李 權(quán) 林金國(guó) 黃秋月 巫其榮

(1.凱里學(xué)院,貴州凱里，556011；2.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州,350002)

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·花眉竹纖維分析·

三年生花眉竹不同部位纖維形態(tài)特征的分析研究

李 權(quán)1,2林金國(guó)2,*黃秋月2巫其榮2

(1.凱里學(xué)院,貴州凱里，556011；2.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州,350002)

分析了三年生花眉竹不同部位纖維形態(tài)的差異,揭示了竹竿不同離地高度和水平部位對(duì)三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)度及其頻率分布、寬度、長(zhǎng)寬比、壁厚、腔徑、壁腔比的影響規(guī)律。結(jié)果表明,三年生花眉竹材纖維形態(tài)特征隨竹竿離地高度變化為：4.5 m處纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比、壁腔比最大,6.5 m處纖維寬度最大，0.5 m處纖維壁厚最大，2.5 m處纖維腔徑最大。三年生花眉竹材纖維形態(tài)特征隨竹竿水平部位變化表現(xiàn)為：竹壁外層纖維長(zhǎng)度和寬度最大。竹壁內(nèi)層纖維長(zhǎng)寬比最大,外層最小。竹壁外層纖維壁厚和腔徑最大。竹壁中層纖維壁腔比最大,內(nèi)層最小。纖維長(zhǎng)度大部分集中分布在1.0～3.0 mm之間,占85%～95%。

花眉竹；竹竿部位；纖維形態(tài)；頻率分布

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

花眉竹(BambusalongispiculataGamble)原產(chǎn)于印度,在我國(guó)廣西壯族自治區(qū)、廣東省、福建省、湖南省、云南省等地均有栽培,其特征特性為竿尾梢直立或稍彎,下部略呈“之”字形曲折,竿壁厚,竿下部的節(jié)間具黃綠色或淡綠色縱條紋,竹竿堅(jiān)硬。花眉竹屬觀(guān)筍竹、叢生竹,竿堅(jiān)硬、厚實(shí),可供農(nóng)具、支柱及棚架和竹編工藝用材,同時(shí)還具有良好的水土保持能力[1-2]。纖維形態(tài)特征是研究竹材材性的基礎(chǔ)之一,也是合理利用竹材的依據(jù)之一?；贾癫牡睦w維形態(tài)是判斷其是否適合于制漿造紙的決定因素?；贾癫睦w維長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比是評(píng)定造紙和纖維板原料品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo),在竹材原料中纖維越長(zhǎng),其抄造紙張抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度和耐折度越大；纖維長(zhǎng)寬比愈大,其抄造紙張撕裂度、交織性、彈性、柔韌性愈高[3- 4]。因此,人們通常使用纖維長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比表示纖維形態(tài)與制漿適合度的關(guān)系。纖維形態(tài)特征是研究竹材材性的基礎(chǔ)之一,也是竹材利用的依據(jù)之一[5- 7]。

我國(guó)木材資源總體匱乏,大量?jī)?yōu)質(zhì)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漿造紙,木材資源的不足嚴(yán)重影響了我國(guó)造紙工業(yè)的健康發(fā)展。竹材是優(yōu)良的制漿造紙?jiān)希俏覈?guó)制漿造紙工業(yè)中重要的原料之一。目前國(guó)內(nèi)外僅有對(duì)花眉竹作為觀(guān)賞植物的文獻(xiàn)資料,未見(jiàn)對(duì)其纖維形態(tài)方面的研究報(bào)道。筆者以生長(zhǎng)速度快、竹材產(chǎn)量較高、在南方各省廣泛分布的花眉竹為研究對(duì)象,對(duì)三年生花眉竹材竹竿不同部位纖維形態(tài)特征及其變異規(guī)律進(jìn)行分析研究,不僅能為花眉竹的定向培育和高效合理利用提供重要參考,還能為花眉竹能否作為制漿造紙?jiān)咸峁┮罁?jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 采集地概況

試材采于福建省南部、漳州市西北部的華安縣(117°16′E～117°42′E,24°38′N(xiāo)～25°12′N(xiāo))竹種園,毗鄰漳平、安溪、南靖、長(zhǎng)泰、薌城等5個(gè)縣(市、區(qū)),是閩南地勢(shì)較高的縣份。華安縣地處南亞熱帶和中亞熱帶的過(guò)渡地帶,年降水量1618 mm,年均氣溫20.9℃,無(wú)霜期達(dá)357天,年平均降雨量1700 mm左右,年均日照2000 h。

1.1.2 試樣采集

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780—1995竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法的規(guī)定采集樣竹,在竹林分布均勻和生態(tài)條件相對(duì)一致的林分內(nèi)伐取三年生花眉竹6株。每株做好北向的標(biāo)記后離地0.5 m伐倒后標(biāo)號(hào),從竹竿基部開(kāi)始向上依次截取四段2 m長(zhǎng)的竹段,靠近基部依次向上2 m長(zhǎng)度竹段分別作為第一段和第二段；第二段之上的兩段長(zhǎng)度為2 m的竹段在去掉末端的1.5 m后,留取前端的0.5 m作為第三段和第四段,樣竹情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用花眉竹基本性能

注 坡向：西南坡；海拔：約200 m。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 取材

將截取完的花眉竹竹竿,在離地高度0.5 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m處各截取長(zhǎng)度為5 cm左右的圓環(huán),再在每個(gè)竹環(huán)的北向處截取5 mm寬的竹片,將測(cè)試竹片進(jìn)一步按壁厚三等分剖開(kāi),作為竹壁徑向部位即竹壁外側(cè)、中部和內(nèi)側(cè)的待測(cè)定試樣。

1.2.2 纖維長(zhǎng)度、寬度的測(cè)定

測(cè)定3年生花眉竹材纖維形態(tài),將竹材依據(jù)其竹竿上的不同部位進(jìn)行解剖,把花眉竹待測(cè)定試樣劈成1～2根徑向1 mm、長(zhǎng)度20 mm的竹梗后置于試管中,往各試管中加水至試樣淹沒(méi),再把試管放入鋁鍋中沸水煮3 h直至試樣下沉。傾去試管中的水分,按許爾茲法進(jìn)行離析。向試管內(nèi)加清水1 mL,60%的硝酸約2 mL,加熱沸騰約1 min產(chǎn)生黃色氣體,然后投入固體氯酸鉀0.8 g繼續(xù)加熱,直至材色變白。倒出藥液,待冷卻后用清水沖洗數(shù)次,在試管中加入適量的水震蕩,使竹纖維自行分離。將試管內(nèi)的纖維連同水一齊倒入燒杯中,搖勻后用吸管取出少許纖維于載玻片上,用解剖針挑勻后,用番紅染料進(jìn)行染色制片,再用濾紙吸去蓋玻片邊緣處多余的染料,最后將制備好的竹纖維載玻片放在顯微鏡下，測(cè)定纖維的長(zhǎng)度和寬度并計(jì)算長(zhǎng)寬比,每個(gè)試樣隨機(jī)測(cè)定90根完整纖維的長(zhǎng)度和寬度[8]。

1.2.3 纖維壁厚、腔徑的測(cè)定

將花眉竹待測(cè)定試樣劈成1～2根徑向1 mm、長(zhǎng)度為20 mm的竹梗后分別放進(jìn)試管中,往各試管中加水至試樣淹沒(méi),然后放入水浴鍋進(jìn)行蒸煮軟化。軟化程度為用單面刀片能將其切割成片為止。切片材料用番紅染液染色制片,用濾紙吸去蓋玻片邊緣處多余的染料,然后將制片放在顯微鏡下隨機(jī)測(cè)定60根花眉竹材纖維的壁厚和腔徑并計(jì)算壁腔比。一株平均做2個(gè)切片,一個(gè)切片測(cè)10組數(shù)據(jù),三株總共測(cè)定對(duì)應(yīng)的60組數(shù)據(jù)。測(cè)定位置為兩個(gè)后生木質(zhì)部梯紋導(dǎo)管旁側(cè)方纖維帽內(nèi)的一列或幾列纖維。

2 結(jié)果與討論

竹材的纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比兩項(xiàng)指標(biāo)與其造紙性能直接相關(guān)。在研究植物的纖維形態(tài)與其制漿造紙性能之間的關(guān)系時(shí),應(yīng)綜合考慮其纖維長(zhǎng)度、寬度、纖維長(zhǎng)寬比等各種影響因素。

表2 竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)度和寬度

注 分別隨機(jī)測(cè)量竹竿不同離地高度和水平部位90根纖維的長(zhǎng)度和寬度。

表3 竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)度頻率分布 %

2.1 花眉竹材纖維長(zhǎng)度和寬度

花眉竹材纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比是評(píng)定造紙和纖維板原料品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo),纖維愈長(zhǎng),可提高其抄造紙張抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度和耐折度。根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算出竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)度和寬度,如表2所示。

由表2可知,竹竿不同離地高度的纖維長(zhǎng)度存在一定差異,竹竿離地高度4.5 m處纖維長(zhǎng)度最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m處的依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維長(zhǎng)度變異特點(diǎn)為外層纖維最大,內(nèi)層次之,中層最小。

竹竿離地高度6.5 m處纖維寬度最大,2.5 m、0.5 m、4.5 m處的依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維寬度變異特點(diǎn)為外層纖維最大,中層次之,內(nèi)層最小。

2.2 花眉竹材纖維長(zhǎng)度頻率分布

根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)將花眉竹纖維長(zhǎng)度分為<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七個(gè)等級(jí),在每個(gè)離地高度和不同竹竿水平部位統(tǒng)計(jì)各長(zhǎng)度等級(jí)纖維的根數(shù),然后再根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)等級(jí)長(zhǎng)度的花眉竹纖維占纖維總數(shù)的百分比。

根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)家協(xié)會(huì)理事會(huì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)纖維長(zhǎng)度(L)將纖維分為3級(jí)：L≤0.9 mm為短纖維；0.9 mm≤L≤1.6 mm為中等纖維；L≥1.6 mm為長(zhǎng)纖維[9-10]。由表3可知,纖維長(zhǎng)度小于1.5 mm的在整個(gè)纖維分布中占比很小。纖維長(zhǎng)度在1.5～2.0 mm區(qū)間和2.0～2.5 mm區(qū)間的頻率為25%～30%之間。纖維長(zhǎng)度在2.5～3.0 mm區(qū)間的頻率相對(duì)較小,僅有15%左右。長(zhǎng)度在3.0 mm以上的纖維比例約為7%。纖維長(zhǎng)度大部分集中分布在1.0～3.0 mm 之間,占85%～95%。這個(gè)區(qū)間是確定原料配比的主要依據(jù)。在不同離地高度中,在4.5 m處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最大,而在6.5 m處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最小。在不同竹竿水平部位中,在外層處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最大,而在中層處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最小。

2.3 花眉竹材纖維壁厚和腔徑

根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算出竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維壁厚和腔徑,如表4所示。

纖維壁厚與制漿造紙的多項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系密切，同樣大小的細(xì)胞,胞壁薄其腔就大,外力作用時(shí)易壓扁成帶狀,結(jié)合面積增大,故使結(jié)合力強(qiáng),抄造的紙張致密[11-12]。由表4可知,竹竿不同離地高度纖維壁厚存在一定的差異,竹竿離地高度0.5 m處纖維壁厚最大,4.5 m、2.5 m、6.5 m依次呈下降趨勢(shì)。水平部位竹壁纖維壁厚變異特點(diǎn)為外層纖維壁厚最大,中層次之,內(nèi)層最小。

表4 竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維壁厚和腔徑

注 分別隨機(jī)測(cè)量竹竿不同離地高度和水平部位60根纖維的壁厚和腔徑。

表5 竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比

注 分別隨機(jī)測(cè)量竹竿不同離地高度和水平部位90根纖維的長(zhǎng)寬比和60根纖維的壁腔比。

竹竿離地高度2.5 m處纖維腔徑最大,0.5 m、6.5 m、4.5 m處的依次呈下降趨勢(shì)。水平部位竹壁纖維腔徑變異特點(diǎn)為外層纖維腔徑最寬,內(nèi)層次之,中層最小。

2.4 花眉竹材纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比

人們通常使用纖維長(zhǎng)寬比表示纖維形態(tài)與制漿適合度的關(guān)系,通常纖維長(zhǎng)寬比越大,其撕裂強(qiáng)度、交織性、彈性、柔韌性愈高,紙竹材強(qiáng)固性、紙張撕裂指數(shù)愈高,越適合做造紙?jiān)蟍13]。根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算出竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比,見(jiàn)表5。

由表5可知,竹竿離地高度4.5 m處纖維長(zhǎng)寬比最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m依次呈下降趨勢(shì)；水平部位竹壁纖維長(zhǎng)寬比變異特點(diǎn)為內(nèi)層最大,中層次之,外層最小。

纖維壁腔比(即2倍壁厚和腔徑之比)是衡量紙張質(zhì)量另一個(gè)必不可少的指標(biāo),壁腔比小的纖維細(xì)胞壁薄而胞腔直徑大,比較柔韌易于縱裂帚化,纖維間的結(jié)合力較強(qiáng),成紙強(qiáng)度高。相反,壁腔比大的纖維其細(xì)胞壁厚,胞腔直徑窄,則纖維不易縱裂帚化,纖維間的結(jié)合力較差,紙漿強(qiáng)度較低[14-15]。竹竿離地高度4.5 m處纖維壁腔比最大,0.5 m、6.5 m、2.5 m依次呈下降趨勢(shì)。水平部位竹壁纖維壁腔比變異特點(diǎn)為中層最大,外層次之,內(nèi)層最小。

3 結(jié) 論

竹材的纖維形態(tài)是判斷其是否適合于制漿造紙的決定因素。因此,人們通常使用纖維長(zhǎng)度、纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比表示纖維形態(tài)與制漿適合度的關(guān)系。竹竿不同離地高度和水平部位的三年生花眉竹材纖維形態(tài)的差異及其影響規(guī)律研究結(jié)果如下。

3.1 三年生花眉竹材纖維形態(tài)特征隨竹竿離地高度的變化表現(xiàn)為：離地高度4.5 m處纖維長(zhǎng)度最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m處逐漸減小。離地高度6.5 m處纖維寬度最大,2.5 m、0.5 m、4.5 m逐漸下降。離地高度0.5 m處纖維壁厚最大,4.5 m、2.5 m、6.5 m依次下降。離地高度2.5 m處纖維腔徑最大,0.5 m、6.5 m、4.5 m依次下降。離地高度4.5 m處纖維長(zhǎng)寬比、壁腔比最大。

3.2 三年生花眉竹材纖維形態(tài)特征隨竹竿水平部位變化表現(xiàn)為：竹壁外層纖維長(zhǎng)度最大,內(nèi)層次之,中層最短。竹壁外層纖維寬度最大、中層次之，內(nèi)層最小。竹壁內(nèi)層纖維長(zhǎng)寬比最大,中層次之,外層最小。竹壁外層纖維壁厚最大,中層次之,內(nèi)層最小。外層纖維腔徑最大，內(nèi)層次之，中層最小。竹壁中層纖維壁腔比最大,外層次之,內(nèi)層最小。

3.3 纖維長(zhǎng)度大部分集中分布在1.0～3.0 mm之間,占85%～95%。不同離地高度中,在4.5 m處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最大,而在6.5 m處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最小。在不同竹竿水平部位中,外層處大于1.5 mm的纖維占比最大,而在中層處長(zhǎng)度大于1.5 mm的纖維占比最小。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

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)

貴州省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃(編號(hào)：黔教合KY字[2015]508)；福建省財(cái)政廳科研基金資助項(xiàng)目“進(jìn)口木材特性與鑒別關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣”(編號(hào)：K8115004A)；貴州省科技合作計(jì)劃(編號(hào)：黔科合LH字[2015]7751號(hào))。

李 權(quán)先生,博士,副教授；主要從事木材科學(xué)與木結(jié)構(gòu)建筑方面的研究。

TS71+2

A

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

*通信作者：林金國(guó),教授,博士生導(dǎo)師；主要從事木材科學(xué)方面的研究。