三年生花眉竹不同部位纤维形态特征的分析研究

李 权 林金国 黄秋月 巫其荣

(1.凯里学院,贵州凯里，556011；2.福建农林大学材料工程学院,福建福州,350002)



·花眉竹纤维分析·

三年生花眉竹不同部位纤维形态特征的分析研究

李 权1,2林金国2,*黄秋月2巫其荣2

(1.凯里学院,贵州凯里，556011；2.福建农林大学材料工程学院,福建福州,350002)

分析了三年生花眉竹不同部位纤维形态的差异,揭示了竹竿不同离地高度和水平部位对三年生花眉竹材纤维长度及其频率分布、宽度、长宽比、壁厚、腔径、壁腔比的影响规律。结果表明,三年生花眉竹材纤维形态特征随竹竿离地高度变化为：4.5 m处纤维长度、长宽比、壁腔比最大,6.5 m处纤维宽度最大，0.5 m处纤维壁厚最大，2.5 m处纤维腔径最大。三年生花眉竹材纤维形态特征随竹竿水平部位变化表现为：竹壁外层纤维长度和宽度最大。竹壁内层纤维长宽比最大,外层最小。竹壁外层纤维壁厚和腔径最大。竹壁中层纤维壁腔比最大,内层最小。纤维长度大部分集中分布在1.0～3.0 mm之间,占85%～95%。

花眉竹；竹竿部位；纤维形态；频率分布

(*E-mail: fjlinjg@126.com)

花眉竹(BambusalongispiculataGamble)原产于印度,在我国广西壮族自治区、广东省、福建省、湖南省、云南省等地均有栽培,其特征特性为竿尾梢直立或稍弯,下部略呈“之”字形曲折,竿壁厚,竿下部的节间具黄绿色或淡绿色纵条纹,竹竿坚硬。花眉竹属观笋竹、丛生竹,竿坚硬、厚实,可供农具、支柱及棚架和竹编工艺用材,同时还具有良好的水土保持能力[1-2]。纤维形态特征是研究竹材材性的基础之一,也是合理利用竹材的依据之一。花眉竹材的纤维形态是判断其是否适合于制浆造纸的决定因素。花眉竹材纤维长度和长宽比是评定造纸和纤维板原料品质优劣的重要指标,在竹材原料中纤维越长,其抄造纸张抗张强度、撕裂度、耐破度和耐折度越大；纤维长宽比愈大,其抄造纸张撕裂度、交织性、弹性、柔韧性愈高[3- 4]。因此,人们通常使用纤维长度和长宽比表示纤维形态与制浆适合度的关系。纤维形态特征是研究竹材材性的基础之一,也是竹材利用的依据之一[5- 7]。

我国木材资源总体匮乏,大量优质木材常被用于家具及建筑材料等,部分速生林木材大量用于制浆造纸,木材资源的不足严重影响了我国造纸工业的健康发展。竹材是优良的制浆造纸原料，是我国制浆造纸工业中重要的原料之一。目前国内外仅有对花眉竹作为观赏植物的文献资料,未见对其纤维形态方面的研究报道。笔者以生长速度快、竹材产量较高、在南方各省广泛分布的花眉竹为研究对象,对三年生花眉竹材竹竿不同部位纤维形态特征及其变异规律进行分析研究,不仅能为花眉竹的定向培育和高效合理利用提供重要参考,还能为花眉竹能否作为制浆造纸原料提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

1.1.1 采集地概况

试材采于福建省南部、漳州市西北部的华安县(117°16′E～117°42′E,24°38′N～25°12′N)竹种园,毗邻漳平、安溪、南靖、长泰、芗城等5个县(市、区),是闽南地势较高的县份。华安县地处南亚热带和中亚热带的过渡地带,年降水量1618 mm,年均气温20.9℃,无霜期达357天,年平均降雨量1700 mm左右,年均日照2000 h。

1.1.2 试样采集

按国家标准GB/T 15780—1995竹材物理力学性质实验方法的规定采集样竹,在竹林分布均匀和生态条件相对一致的林分内伐取三年生花眉竹6株。每株做好北向的标记后离地0.5 m伐倒后标号,从竹竿基部开始向上依次截取四段2 m长的竹段,靠近基部依次向上2 m长度竹段分别作为第一段和第二段；第二段之上的两段长度为2 m的竹段在去掉末端的1.5 m后,留取前端的0.5 m作为第三段和第四段,样竹情况如表1所示。

表1 实验用花眉竹基本性能

注 坡向：西南坡；海拔：约200 m。

1.2 实验方法

1.2.1 取材

将截取完的花眉竹竹竿,在离地高度0.5 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m处各截取长度为5 cm左右的圆环,再在每个竹环的北向处截取5 mm宽的竹片,将测试竹片进一步按壁厚三等分剖开,作为竹壁径向部位即竹壁外侧、中部和内侧的待测定试样。

1.2.2 纤维长度、宽度的测定

测定3年生花眉竹材纤维形态,将竹材依据其竹竿上的不同部位进行解剖,把花眉竹待测定试样劈成1～2根径向1 mm、长度20 mm的竹梗后置于试管中,往各试管中加水至试样淹没,再把试管放入铝锅中沸水煮3 h直至试样下沉。倾去试管中的水分,按许尔兹法进行离析。向试管内加清水1 mL,60%的硝酸约2 mL,加热沸腾约1 min产生黄色气体,然后投入固体氯酸钾0.8 g继续加热,直至材色变白。倒出药液,待冷却后用清水冲洗数次,在试管中加入适量的水震荡,使竹纤维自行分离。将试管内的纤维连同水一齐倒入烧杯中,摇匀后用吸管取出少许纤维于载玻片上,用解剖针挑匀后,用番红染料进行染色制片,再用滤纸吸去盖玻片边缘处多余的染料,最后将制备好的竹纤维载玻片放在显微镜下，测定纤维的长度和宽度并计算长宽比,每个试样随机测定90根完整纤维的长度和宽度[8]。

1.2.3 纤维壁厚、腔径的测定

将花眉竹待测定试样劈成1～2根径向1 mm、长度为20 mm的竹梗后分别放进试管中,往各试管中加水至试样淹没,然后放入水浴锅进行蒸煮软化。软化程度为用单面刀片能将其切割成片为止。切片材料用番红染液染色制片,用滤纸吸去盖玻片边缘处多余的染料,然后将制片放在显微镜下随机测定60根花眉竹材纤维的壁厚和腔径并计算壁腔比。一株平均做2个切片,一个切片测10组数据,三株总共测定对应的60组数据。测定位置为两个后生木质部梯纹导管旁侧方纤维帽内的一列或几列纤维。

2 结果与讨论

竹材的纤维长度、长宽比两项指标与其造纸性能直接相关。在研究植物的纤维形态与其制浆造纸性能之间的关系时,应综合考虑其纤维长度、宽度、纤维长宽比等各种影响因素。

表2 竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维长度和宽度

注 分别随机测量竹竿不同离地高度和水平部位90根纤维的长度和宽度。

表3 竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维长度频率分布 %

2.1 花眉竹材纤维长度和宽度

花眉竹材纤维长度和纤维长宽比是评定造纸和纤维板原料品质优劣的重要指标,纤维愈长,可提高其抄造纸张抗张强度、撕裂度、耐破度和耐折度。根据测定数据计算出竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维长度和宽度,如表2所示。

由表2可知,竹竿不同离地高度的纤维长度存在一定差异,竹竿离地高度4.5 m处纤维长度最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m处的依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维长度变异特点为外层纤维最大,内层次之,中层最小。

竹竿离地高度6.5 m处纤维宽度最大,2.5 m、0.5 m、4.5 m处的依次呈下降趋势。水平方向竹壁纤维宽度变异特点为外层纤维最大,中层次之,内层最小。

2.2 花眉竹材纤维长度频率分布

根据测定数据将花眉竹纤维长度分为<1.0 mm、1.0～1.5 mm、1.5～2.0 mm、2.5～3.0 mm、3.0～3.5 mm、>3.5 mm七个等级,在每个离地高度和不同竹竿水平部位统计各长度等级纤维的根数,然后再根据统计数据计算出各个等级长度的花眉竹纤维占纤维总数的百分比。

根据国际木材解剖学家协会理事会的分级标准,依据纤维长度(L)将纤维分为3级：L≤0.9 mm为短纤维；0.9 mm≤L≤1.6 mm为中等纤维；L≥1.6 mm为长纤维[9-10]。由表3可知,纤维长度小于1.5 mm的在整个纤维分布中占比很小。纤维长度在1.5～2.0 mm区间和2.0～2.5 mm区间的频率为25%～30%之间。纤维长度在2.5～3.0 mm区间的频率相对较小,仅有15%左右。长度在3.0 mm以上的纤维比例约为7%。纤维长度大部分集中分布在1.0～3.0 mm 之间,占85%～95%。这个区间是确定原料配比的主要依据。在不同离地高度中,在4.5 m处长度大于1.5 mm的纤维占比最大,而在6.5 m处长度大于1.5 mm的纤维占比最小。在不同竹竿水平部位中,在外层处长度大于1.5 mm的纤维占比最大,而在中层处长度大于1.5 mm的纤维占比最小。

2.3 花眉竹材纤维壁厚和腔径

根据测定数据计算出竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维壁厚和腔径,如表4所示。

纤维壁厚与制浆造纸的多项强度指标关系密切，同样大小的细胞,胞壁薄其腔就大,外力作用时易压扁成带状,结合面积增大,故使结合力强,抄造的纸张致密[11-12]。由表4可知,竹竿不同离地高度纤维壁厚存在一定的差异,竹竿离地高度0.5 m处纤维壁厚最大,4.5 m、2.5 m、6.5 m依次呈下降趋势。水平部位竹壁纤维壁厚变异特点为外层纤维壁厚最大,中层次之,内层最小。

表4 竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维壁厚和腔径

注 分别随机测量竹竿不同离地高度和水平部位60根纤维的壁厚和腔径。

表5 竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维长宽比和壁腔比

注 分别随机测量竹竿不同离地高度和水平部位90根纤维的长宽比和60根纤维的壁腔比。

竹竿离地高度2.5 m处纤维腔径最大,0.5 m、6.5 m、4.5 m处的依次呈下降趋势。水平部位竹壁纤维腔径变异特点为外层纤维腔径最宽,内层次之,中层最小。

2.4 花眉竹材纤维长宽比和壁腔比

人们通常使用纤维长宽比表示纤维形态与制浆适合度的关系,通常纤维长宽比越大,其撕裂强度、交织性、弹性、柔韧性愈高,纸竹材强固性、纸张撕裂指数愈高,越适合做造纸原料[13]。根据测定数据计算出竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维长宽比和壁腔比,见表5。

由表5可知,竹竿离地高度4.5 m处纤维长宽比最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m依次呈下降趋势；水平部位竹壁纤维长宽比变异特点为内层最大,中层次之,外层最小。

纤维壁腔比(即2倍壁厚和腔径之比)是衡量纸张质量另一个必不可少的指标,壁腔比小的纤维细胞壁薄而胞腔直径大,比较柔韧易于纵裂帚化,纤维间的结合力较强,成纸强度高。相反,壁腔比大的纤维其细胞壁厚,胞腔直径窄,则纤维不易纵裂帚化,纤维间的结合力较差,纸浆强度较低[14-15]。竹竿离地高度4.5 m处纤维壁腔比最大,0.5 m、6.5 m、2.5 m依次呈下降趋势。水平部位竹壁纤维壁腔比变异特点为中层最大,外层次之,内层最小。

3 结 论

竹材的纤维形态是判断其是否适合于制浆造纸的决定因素。因此,人们通常使用纤维长度、纤维长宽比和壁腔比表示纤维形态与制浆适合度的关系。竹竿不同离地高度和水平部位的三年生花眉竹材纤维形态的差异及其影响规律研究结果如下。

3.1 三年生花眉竹材纤维形态特征随竹竿离地高度的变化表现为：离地高度4.5 m处纤维长度最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m处逐渐减小。离地高度6.5 m处纤维宽度最大,2.5 m、0.5 m、4.5 m逐渐下降。离地高度0.5 m处纤维壁厚最大,4.5 m、2.5 m、6.5 m依次下降。离地高度2.5 m处纤维腔径最大,0.5 m、6.5 m、4.5 m依次下降。离地高度4.5 m处纤维长宽比、壁腔比最大。

3.2 三年生花眉竹材纤维形态特征随竹竿水平部位变化表现为：竹壁外层纤维长度最大,内层次之,中层最短。竹壁外层纤维宽度最大、中层次之，内层最小。竹壁内层纤维长宽比最大,中层次之,外层最小。竹壁外层纤维壁厚最大,中层次之,内层最小。外层纤维腔径最大，内层次之，中层最小。竹壁中层纤维壁腔比最大,外层次之,内层最小。

3.3 纤维长度大部分集中分布在1.0～3.0 mm之间,占85%～95%。不同离地高度中,在4.5 m处长度大于1.5 mm的纤维占比最大,而在6.5 m处长度大于1.5 mm的纤维占比最小。在不同竹竿水平部位中,外层处大于1.5 mm的纤维占比最大,而在中层处长度大于1.5 mm的纤维占比最小。

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(责任编辑：刘振华)

Fiber Morphology Properties in Different Positions of the Culm of Three-year-oldBambusalongispiculataGamble

LI Quan1,2LIN Jin-guo2,*HUANG Qiu-yue2WU Qi-rong2

(1.KailiUniversity,Kaili,GuizhouProvince, 556011; 2.CollegeofMaterialEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,FujianProvince, 350002)

The fiber morphology properties in the different positions of the culm of three-year-oldBambusalongispiculatawere analyzed which included fiber length, width, the ratio of length to width, double wall thickness, carity diameter, ratio of wall thickness to cavity diameter. The results showed that the fiber morphology characteristics of three-year-oldB.longispiculatachanged with different perpendicular positions of the culm. The max fiber length, ratio of length to width, ratio of wall thickness to cavity diameter were found at the 4.5 m above the ground. The max fiber width, double wall thickness and cavity diameter were in the 6.5 m, 0.5 m, 2.5 m above the ground, respectively. The fiber morphology characteristics of three-year-oldB.longispiculataalso changed with different horizontal positions of the culm: the fiber length and width of outer layer of bamboo culm were the maximum; the ratio of fiber length to width of the inner layer was the maximum, that of outer layer was the minimum; the fiber wall thickness and cavity diameter of outer layer were the maximum; the ratio of fiber wall thickness to cavity diameter of the middle layer was the maximum, that of inner layer was the minimum. Mostly fiber length distributed in the range of 1.0 mm to 3.0 mm, accounting for 85% to 95%.

Bambusalongispiculata; different positions in culm; fiber morphology; distribution

2017- 02- 16(修改稿)

贵州省高校优秀科技创新人才奖励计划(编号：黔教合KY字[2015]508)；福建省财政厅科研基金资助项目“进口木材特性与鉴别关键技术研究与推广”(编号：K8115004A)；贵州省科技合作计划(编号：黔科合LH字[2015]7751号)。

李 权先生,博士,副教授；主要从事木材科学与木结构建筑方面的研究。

TS71+2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.005

*通信作者：林金国,教授,博士生导师；主要从事木材科学方面的研究。