尚莉莉 劉杏娥 呂黃飛 江澤慧 楊淑敏 田根林

(國(guó)際竹藤中心，北京，100102) (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)) (國(guó)際竹藤中心)

責(zé)任編輯:戴芳天。

棕櫚藤是熱帶森林寶庫(kù)中的多用途植物資源，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。世界上共有13屬600多種，亞洲分布有10屬約300～400種。其中商品藤種有20多種，主要分布在印度尼西亞、馬來(lái)西亞等東南亞國(guó)家。商品藤種主要為省藤屬，其它屬較少［1］。我國(guó)棕櫚藤有3屬40種，分別是黃藤屬(Daemonorops)1種，鉤葉藤屬(Plectocomia)4種，省藤屬(Calamus)35種［2］，商業(yè)用藤約為10種，主要為省藤屬和黃藤屬。

原藤是僅次于木材和竹材的重要非木材林產(chǎn)品［3］，被廣泛用于制造桌、椅、茶幾、沙發(fā)、床等藤制家具以及工藝品［4］。目前家具業(yè)中最受歡迎的是瑪瑙省藤，被稱為“藤中之王”［5］?，旇√偾o粗壯、韌性好、用途廣，與其他藤種相比具有更好的性能。我國(guó)家具企業(yè)所用瑪瑙省藤主要依賴于進(jìn)口，產(chǎn)地為印度尼西亞，自2012年1月1日始，印度尼西亞制定了更嚴(yán)格的藤原料出口限制條例，中國(guó)藤產(chǎn)業(yè)因此受到了很大沖擊，北京、廣東等地的藤產(chǎn)業(yè)隨之低迷，許多小型藤企業(yè)已倒閉或轉(zhuǎn)行，為數(shù)不多仍在運(yùn)營(yíng)的藤企業(yè)也面臨著嚴(yán)重的原料匱乏問(wèn)題。因此，加大藤資源培育，做好非商業(yè)用藤材的性能研究，將其通過(guò)改性等手段轉(zhuǎn)變成商業(yè)用藤材勢(shì)在必行。目前，我國(guó)現(xiàn)有藤種中唯有鉤葉藤屬的大鉤葉藤和鉤葉藤在徑級(jí)上能與瑪瑙省藤相媲美，而相關(guān)性能研究在國(guó)內(nèi)還是空白，探究其代替瑪瑙省藤的可行性需要對(duì)其性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期為其改性研究及商業(yè)化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。筆者以大鉤葉藤材為研究對(duì)象，研究其基本密度、抗壓和抗彎性能，并與瑪瑙省藤進(jìn)行比較，據(jù)此為提出可行的改性方案奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料

大鉤葉藤(Pl．a(chǎn)ssamica Grift)，云南采集，平均直徑47．60 mm，4株;

瑪瑙省藤(Calamus manan)，印度尼西亞購(gòu)買，平均直徑31．87 mm，5株。

試驗(yàn)樣品的制備參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2220．1—2013《棕櫚藤材材性試樣采集與制備方法》第1部分:物理力學(xué)性質(zhì)”進(jìn)行［6］。

1．2 方法

基本密度測(cè)試:結(jié)合竹材和木材的密度測(cè)試方法［7－8］，采用飽水法測(cè)量。試驗(yàn)按整藤和分層剖片進(jìn)行密度測(cè)試。試件高度為30 mm，分層剖片厚度為3、5 mm，試件10～15個(gè)，如圖1所示。

力學(xué)性能測(cè)試:測(cè)試性能為抗壓和抗彎性能?？箟盒阅茉嚰叽鐬殚L(zhǎng)度∶直徑=2∶1，整藤測(cè)試;抗彎性能試件尺寸為長(zhǎng)度∶直徑=8∶1，分整藤測(cè)試和剖分藤片測(cè)試兩種，試件數(shù)量不少于10個(gè)。樣品制備后在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%條件下，平衡40 d后進(jìn)行測(cè)試?？箟盒阅軠y(cè)試參照木材和竹材標(biāo)準(zhǔn)，抗彎性能測(cè)試方法參照文獻(xiàn)［9］，支點(diǎn)跨距為240 mm，試件在±60 s內(nèi)破壞。

圖1 試件取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

2．1 大鉤葉藤材與瑪瑙省藤材的基本密度

基本密度是與樣品內(nèi)固體物質(zhì)含量密切相關(guān)的一個(gè)基本物理性能指標(biāo)，也是藤家具行業(yè)中材料取舍的重要指標(biāo)之一。一般來(lái)說(shuō)密度與材料的力學(xué)性能存在一定正相關(guān)關(guān)系，即密度越大，力學(xué)性能越好。用飽水法測(cè)得的大鉤葉藤和瑪瑙省藤材整藤的基本密度平均值分別為0．302 1 g/cm3和0．524 9 g/cm3。研究表明，兩種藤材不僅平均基本密度有很大差異，在橫截面上藤材基本密度分布也有很大差異(見(jiàn)表1)。從宏觀組成來(lái)看，藤材由維管束和基本薄壁組織組成，維管束主要由纖維、木質(zhì)部導(dǎo)管和韌皮部等構(gòu)成。維管束中含有的致密纖維是密度較大且主要的承力結(jié)構(gòu)，因此維管束的分布決定了材料的密度分布，也決定了材料的力學(xué)性能。將兩種藤材從藤皮到藤芯進(jìn)行分片，研究基本密度的差異性，并探討維管束分布和形態(tài)對(duì)基本密度的影響。

可以看出，大鉤葉藤材從藤皮到藤芯再到藤皮，基本密度先減小后增大，藤皮部密度遠(yuǎn)高于藤芯部;瑪瑙省藤材的基本密度從藤皮到藤芯變化不大。兩種藤材在橫截面上沿直徑方向的基本密度變化差異明顯:瑪瑙省藤材的基本密度最大與最小部分差異不大，而大鉤葉藤材的基本密度最大與最小部分的差異大，約為3倍。大鉤葉藤材在藤皮部的基本密度甚至比瑪瑙省藤材大，原因可能與皮層處第一層維管束纖維鞘外圍的纖維硬化有關(guān)，前人的研究表明瑪瑙省藤中不含有這一結(jié)構(gòu)［10］;但在藤芯部位差異極大。根據(jù)基本密度的變異可以看出瑪瑙省藤材的材質(zhì)均勻度較好，大鉤葉藤材的材質(zhì)均勻度較低。大鉤葉藤材從藤皮到藤芯基本密度分布差異大的原因可以從解剖構(gòu)造上進(jìn)行闡釋，密度大小代表細(xì)胞壁率的多少，藤皮部位厚壁纖維含量較高，藤芯部位纖維含量較少，且纖維細(xì)胞壁變薄，故藤皮藤芯處基本密度差異明顯。另外，藤皮處單位面積上的維管束數(shù)量遠(yuǎn)大于藤芯處，由解剖測(cè)量可知，藤皮處單位面積上的維管束為14．66個(gè)/mm2，而藤芯處單位面積上的維管束僅為1．41個(gè)/mm2。而且藤皮處的第一層維管束纖維鞘外圍的纖維硬化細(xì)胞也能增加藤皮處的密度。

表1 2種藤材的分層基本密度

2．2 大鉤葉藤和瑪瑙省藤材的抗壓性能

圖2、表2為兩種藤材的抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線和抗壓性能比較。可以看出，兩種藤材的抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，大致可分為線彈性階段、應(yīng)力屈服階段和破壞階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)相同而斜率不同。從中可以判斷出兩種藤材的抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度差異明顯，瑪瑙省藤材的抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大鉤葉藤材。從表2中可知大鉤葉藤材的抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度分別為174．38、16．92 MPa，瑪瑙省藤材的分別為412．06、37．11 MPa?，旇√俨牡目箟簭?qiáng)度和抗壓彈性模量值是大鉤葉藤材的兩倍多。除密度的差異外，可能的原因與藤材的解剖構(gòu)造及纖維比量有關(guān)。前人的研究結(jié)果表明，藤材的抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量和纖維比量顯著正相關(guān)，與薄壁組織比量顯著負(fù)相關(guān)。大鉤葉藤材的薄壁組織質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為83．48%，高于瑪瑙省藤的薄壁組織質(zhì)量分?jǐn)?shù)，雖然薄壁組織可承受較大的應(yīng)變，但由于微纖絲角及薄壁細(xì)胞的數(shù)量、形態(tài)等的影響使強(qiáng)度值變小。

2．3 大鉤葉藤和瑪瑙省藤材的抗彎性能

抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是藤材重要的力學(xué)指標(biāo)，是藤材材質(zhì)判定的主要因子。與木材和竹材的抗彎性能相比，棕櫚藤材的力學(xué)性質(zhì)差異明顯。與木材相比，藤材不具有木射線等橫向構(gòu)造，材質(zhì)均勻性也與木材相差很大，藤皮與藤芯有明顯區(qū)別。已有的研究表明［9］，藤皮對(duì)藤材的抗彎特性有非常大的貢獻(xiàn)，尤其對(duì)于藤芯、藤皮差異較大的藤材。本實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了含藤皮藤材和矩形藤片的抗彎性能，矩形藤片又分為徑向和弦向加載。圖3、圖4和表2、表3分別列出了兩種藤材整藤和矩形藤片的抗彎性能。

圖2 大鉤葉藤和瑪瑙省藤材的抗壓曲線

表2 大鉤葉藤和瑪瑙省藤材整藤的力學(xué)性能值

表3 兩種藤材藤片的抗彎性能

從圖3、圖4中可以看出，兩種藤材的整藤和瑪瑙省藤材藤片在達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)變形都很大，表明藤材塑性較好，容易彎曲定型，這與藤材的解剖構(gòu)造尤其是薄壁細(xì)胞的含量較高有關(guān)。大鉤葉藤材不含藤皮的試件，在變形很小的情況下即發(fā)生破壞，并表現(xiàn)出脆性斷裂的特征，表明大鉤葉藤材的藤芯脆弱，材質(zhì)很差，不宜剖分使用。表2、表3中兩種藤材的抗彎力學(xué)性能結(jié)果值顯示，瑪瑙省藤材的整藤和矩形藤片抗彎性能均優(yōu)于大鉤葉藤材，其整藤的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別是大鉤葉藤材的18．7倍和4．5倍，矩形藤片的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別是大鉤葉藤材的3倍和4倍多。由表3可知，對(duì)同種藤材，加載方向?qū)μ俨牡膹澢阅苡绊懖淮?。?duì)于同種藤材的整藤試件和不含藤皮的藤片來(lái)說(shuō)，整藤試件的抗彎強(qiáng)度大于不含藤皮的藤片抗彎強(qiáng)度，特別是大鉤葉藤材的抗彎強(qiáng)度差異明顯，表明藤皮對(duì)藤材的抗彎特性有重要影響，這可能是由于藤皮中纖維素含量較大［11］。

圖3 2種藤材的整藤3點(diǎn)彎曲曲線

圖4 2種藤材藤片代表性試件的位移—載荷圖

3 結(jié)論

大鉤葉藤和瑪瑙省藤材的平均基本密度分別為0．302 1、0．524 9 g/cm3。大鉤葉藤材從藤皮到藤芯再到藤皮，基本密度先減小再增大，瑪瑙省藤材變化幅度不大。

大鉤葉藤材的抗壓和抗彎性能顯著低于瑪瑙省藤材，不能像瑪瑙省藤材般直接商業(yè)化利用。為了能使鉤葉藤材商業(yè)化利用，有必要對(duì)其性能進(jìn)行改性研究。

［1］李榮生，許煌燦，尹光天，等．世界棕櫚藤資源、產(chǎn)業(yè)及其前景展望［J］．世界竹藤通訊，2003，1(1):1－5．

［2］江澤慧，王慷林．中國(guó)棕櫚藤［M］．北京:科學(xué)出版社，2013．

［3］江澤慧．世界竹藤［M］．沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002:425．

［4］袁哲，強(qiáng)明禮，杜官本．云南藤家具業(yè)的現(xiàn)狀與前瞻［J］．世界竹藤通訊，2006，4(4):8－11，26．

［5］Wahab R，Sulaiman O，Samsi H W．Basic density and strength properties of cultivated Calamus manan［J］．Bamboo and Rattan，2004，3(1):35－43．

［6］國(guó)際竹藤中心，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，等．LY/T 2220．1—2013棕櫚藤材材性試樣采集與制備方法(1):物理力學(xué)性質(zhì)［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．

［7］中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所．GB/T 1933—2009木材密度測(cè)定方法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

［8］中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所．GB/T 15780—1995竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995．

［9］呂文華，劉杏娥．棕櫚藤材的抗彎強(qiáng)度測(cè)試方法［J］．木材加工機(jī)械，2012(1):1－5．

［10］蔡則漠，劉英．小鉤葉藤莖解剖特性的變異［J］．廣西植物，1994，14(1):60－64．

［11］呂文華，江澤慧，吳玉章．黃藤藤材的化學(xué)組成特性［J］．林業(yè)科學(xué)，2009，45(7):96－100．