四川两种竹材理化性质及纤维形态分析

彭 博 王传贵 张双燕

(安徽农业大学林学与园林学院 合肥 230036)

我国改革开放以来，随着经济的高速发展，大量砍伐林木，造成了森林资源严重紧缺。第八次森林资源清查结果显示，虽然森林覆盖率在逐年增长、质量稳步提升，但仍旧不能改变我国森林覆盖率远远低于全球31%的水平，人均森林面积也只是世界人均水平1/4的森林资源紧缺现状[1]。与生长较为缓慢的木材相比，竹材具有生长快、生长周期短等特性，高效利用竹材可以缓解我国木材短缺的问题，起到保护森林资源的作用[2]。

四川地处于亚热带，降水丰富，空气湿度较大，非常利于森林资源的生长。同时四川也是世界竹类植物的起源地带和现代分布中心之一，竹类资源极其丰富[3]。随着近年来竹产业的发展，竹资源利用较为单一，主要依赖毛竹，且现阶段毛竹价格居高不下，合理开发诸如慈竹、绵竹这样产量高的优势竹材，对于减轻毛竹资源利用负担极具研究意义。本研究以四川产的慈竹和绵竹为材料，测定分析了2个竹种的理化性质和纤维形态，以期了解其最佳利用方式，为有效开发利用四川竹种资源提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料准备

试验样品于2017年6月采自四川省泸州市叙永县的慈竹林和绵竹林，采集试样的基本情况见表1。截取试样，取竹秆中段部位运回实验室，气干至含水率12%～15%，然后将试材劈成小薄片，再经粉碎机研磨成过筛留40目而不能通过60目的竹粉，放置并贮存于密封袋中，供测试分析使用。

表1 采集试样的基本情况

1.2 化学成分测定

按照国家标准 《造纸原料灰分含量测定》(GB/T742-2008)、《造纸原料有机溶剂抽出物含量测定》(GB/T2677-1994)、 《造纸原料酸不溶木质素含量测定》 (GB/T2677.8-1994)、 《造纸原料综纤维素含量测定》(GB/T2677.10-1994)，分别测定2个竹种的竹材化学成分，测定指标包括灰分、苯醇抽提物、酸不溶木质素、综纤维素和纤维素，其中纤维素采用硝酸-乙醇法测得。

1.3 物理力学性能测定

将试样根据国家标准 《竹材物理力学性质试验方法》 (GB/T15780-1995)，锯制成标准试样后，测定试样竹材的基本密度、气干密度和全干密度，并在力学试验机上测定竹材的顺纹抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。

1.4 纤维形态测定

分别将慈竹和绵竹试样劈成火柴棍大小，取适量放入试管中，加入30%过氧化氢溶液和冰醋酸按1∶1配制的溶液中，淹没试样，放入70～80℃的恒温水浴锅中，直至试样变白为止，约需6 h。离析后在40倍显微镜下测定纤维长度和宽度[4]，并计算长宽比。

2 结果与分析

2.1 竹材的化学成分

植物纤维原料中的化学成分组成表征了其在制浆造纸过程中利用的可行性。慈竹和绵竹化学成分的测定分析结果见表2，各项指标分析如下。

表2 慈竹和绵竹的化学成分含量 /%

2.1.1 抽提物

原料中抽提物质的存在会增加制浆造纸时蒸煮药品的药量，延缓蒸煮时间和进程，甚至会在生产过程中造成不必要的麻烦。本试验以苯醇为有机溶剂进行抽提，可以从原料中溶解树脂、脂肪、蜡、色素及可溶性单宁等，苯醇的抽提物含量较其他有机溶剂的抽提物含量稍高。测定结果显示，慈竹的抽提物含量高于绵竹，但均小于毛竹的抽提物含量(一般在4.31%～6.48%)[5]，而介于针叶材和阔叶材的抽提物含量之间，一般针叶材为1%，阔叶材为4%[6]。通常，3～4年生的竹材其薄壁细胞数量多于木材，其内含物质也较多，因此在竹材利用过程中要更加注重竹材的防腐、抗菌和抗虫害等问题[7-8]。

2.1.2 综纤维素和纤维素

植物的综纤维素 (碳水化合物)含量是衡量其作为制浆造纸或水解工业原料的重要经济指标，含量越高，其可能达到的得率也就越高[4]，若一种植物原料的纤维素含量越大，它的制浆得率也就越大。测定结果显示，绵竹和慈竹的综纤维素含量略高于张齐生等[5]测定的3年生毛竹综纤维素含量(71.17%)。就纤维素含量而言，绵竹高于慈竹，而此2个竹种又远高于3年生的毛竹[9]。由此可见，在纤维制造方面绵竹和慈竹均优于毛竹。

2.1.3 酸不溶木质素和灰分

木质素含量亦是衡量植物制浆造纸的重要因素，木素含量越低在成浆过程中耗药量就越少，而且易于成浆。一定量的木素存在可以加固木质化植物的强度，适当减少病虫害的侵害[10]。慈竹和绵竹的木质素含量均在24%左右，与3年生毛竹的木素含量(26.56%)[5]接近。

灰分的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅的存在会增加植物原料制浆造纸的困难程度，灰分含量越大，过程中消耗药品就越多。慈竹和绵竹的平均灰分含量在1.53%左右，是阔叶材的5.5倍、针叶材的3.5倍[6]、毛竹的2倍[5]。

2.2 竹材的物理力学性能

2个竹种的竹材密度及各项力学指标的测定结果见表3，并与毛竹的各项力学指标[11]做了对比，分析如下。

2.2.1 竹材密度

不同生长环境、立地条件等因素会影响竹材的密度，同时密度的大小也影响着竹材本身的力学强度。从表3可以看出，慈竹的气干密度、全干密度和基本密度均大于绵竹，而低于毛竹的各项密度指标。

表3 竹材各项物理性能指标

2.2.2 顺纹抗压强度

竹材的顺纹抗压强度对于结构材来说是重要的力学性质之一[12]。由表3可以看出，慈竹的抗压强度大于绵竹，结合它们的基本密度来看，慈竹密度也大于绵竹，这与杨喜[13]研究的竹材密度与力学强度呈显著相关性的结论一致。与杜文军[14]测定的黔北慈竹顺纹抗压强度 (62.98 MPa)相比，四川产的慈竹抗压强度更大些。慈竹和绵竹的顺纹抗压强度均明显高于毛竹[11]，而且明显优于在阔叶材中力学强度表现中上等的马占相思木 (其顺纹抗压强度为60.4 MPa)[15]。由此可见，慈竹和绵竹的抗压强度较好。

2.2.3 抗弯弹性模量和抗弯强度

竹材的抗弯强度和抗弯弹性模量是结构材最重要的力学性质[12]。测定结果显示，慈竹和绵竹的抗弯弹性模量和抗弯强度比较接近，且都明显高于毛竹的相应指标[11]，慈竹的抗弯强度更优一些。而且四川产的慈竹抗弯强度远高于黔北地区的慈竹(143.086 MPa)[14]。

2.2.4 抗剪强度

由表3可以看出，慈竹的抗剪强度大于绵竹，与毛竹的抗剪强度接近。且四川产慈竹的抗剪强度大于黔北地区的慈竹 (15.97 MPa)[14]。

2.2.5 竹材基本密度与各项强度指标间的关系

上述分析表明，试验的2种竹材力学强度均高于毛竹，但是否可以用作建筑、桥梁等承重材来使用还需要看它们的品质系数[15]，即比强度和比弹性模量等强度系数比值。慈竹的抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗剪强度与其气干密度的比值分别为31 000、121.32、324.28、23.57，绵竹的抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗剪强度与其气干密度的比值分别为 32 660、126.1、300.14、22.32。经过查阅资料，马占相思木的强度在国产阔叶材中属于中上水平且品质系数较高，可以用作承重材料或中高档家具用材，它的抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗剪强度与其气干密度的比值分别为 24 741、107.2、326.5、21.3[16]。由此可见，慈竹和绵竹的强度品质系数均较高，可用作承重结构材料。

2.3 竹材的纤维形态

竹材的纤维形态是衡量其作为造纸原料优劣的重要指标，包括纤维长度、宽度、长宽比。慈竹和绵竹的纤维形态指标测定结果见表4。

表4 慈竹和绵竹纤维形态指标

2.3.1 纤维长度通常造纸用原料的纤维长度为0.4～5.0 mm，在此范围内，纤维长度越长，接触点就越大，成纸后质量就越好。原料的纤维长度过短或过长，均不利于形成良好的纸张[17]。从表4来看，慈竹和绵竹的平均纤维长度分别为0.63和0.67 mm，均小于毛竹的平均纤维长度 (2.18～2.46 mm)[18]。

2.3.2 纤维宽度和长宽比

就纤维宽度而言，绵竹略大于慈竹。朱惠方等[19]认为，纤维长宽比大于100时才是优质的造纸原料，长宽比小于45的则不宜造纸，由表4可知，绵竹和慈竹的纤维长宽比均在45以下，均不适用于造纸。

2.3.3 纤维长度分布

用纤维长度分布可以评判其植物纤维原料是否符合造纸标准的要求。由图1可知，对于慈竹而言，有32%的纤维长度分布为500～1 000μm，有31%的纤维长度分布为1 000～1 500μm，而长度分布为2 500～3 000μm的纤维较少；对于绵竹而言，有37%的纤维长度分布为500～1 000μm，有24%的纤维长度分布为1 000～1 500μm，而长度分布为3 000μm以上的纤维只占1%左右。根据国际木材解剖协会规定，长度大于1 600μm的纤维属于长纤维。从图1可知，2种竹材的纤维长度分布分别多为500～1 000和1 000～1 500μm，而在制浆过程中所需要的长纤维分布较少[20]。

图1 绵竹和慈竹纤维长度分布

3 结论

1)从慈竹和绵竹的化学成分上看，2个竹种的抽提物含量均小于毛竹，而介于针叶材和阔叶材之间；2个竹种的综纤维素含量略高于毛竹，纤维素含量高于3年生的毛竹；2个竹种的木质素含量与毛竹接近，但灰分含量远高于毛竹、阔叶材和针叶材。表明绵竹和慈竹在制浆性能方面不及毛竹及造纸原料用木材。

2)从慈竹和绵竹的物理力学特性上看，2个竹种的各项密度指标略低于毛竹，但相差不多；2个竹种的顺纹抗压强度均明显高于毛竹，而且明显优于强度较高的阔叶材马占相思木；2个竹种的抗弯弹性模量和抗弯强度比较接近，且都明显高于毛竹，四川产的慈竹抗弯强度远高于黔北地区的慈竹；慈竹的抗剪强度大于绵竹，与毛竹的抗剪强度接近，且四川产慈竹的抗剪强度大于黔北地区的慈竹。慈竹和绵竹的物理力学指标表明，2个竹种力学强度均较大，可以用作结构用竹或建筑用竹。

3)从慈竹和绵竹的纤维形态上看，2个竹种的纤维长度分别为0.63和0.67 mm，均小于毛竹；2个竹种的纤维长宽比均在45以下，纤维长度分布分别多为500～1 000和1 000～1 500μm，而在制浆过程中所需要的长纤维分布较少。这些特性均表明，慈竹和绵竹均不适于作为造纸原料。

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