李紅晨，何 盛，張仲鳳，陳玉和，吳再興，李 能

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙410004；2.國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開(kāi)發(fā)中心，國(guó)家林業(yè)和草原局竹家居工程技術(shù)研究中心，浙江省竹子高效加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012）

中國(guó)素有“竹子王國(guó)”之稱(chēng)，竹材資源豐富［1］。竹子具有生長(zhǎng)速度快，可再生性強(qiáng)，一次種植、永續(xù)利用的特點(diǎn)［2］。在天然林木材資源日益減少的背景下，竹材的加工利用受到人們的廣泛關(guān)注，其產(chǎn)品種類(lèi)不斷豐富，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。竹材資源的高效利用成為我國(guó)木材資源重要補(bǔ)充。

作為天然生物材料，竹材內(nèi)部復(fù)雜的顯微構(gòu)造決定其性能。如竹材力學(xué)性能優(yōu)異，集剛性、高韌性及高延展性于一身，這與竹材纖維細(xì)胞排列方式、細(xì)胞壁上纖維走向等顯微結(jié)構(gòu)特征有重要聯(lián)系。竹材的防霉、防腐、染色等改性研究表明，竹材的改性處理效果與其液體滲透性能密切相關(guān)。而竹材的液體滲透性同樣與其顯微構(gòu)造密不可分。根據(jù)多孔材料細(xì)觀滲流理論，竹材內(nèi)部的不同類(lèi)型細(xì)胞及組織構(gòu)造，構(gòu)成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑分布、孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔隙之間的連通性等參數(shù)共同決定液體在竹材內(nèi)部的滲透規(guī)律［2］。

目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)竹材顯微構(gòu)造的研究已較為全面，但對(duì)于竹材內(nèi)部孔隙構(gòu)造尚未有系統(tǒng)研究。本文綜述了竹材顯微構(gòu)造研究進(jìn)展，歸納了常用的竹材顯微構(gòu)造表征方法。從多孔材料結(jié)構(gòu)分析這一角度，總結(jié)分析竹材孔隙結(jié)構(gòu)特征及其表征方法，結(jié)合竹材的顯微構(gòu)造，分析竹材顯微構(gòu)造及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其物理力學(xué)性能、液體滲透性等方面性能的影響，以期為竹材的高效加工利用提供理論支撐。

1 竹材顯微構(gòu)造特征

1.1 竹材解剖構(gòu)造

竹材與木材一樣是一種具有復(fù)合毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的天然生物質(zhì)材料［3］，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻與木材不同。竹材沒(méi)有橫向射線細(xì)胞或是徑向生長(zhǎng)的細(xì)胞，纖維細(xì)胞沿軸向整齊排列［4］。竹材節(jié)間主要由基本組織與維管束構(gòu)成［5］。維管束不規(guī)則分布在基本組織中，從竹青至竹黃分布密度逐漸稀減，但維管束體型呈增大趨勢(shì)［6］，其變化呈緩和過(guò)渡狀態(tài)（圖1）。維管束中的竹纖維細(xì)胞是厚壁細(xì)胞，細(xì)胞體型細(xì)長(zhǎng)兩端漸尖，起到機(jī)械支持作用，為增強(qiáng)相；基本組織存在于皮層與髓環(huán)之間，是薄壁細(xì)胞，包圍著維管束，為基體相［7］。

橫切面上，不同竹種的維管束形狀不同，但總體都類(lèi)似于“四瓣梅花狀”。根據(jù)4個(gè)“梅花”花瓣之間抱合程度的不同，將維管束形態(tài)分為雙斷腰型、斷腰型、緊腰型、開(kāi)放型與半開(kāi)放型5大類(lèi)［8］。以毛竹維管束為例，由外到內(nèi)維管束的形態(tài)由半開(kāi)放式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放式。外層為半開(kāi)放型，內(nèi)層為開(kāi)放型。毛竹外層維管束排列緊密，呈錯(cuò)列排列，維管束面積有規(guī)律的變化。內(nèi)層維管束分布均勻，面積大，差異小。其導(dǎo)管面積和多孔區(qū)面積大，竹纖維鞘面積?。?］。在單個(gè)維管束內(nèi)部，靠近竹青一側(cè)稱(chēng)為外方纖維鞘，靠近竹黃一側(cè)稱(chēng)為內(nèi)方纖維鞘，兩側(cè)為側(cè)方纖維鞘［9］。纖維束是竹子疏導(dǎo)組織與纖維組織的綜合體，其中心為導(dǎo)管、篩管及薄壁細(xì)胞［10］。從斷面尺寸上看，維管束內(nèi)導(dǎo)管分子的直徑最大，篩管次之，伴胞又次之，然后是薄壁細(xì)胞，最小的是維管束里的纖維鞘細(xì)胞（圖2）。

縱切面上，可明顯區(qū)別竹材的導(dǎo)管、篩管、胞壁細(xì)胞等組織的形態(tài)與分布。圖3-6為利用掃描電子顯微鏡觀察到的竹材導(dǎo)管、篩管、竹纖維及薄壁細(xì)胞的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管的縱切面長(zhǎng)而寬，內(nèi)壁上有大量紋孔，排列整齊，其直徑在幾十微米（圖4）；薄壁細(xì)胞縱切面近似長(zhǎng)方形，腔大壁薄，內(nèi)含豐富的淀粉粒（圖5），細(xì)胞內(nèi)壁上也有紋孔，但數(shù)量少于導(dǎo)管內(nèi)壁上的紋孔數(shù)量，且呈星狀散列，無(wú)規(guī)律可循；纖維細(xì)胞的縱切面為細(xì)長(zhǎng)通道，內(nèi)壁上的孔隙最少，只有少數(shù)幾個(gè)紋孔（圖6）。

圖1 竹材橫切面Fig.1 Cross section of bamboo

圖2 竹材維管束結(jié)構(gòu)［5］Fig.2 Bamboo vascular bundle structure［5］

圖3 纖維細(xì)胞、導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞Fig.3 Fibroblasts，vessel，and parenchyma cells

圖5 薄壁細(xì)胞腔壁Fig.5 Cell wall of parenchyma cells

圖4 導(dǎo)管內(nèi)壁Fig.4 Inner wall of the vessel

圖6 纖維細(xì)胞腔壁Fig.6 Cell wall of fibroblast

竹材內(nèi)部不同的微觀構(gòu)造具有不同的功能。如導(dǎo)管在竹子生長(zhǎng)過(guò)程中主要起輸導(dǎo)水分和運(yùn)送無(wú)機(jī)鹽的作用［11］。在竹子加工利用過(guò)程中，導(dǎo)管仍舊是液體等的主要滲透通道。篩管伴胞等在竹材的縱向滲透上也起著重要作用。胞壁上的紋孔及細(xì)胞間隙是液體在相鄰細(xì)胞間流通的主要路徑。竹纖維細(xì)胞是竹材中重要的承載功能細(xì)胞，薄壁細(xì)胞則主要起連接并傳遞載荷作用。

1.2 顯微構(gòu)造觀測(cè)方法

竹材的顯微構(gòu)造觀測(cè)方法與木材類(lèi)似，主要采用顯微成像設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)。如光學(xué)顯微鏡、體視顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡及顯微CT。

光學(xué)顯微鏡是最常用的觀測(cè)方法，在木材科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這一觀測(cè)方法同樣可應(yīng)用于竹材解剖構(gòu)造觀察領(lǐng)域。觀測(cè)過(guò)程中，將竹材組織切片、染色制片后進(jìn)行觀察。采用該方法可觀察竹材內(nèi)部主要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、篩管、竹纖維細(xì)胞等［12］。對(duì)于竹材紋孔，細(xì)胞壁上纖維走向等細(xì)微構(gòu)造，受放大倍數(shù)及分辨率限制，光學(xué)顯微鏡一般較難觀測(cè)。同時(shí)，由于制樣過(guò)程需要對(duì)樣品進(jìn)行軟化、染色等處理，可能對(duì)樣品產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在差異。體視顯微鏡用于觀測(cè)竹材顯微構(gòu)造時(shí)，其制樣過(guò)程較光學(xué)顯微鏡更為簡(jiǎn)單，僅需將觀測(cè)面切平即可。可粗略觀察竹材宏觀細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成，但同樣受放大倍數(shù)及分辨率限制，無(wú)法觀測(cè)竹材的細(xì)微構(gòu)造。掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)較光學(xué)及體視顯微鏡更大，具有景深較大、分辨率高的特點(diǎn)。試件制備時(shí)需將竹材觀測(cè)面切平、噴金處理。它不僅可以對(duì)竹材宏觀及微觀構(gòu)造進(jìn)行觀測(cè)，還可對(duì)細(xì)胞壁壁層結(jié)構(gòu)、纖維走向等超微構(gòu)造進(jìn)行觀測(cè)。如陳紅等［7］利用SEM觀察竹纖維細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)，直觀地觀察了冷熱交替處理材的纖維壁多層結(jié)構(gòu)；何盛等［13］利用掃描電鏡觀察微波處理材在顯微結(jié)構(gòu)層次的結(jié)構(gòu)破壞情況，并將其微觀結(jié)構(gòu)破壞與浸注性能相聯(lián)系。透射電鏡放大倍數(shù)較掃描電鏡更大，對(duì)觀測(cè)樣品要求更高，需將竹材軟化、包埋、切片后進(jìn)行觀察。由于竹材木質(zhì)化程度高，薄壁硬度較大，導(dǎo)致其制樣較為困難。這一方法主要用于竹材超微構(gòu)造觀察，如細(xì)胞壁內(nèi)微纖絲走向、壁層結(jié)構(gòu)等。原子力顯微鏡可用于觀察竹纖維等細(xì)胞的細(xì)胞壁構(gòu)造特征，其樣品處理較同分辨率的表征手段更簡(jiǎn)單，且能通過(guò)觀測(cè)結(jié)果測(cè)算細(xì)胞壁各壁層的厚度，可有效表征竹纖維細(xì)胞橫截面各壁層模量分布規(guī)律［14-15］。顯微CT具有無(wú)損、三維成像等優(yōu)點(diǎn)，利用其進(jìn)行竹材顯微構(gòu)造觀測(cè)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行切片，能客觀真實(shí)反映竹材顯微結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)造。隨著顯微CT性能的不斷改進(jìn)，獲取樣品三維圖像的分辨率不斷提高，使之成為木竹材解剖構(gòu)造研究的又一重要研究手段。利用該方法在實(shí)現(xiàn)木竹材顯微構(gòu)造表征的同時(shí)，可用于分析其內(nèi)部膠黏劑等流體滲透規(guī)律［16］。

2 竹材孔隙構(gòu)造研究進(jìn)展

作為一種天然生物多孔材料，竹材不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同孔徑、不同形態(tài)的孔隙構(gòu)造，并構(gòu)成竹材復(fù)雜的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。竹材的孔隙構(gòu)造與其性能密切相關(guān)，如竹材的液體滲透過(guò)程，導(dǎo)管對(duì)應(yīng)的孔隙孔徑大，液體通過(guò)導(dǎo)管的流通效率高。竹纖維細(xì)胞壁厚腔小，液體滲透速度慢。薄壁細(xì)胞的細(xì)胞壁很薄，細(xì)胞腔直徑較竹纖維細(xì)胞大，且細(xì)胞壁上有較多紋孔，因此液體滲透效率較竹纖維細(xì)胞高。因此，有必要從多孔材料分析角度，對(duì)竹材內(nèi)部孔隙構(gòu)造進(jìn)行解析。本部分總結(jié)分析了竹材孔隙結(jié)構(gòu)特征，并歸納了主要的孔隙結(jié)構(gòu)表征方法。

2.1 竹材孔隙構(gòu)造特征

通過(guò)顯微觀測(cè)手段可獲得竹材微觀構(gòu)造所構(gòu)成的孔隙的孔徑分布、孔隙形態(tài)。如熊文愈等［12］采用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)了毛竹稈莖部分的不同類(lèi)型細(xì)胞的平均直徑，結(jié)果顯示，稈莖外側(cè)導(dǎo)管平均直徑為40μm，中部為107 μm，內(nèi)側(cè)為135μm；基本組織（薄壁細(xì)胞）平均直徑約47 μm；纖維鞘細(xì)胞的平均直徑僅在20μm左右［17］。

從孔隙形態(tài)來(lái)看，竹材導(dǎo)管細(xì)胞呈圓筒狀，纖維細(xì)胞呈圓形細(xì)長(zhǎng)狀態(tài)，兩端尖銳。髓環(huán)區(qū)域由柱狀厚壁細(xì)胞組成，呈短而方的柱狀排列，且隨竹齡增大薄壁增厚成為石細(xì)胞，基本不可進(jìn)行流體滲透。構(gòu)成基本組織的薄壁細(xì)胞的胞壁隨著竹齡增大而增厚，且薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度較導(dǎo)管小，約為導(dǎo)管長(zhǎng)度的2/3左右。在孔隙內(nèi)壁上，不同細(xì)胞上分布有數(shù)量和形態(tài)不同的小孔（紋孔）。如導(dǎo)管薄壁上有大量梯形紋孔，薄壁細(xì)胞上數(shù)量次之，竹纖維細(xì)胞上紋孔數(shù)量稀少，且孔徑小，僅1μm左右。細(xì)胞胞壁上小孔的存在起著連通相鄰孔隙的作用，是竹材內(nèi)部流體及養(yǎng)分輸送主要路徑。

從多孔材料分析角度看，影響竹材性能的不僅包括孔隙的孔徑，還包括孔隙率、孔隙連通性、孔結(jié)構(gòu)特征及迂曲度等參數(shù)。目前，針對(duì)竹木材孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究相對(duì)較少，主要參照多孔材料研究領(lǐng)域研究方法進(jìn)行。如有研究人員對(duì)木材孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，獲得多種木材的孔隙率及孔徑分布分析結(jié)果［18］。筆者對(duì)竹材節(jié)間組織進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試，獲得了孔隙率、孔體積、孔徑分布等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與竹材的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)?？傮w來(lái)看，針對(duì)竹材孔隙構(gòu)造的研究尚不系統(tǒng)，亟待通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)的全面表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)竹材性能變化規(guī)律的分析。

圖7 毛竹孔徑分布圖Fig.7 Bamboo pore size distribution

2.2 竹材孔隙結(jié)構(gòu)表征方法

隨著對(duì)多孔材料性能研究的不斷深入以及表征手段的多樣化，用來(lái)解析多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法越來(lái)越多。本文根據(jù)竹材孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒多孔材料研究領(lǐng)域表征方法，總結(jié)歸納可用于表征竹材孔隙構(gòu)造的主要方法。

2.2.1 數(shù)字圖像分析法 數(shù)字圖像分析法主要結(jié)合顯微觀測(cè)方法獲得的竹材顯微構(gòu)造圖像，使用圖像分析軟件，通過(guò)灰度變換、銳化增強(qiáng)、二值化處理等手段，凸顯竹材孔隙構(gòu)造，經(jīng)圖像分割及統(tǒng)計(jì)分析后，獲得孔隙數(shù)量、面積等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)竹材孔隙結(jié)構(gòu)的量化表征。這一方法在木材紋理特征分析、木材識(shí)別、裂紋分析等方面得到了廣泛應(yīng)用。如Mekhtiev等［19］采用圖像處理方法分析微波處理后木材裂紋情況；高瑩等［20］利用圖像處理法，獲得了木材的細(xì)胞圖像的紋理特征。并通過(guò)邊緣檢測(cè)及形狀特征提取，可以達(dá)到提取裂紋區(qū)域，對(duì)裂紋特征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的目的；于海鵬等利用圖像紋理特征檢索識(shí)別木材材種。竹材的導(dǎo)管內(nèi)壁及薄壁細(xì)胞的內(nèi)壁有紋孔，因此使用數(shù)字圖像分析法可以測(cè)量分析竹材的孔隙率。賀勇［21］通過(guò)圖像處理技術(shù)，分析了竹材在經(jīng)過(guò)處理前后的維管束孔隙變化與基質(zhì)孔隙面積變化情況。上述研究表明，在圖像放大倍數(shù)較小時(shí)，利用圖像分析法，可獲得竹材孔隙構(gòu)造的宏觀特征。而在放大倍數(shù)較大時(shí)，由于視野較小，只能獲得某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)細(xì)胞構(gòu)成的孔隙結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，通過(guò)該方法能獲取孔隙的數(shù)量、截面面積及形貌信息，無(wú)法獲得孔徑分布、孔隙率、孔隙連通性等表征數(shù)據(jù)。

2.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)量化表征方法 壓汞法、氣體吸附法及核磁共振法是多孔材料研究領(lǐng)域常用的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)量化表征方法。其中，壓汞法和氣體吸附法通過(guò)流體注入方式，根據(jù)壓入或吸附在材料孔隙中流體的量，通過(guò)計(jì)算獲得材料內(nèi)部孔隙率、孔體積及孔徑分布等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。壓汞法在多孔材料大孔（孔徑大于50 nm）及中孔（孔徑為2～50 nm）的表征方面具有優(yōu)勢(shì)，竹材中孔隙的孔徑基本都分布于大孔及中孔范圍內(nèi)。如竹材中導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、竹纖維細(xì)胞、紋孔等結(jié)構(gòu)的直徑范圍在50 nm以上，因此，可采用壓汞法量化表征竹材孔隙結(jié)構(gòu)。如左宋林等［22］利用壓汞法研究了炭化過(guò)程中竹材縱橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)的變化。此外，這一方法也可應(yīng)用于木材孔隙結(jié)構(gòu)表征分析［4，23-24］。氣體吸附法主要針對(duì)微孔（孔徑小于2 nm）及中孔（孔徑2～50 nm）進(jìn)行測(cè)試［25］，可用于竹材孔徑較小的孔隙特征分析。核磁共振法通過(guò)測(cè)定材料內(nèi)部流體流動(dòng)反演孔隙結(jié)構(gòu)特征，可用于分析流體參數(shù)對(duì)材料內(nèi)部流體滲透特性的影響［26-27］。該方法在木材細(xì)胞壁吸著水含量與孔隙分布、不同溫度下多尺度孔隙內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)以及多種濕度下的木材干燥/吸濕過(guò)程的水分遷移和孔徑變化等方面得到廣泛應(yīng)用［28］。

2.2.3 孔隙形態(tài)量化表征方法 上述兩類(lèi)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)竹材孔隙的孔隙率、孔徑與孔徑分布、孔比表面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)的量化表征，但在孔隙形態(tài)參數(shù)（孔的不規(guī)則度、孔隙相交程度、迂曲度）的量化表征方面還存在不足。如壓汞法是基于孔結(jié)構(gòu)的圓柱形直通道假設(shè)來(lái)進(jìn)行，忽略了孔的不規(guī)則度、孔的表面粗糙度或孔之間的相交程度。

分形理論是基于分形幾何學(xué)而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要理論。近年來(lái)在許多領(lǐng)域得到有效的實(shí)際應(yīng)用。采用適當(dāng)?shù)姆椒ɑ蚰Ｐ?，結(jié)合分形理論可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的孔隙形態(tài)參數(shù)的量化表征。其中，分形維數(shù)作為描述多孔材料分形結(jié)構(gòu)特征的最主要參量，可定量表征孔隙表面粗糙程度及流體滲透彎曲程度。如曹歡玲等［29］就通過(guò)運(yùn)用分形維數(shù)法測(cè)量木材表面的粗糙度。

分形維數(shù)分為質(zhì)量、表面及迂曲度分形維數(shù)3類(lèi)。質(zhì)量分形維數(shù)可表征材料內(nèi)部的孔隙度變化；表面分形維數(shù)可表征孔隙表面粗糙度；而迂曲度分形維數(shù)則可表征流體流動(dòng)彎曲特性表征。常用的計(jì)算分形維數(shù)方法是利用理論模型計(jì)算或預(yù)測(cè)。如利用水分特征曲線或自發(fā)滲吸預(yù)測(cè)可獲得孔隙質(zhì)量分形維數(shù)。以Frenkel-Halsey-Hill（FHH）理論為基礎(chǔ)，結(jié)合氣體吸附法測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算多孔材料的表面分形維數(shù)?；贙och曲線模型，可理論計(jì)算迂曲率分形維數(shù)。

目前，在木竹材科學(xué)領(lǐng)域，分形理論可在木材解剖學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、無(wú)損檢測(cè)及環(huán)境學(xué)中應(yīng)用［39］。將分形維數(shù)法應(yīng)用于竹材孔隙形態(tài)研究中，利用分形維數(shù)表征竹材內(nèi)部孔隙不規(guī)則度、孔隙相交程度、迂曲度等結(jié)構(gòu)特征，對(duì)解析竹材的性能變化規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。

3 顯微及孔隙構(gòu)造與竹材性能關(guān)系

3.1 流體滲透性

竹材的顯微及孔隙構(gòu)造分析表明，竹材是孔徑分布范圍較廣、孔隙形態(tài)復(fù)雜的天然多孔材料，流體在竹材內(nèi)部的滲透主要通過(guò)竹材的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行，孔隙結(jié)構(gòu)和形態(tài)均會(huì)對(duì)竹材的流體滲透性產(chǎn)生影響。

從滲透路徑看，流體在竹材內(nèi)部的滲透包含縱向及橫向兩個(gè)方向。其中，流體縱向滲透主要是通過(guò)縱向排列的各類(lèi)細(xì)胞（導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、竹纖維等）及細(xì)胞間隙進(jìn)行；縱向相鄰細(xì)胞間的流體滲透主要通過(guò)細(xì)胞連接處的紋孔進(jìn)行。在流體橫向滲透方面，相鄰細(xì)胞間相互連接的紋孔或紋孔與細(xì)胞間隙是主要的流體橫向滲透路徑。因此，細(xì)胞腔直徑大小、細(xì)胞壁上紋孔多少、紋孔直徑及紋孔開(kāi)閉均會(huì)對(duì)竹材的縱向及橫向滲透產(chǎn)生影響。胞腔直徑越大、胞壁上開(kāi)放紋孔越多、紋孔直徑越大，液體在竹材內(nèi)部的滲透效率越高，滲透速度越快。舒甜甜等通過(guò)對(duì)毛竹染料的滲透性研究發(fā)現(xiàn)，竹材的縱向滲透性?xún)?yōu)于橫向滲透性；橫向滲透性方面，徑向滲透性大于弦向滲透性［30］。筆者在對(duì)竹材進(jìn)行染色處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，染液在竹材的縱向滲透方面，沿導(dǎo)管的滲透速度最快，其次是薄壁細(xì)胞，而竹纖維細(xì)胞滲透速度最慢。這是因?yàn)閷?dǎo)管直徑最大，且紋孔分布較多。竹纖維細(xì)胞壁厚腔小，且紋孔數(shù)量少，孔徑小?？傮w而言，與木材相比，竹材的滲透性相對(duì)更差。由于竹材較大部分木材孔隙率更低，孔體積較小，即流體儲(chǔ)存空間小。同時(shí)，從微觀構(gòu)造上看，竹材細(xì)胞類(lèi)型較多，且不同細(xì)胞直徑不同，細(xì)胞結(jié)構(gòu)也差異明顯，導(dǎo)致其各方向滲透效率并不均勻。同時(shí)，由于竹材沒(méi)有射線組織，其徑向滲透較木材更慢。

從多孔材料細(xì)觀滲流角度分析，影響竹材滲透性的因素中，除孔隙直徑外，還受孔隙形態(tài)參數(shù)影響。從細(xì)胞微觀形態(tài)看，竹材內(nèi)部孔隙多為圓筒狀或楔形。而在紋孔區(qū)域，則主要是與相鄰的細(xì)胞腔形成墨水瓶形孔隙。從孔隙連通性來(lái)看，竹材內(nèi)部通孔及閉孔相對(duì)較少，半連通孔較多。大量半連通孔隙通過(guò)紋孔等結(jié)構(gòu)相互交織，形成迂曲的流體滲透路徑。導(dǎo)致竹材滲透性差。因此，要了解竹材流體滲透規(guī)律，需要對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及形態(tài)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)表征分析。

3.2 物理性質(zhì)

竹材的物理性質(zhì)主要包括密度、導(dǎo)熱性、干縮性能等［9］，顯微構(gòu)造及孔隙結(jié)構(gòu)與其物理性質(zhì)密切相關(guān)［31］。如竹材基本密度與纖維長(zhǎng)度具有顯著的相關(guān)性，與纖維體積比量、壁腔比和長(zhǎng)寬比之間有較顯著相關(guān)性。竹材不同部位密度不同，竹青至竹黃呈逐漸降低趨勢(shì)，竹基部至竹稈部呈逐漸遞增趨勢(shì)。其原因是竹材的上部與竹稈外壁的維管束分布密集，且導(dǎo)管孔徑較細(xì)，因而密度大；竹材下部與竹稈內(nèi)部維管束分布稀疏，導(dǎo)管直徑較大，因而密度?。?］。這一變化趨勢(shì)在每種竹材中都是一致的。在導(dǎo)熱系數(shù)方面，由于竹材沒(méi)有射線組織，熱流無(wú)法沿徑向傳導(dǎo)，因此與同含水率、同密度、同溫度下的木材相比，竹材導(dǎo)熱系數(shù)小于木材。同時(shí)，竹材導(dǎo)熱系數(shù)與竹材絕干密度關(guān)系密切。熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱流通過(guò)竹材細(xì)胞壁物質(zhì)和孔隙進(jìn)行傳遞，孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比細(xì)胞壁物質(zhì)低得多，因此竹材的導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增加而減小，也就是隨竹材密度的增大而增大［32］。

竹材干縮的主要原因是在干燥過(guò)程中，竹材細(xì)胞內(nèi)部失去水分導(dǎo)致胞壁收縮，從而引起竹材的收縮。由于竹材沒(méi)有徑向射線組織，干縮過(guò)程中沒(méi)有牽制作用，導(dǎo)致竹材橫紋抗拉強(qiáng)度較低。同時(shí)，竹材不同細(xì)胞的胞壁厚度不同，干燥過(guò)程中干縮量不同，容易產(chǎn)生干縮應(yīng)力，進(jìn)而形成縱向干縮裂紋。

3.3 力學(xué)性質(zhì)

竹材力學(xué)性質(zhì)主要為順紋抗拉強(qiáng)度和彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量、順紋剪切強(qiáng)度以及順紋靜曲強(qiáng)度和彈性模量等。竹材節(jié)間細(xì)胞有很多種，根據(jù)其在力學(xué)性質(zhì)上的影響可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是薄壁細(xì)胞，主要是基本組織，傳遞載荷；另一類(lèi)是厚壁纖維，主要是竹纖維，決定竹材的力學(xué)性質(zhì)［33］。邵卓平等通過(guò)對(duì)毛竹纖維與力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：竹壁徑向的力學(xué)性能由內(nèi)向外逐漸遞增，在竹材徑向上切取的竹片的剛度、強(qiáng)度與其纖維含量成正比關(guān)系，竹材的力學(xué)性質(zhì)與其纖維含量也成正比［34］。竹材在承受不同方向的壓力時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)的受力情況也是不同的。當(dāng)竹材承受徑向與弦向的壓力時(shí)，基本組織首先受力并將力傳給纖維束，隨著力的增加，基本組織被擠扁、壓潰，繼而導(dǎo)管與竹纖維被壓潰，形成宏觀變形；橫向受力時(shí)，竹材的細(xì)胞腔被壓扁壓潰，形成變形；軸向上，厚薄壁細(xì)胞在軸向壓力下扭曲或褶皺，形成宏觀壓潰，但軸向上竹纖維是承載力的主體，因而其軸向屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橫向［35］。此外，在竹地板上的應(yīng)用表明，竹青面作為地板的表面時(shí)，其耐磨性與硬度都很高［36］，這表明纖維束對(duì)竹材的耐磨性與硬度也有很大的關(guān)系。

4 展望

作為天然生物多孔材料，竹材具有復(fù)雜的顯微及孔隙構(gòu)造，對(duì)其物理力學(xué)性能有顯著影響。筆者綜述了竹材顯微構(gòu)造及孔隙結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了主要的表征方法，分析了顯微及孔隙構(gòu)造對(duì)物理力學(xué)性能的影響。雖然目前針對(duì)竹材顯微構(gòu)造的研究已經(jīng)較為系統(tǒng)，但對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)表征方面的研究還不夠深入。同時(shí)，在如何將孔隙結(jié)構(gòu)特征與顯微構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，從多孔材料角度分析竹材孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響方面還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。筆者認(rèn)為在竹材顯微構(gòu)造及孔隙結(jié)構(gòu)未來(lái)研究的重點(diǎn)在于：

（1）竹材孔隙構(gòu)造的系統(tǒng)全面表征。借鑒多孔材料研究領(lǐng)域關(guān)于孔隙構(gòu)造的表征方法，分析竹材孔隙構(gòu)造特征。獲得竹材孔隙形態(tài)的直觀圖像及量化表征結(jié)果，總結(jié)測(cè)試竹材孔隙率、閉孔率、孔徑分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效方法。

（2）顯微構(gòu)造與孔隙結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將竹材孔隙結(jié)構(gòu)量化表征結(jié)果與顯微構(gòu)造特征相對(duì)應(yīng)，分析竹材不同組織構(gòu)造對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用量化表征結(jié)果解析其性能及不同組織構(gòu)造差異產(chǎn)生的原因。

（3）竹材應(yīng)用研究拓展。將竹材顯微構(gòu)造及孔隙結(jié)構(gòu)研究結(jié)果用于指導(dǎo)竹材的應(yīng)用研究，如竹材的漂白、染色以及防腐防霉處理等改性研究方面。分析改性劑在竹材內(nèi)部的滲透規(guī)律，探索通過(guò)改變竹材孔隙構(gòu)造，改善竹材流體滲透性的方法，提高竹材改性處理效果及處理效率，為竹材的高附加值利用提供有力支撐。