(B)抗弯强度为115.28 MPa，较原竹片抗弯强度提高了5.5%。弹性模量呈现同样的变化趋势。由此可知，竹青对竹材的抗弯强度贡献最大，其次为竹肉和竹黄。竹材的梯度结构表现为维管束占比从竹黄到竹青呈上升趋势，薄壁细胞占比呈下降趋势[32]。因此，竹青在弯曲过程中，由于受拉侧(竹青)纤维较多，弯曲应变较大，弯曲模量表现较低值，对于弯曲强度贡献较大。竹黄由于薄壁细胞较多，弯曲过程中弯曲应变较小，弯曲弹性模量表现出较大值[20, 33−34]。

表2 毛竹不同试件的抗弯强度和弹性模量Table 2 Bending strength and elastic modulus of different Ph. edulis samples

2.2.2 顺纹抗压强度 由表 3可见：原竹片 (D)顺纹抗压强度为59.54 MPa，去黄试件(B)顺纹抗压强度为59.36 MPa。去黄后，试件的顺纹抗压强度差异不明显，然而，去青试件(A)顺纹抗压强度明显下降，下降至38.35 MPa。因此，竹青对于毛竹的顺纹抗压强度具有较大贡献。去青试件顺纹抗压强度比去青去黄试件(C)略大，说明竹黄顺纹抗压强度较竹肉稍大。因此，竹制抗压构件设计制造过程中，合理利用竹黄对提高竹材利用率具有一定意义。

表3 不同毛竹试件顺纹抗压强度Table 3 Compressive strength of different Ph. edulis samples

2.3 毛竹材不同部位干缩性能

毛竹的干缩性对其加工利用具有重要影响，亦是衡量竹材产品性能及其稳定性的重要指标[35]。由于竹材中无横向组织，且径向和弦向干缩差异较大，竹材在加工利用时极易出现开裂或翘曲等问题[36]。

由表4和表5可知：从全湿状态至气干状态的过程中(即气干干缩率)，竹黄的径向干缩率最大，为4.14%。3个方向的气干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向；竹青变化规律亦如此。然而，竹肉和毛竹材3个方向的气干干缩率从大到小依次为弦向、径向、纵向。竹青、竹黄、竹肉以及毛竹的全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向，与前人研究结果一致[37]。无论气干干缩率还是全干干缩率，竹黄径向与弦向干缩率差值均最大，易产生翘曲变形等问题。因此，在后续加工利用中，合理配置竹黄结构对提高其结构稳定性至关重要。

表4 毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹气干干缩率测试结果Table 4 Results of air-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

表5 毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹全干干缩率测试结果Table 5 Results of total-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

3 结论

毛竹不同部位的纤维形态及部分物理性能存在一定差异。毛竹竹黄、竹肉与竹青的纤维长度和宽度差异显著，且不同长度的纤维占比和纤维长宽比亦存在着差异。毛竹材利用过程中需要根据应用领域的不同，合理选择相应部位，以进一步提高利用效率。竹青对竹材抗弯强度与抗弯弹性模量贡献最大。气干干缩率和全干干缩率在竹材不同部位、不同方向上均存在一定差异。未来可开展不同剖篾状态下，竹黄、竹青含量对竹质、木竹复合工程材料力学性能、尺寸稳定性等性能影响规律的研究，对提高竹材利用率具有一定意义。