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毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

李荣荣 贺楚君 彭博 王传贵

李荣荣, 贺楚君, 彭博, 王传贵. 毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
引用本文: 李荣荣, 贺楚君, 彭博, 王传贵. 毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
LI Rongrong, HE Chujun, PENG Bo, WANG Chuangui. Differences in fiber morphology and partial physical properties in different parts of Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
Citation: LI Rongrong, HE Chujun, PENG Bo, WANG Chuangui. Differences in fiber morphology and partial physical properties in different parts of Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649

毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
基金项目: “十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD04B0302)
详细信息
    作者简介: 李荣荣(ORCID: 0000-0002-0485-3188),副教授,博士,从事家具智能制造技术与装备、木质材料先进加工技术研究。E-mail: lirongrong@njfu.edu.cn
  • 中图分类号: S781

Differences in fiber morphology and partial physical properties in different parts of Phyllostachys edulis

  • 摘要:   目的  探明毛竹Phyllostachys edulis竹青、竹黄及竹肉不同部位的纤维形态、力学性能以及干缩性能等差异,为毛竹材高效利用提供基础数据。  方法  通过纤维离析与显微观察、力学性能与尺寸稳定性测试,分析比较毛竹材不同部位性能差异。  结果  毛竹材竹黄、竹肉与竹青不同部位中,纤维长度和宽度以及纤维占比差异极显著(P<0.01)。竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近,且极显著小于竹肉(P<0.01)。竹青密布维管束,对毛竹材抗弯强度、弹性模量贡献最为大,其次为竹肉和竹黄。就顺纹抗压强度而言,从大到小依次为竹青、竹黄、竹肉。竹材横向干缩性明显大于纵向,全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向。竹材不同部位中,径向和弦向气干干缩率的大小关系略有差异。  结论  毛竹材不同部位性能差异明显,竹黄抗压力学性能优于竹肉,可将竹黄保留用于制备新型竹木复合材料,有助于提高竹材利用率。图2表5参37
  • 图  1  毛竹不同部位纤维长度分布频率和纤维长宽比

    Figure  1  Fiber length distribution frequency and the ratio of fiber length to width in different parts of Ph. edulis

    图  2  不同部位毛竹的维管束与薄壁细胞面积比例及单个维管束的面积

    Figure  2  Area ratio of vascular bundle and parenchyma tissue in different parts of Ph. edulis and the area of single vascular bundle

    表  1  毛竹材各部位纤维平均尺寸

    Table  1.   Mean size of fiber in different parts of Ph. edulis

    部位长度/mm宽度/μm
    竹黄1.48±0.45 b14.01±2.75 b
    竹肉1.88±0.56 a15.15±3.53 a
    竹青1.43±0.53 b13.40±3.47 b
      说明:数值为平均值±标准差。不同字母表示部位间差异极     显著(P<0.01)
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    表  2  毛竹不同试件的抗弯强度和弹性模量

    Table  2.   Bending strength and elastic modulus of different Ph. edulis samples

    试件抗弯强度弹性模量
    平均值/MPa标准差/MPa变异系数/%平均值/GPa标准差/GPa变异系数/%
    A57.778.1914.23.260.5316.20
    B115.2811.109.68.390.839.80
    C48.197.4015.52.260.7432.80
    D109.1311.3610.47.910.9512.00
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    表  3  不同毛竹试件顺纹抗压强度

    Table  3.   Compressive strength of different Ph. edulis samples

    试件平均厚度/mm顺纹抗压强度
    均值/MPa标准差/MPa变异系数/%
    A5.2138.354.0510.56
    B7.0859.365.65 9.51
    C4.2135.112.15 6.12
    D8.5659.546.3610.68
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    表  4  毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹气干干缩率测试结果

    Table  4.   Results of air-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

    部位气干干缩率/%
    平均值标准差变异系数
    弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积
    竹黄1.554.140.447.470.200.230.011.0210.348.2611.0117.25
    竹肉2.892.770.437.940.320.190.020.939.879.1110.2810.72
    竹青3.834.050.4210.100.410.430.010.9812.2414.6710.118.29
    毛竹3.152.110.436.370.430.180.030.7810.2615.2413.569.43
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    表  5  毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹全干干缩率测试结果

    Table  5.   Results of total-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

    部位全干干缩率/%
    平均值标准差变异系数
    弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积
    竹黄2.586.601.038.760.280.460.031.2114.2710.6613.2812.21
    竹肉4.996.810.848.800.360.640.010.9513.7210.929.9213.46
    竹青7.577.980.6313.700.990.550.041.5311.9813.298.9112.18
    毛竹5.255.760.8111.390.630.590.030.959.8914.3112.2113.62
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-15
  • 修回日期:  2021-04-07
  • 网络出版日期:  2021-08-09
  • 刊出日期:  2021-08-20

毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
    基金项目:  “十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD04B0302)
    作者简介:

    李荣荣(ORCID: 0000-0002-0485-3188),副教授,博士,从事家具智能制造技术与装备、木质材料先进加工技术研究。E-mail: lirongrong@njfu.edu.cn

  • 中图分类号: S781

摘要:   目的  探明毛竹Phyllostachys edulis竹青、竹黄及竹肉不同部位的纤维形态、力学性能以及干缩性能等差异,为毛竹材高效利用提供基础数据。  方法  通过纤维离析与显微观察、力学性能与尺寸稳定性测试,分析比较毛竹材不同部位性能差异。  结果  毛竹材竹黄、竹肉与竹青不同部位中,纤维长度和宽度以及纤维占比差异极显著(P<0.01)。竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近,且极显著小于竹肉(P<0.01)。竹青密布维管束,对毛竹材抗弯强度、弹性模量贡献最为大,其次为竹肉和竹黄。就顺纹抗压强度而言,从大到小依次为竹青、竹黄、竹肉。竹材横向干缩性明显大于纵向,全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向。竹材不同部位中,径向和弦向气干干缩率的大小关系略有差异。  结论  毛竹材不同部位性能差异明显,竹黄抗压力学性能优于竹肉,可将竹黄保留用于制备新型竹木复合材料,有助于提高竹材利用率。图2表5参37

English Abstract

李荣荣, 贺楚君, 彭博, 王传贵. 毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
引用本文: 李荣荣, 贺楚君, 彭博, 王传贵. 毛竹材不同部位纤维形态及部分物理性能差异[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
LI Rongrong, HE Chujun, PENG Bo, WANG Chuangui. Differences in fiber morphology and partial physical properties in different parts of Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
Citation: LI Rongrong, HE Chujun, PENG Bo, WANG Chuangui. Differences in fiber morphology and partial physical properties in different parts of Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(4): 854-860. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200649
  • 竹材作为天然可再生、绿色环保的生物质纤维材料,具有强度高、生长周期短等优势,被广泛应用于家具、建筑结构、工具用具等不同领域[1-9]。其中,毛竹Phyllostachys edulis由于种植面积广、成材速度快、蓄积量高、价格低廉等优点,是工程材料中利用较为普遍的竹种之一,可用于制造竹胶合板、竹木复合材料、竹集成材、室内装饰材等产品[10-15]。然而,由于竹材的特异性,竹黄、竹青和竹肉性能存在一定差异。在实际生产中一般需对原竹进行去青、去黄处理,造成毛竹材利用率低等问题。研究毛竹材各部分性能特性,对合理利用毛竹材具有一定应用价值。如竹篾-单板复合材料,是一种利用去青原竹,沿径向剖分制备竹篾,串联成竹帘与单板复合,制备而成的新型竹木复合材料。针对竹材构造的特殊性,采用适当改性与处理方法[16],充分合理利用竹青与竹黄,成为目前研究的重点,对于提高竹材利用率具有一定价值[17-18]。袁晶等[19]研究了维管束分布及结构对慈竹Neosinocalamus affins、花竹Bambusa albo-lineata及绿竹Dendrocalamopsis oldhami压缩性能的影响,发现竹材顺纹压缩性能与维管束分布密度呈正相关。维管束的分布密度是影响竹材压缩性能的结构因素之一。陈秋艳等[20]对绿竹不同部位物理化学特性的研究表明:竹材不同部位中纤维素含量从大到小依次为竹肉、竹青、竹黄;且竹肉的纤维素结晶度大于竹青和竹黄。竹青、竹黄表面结构较为致密,两者表面密度均大于竹肉的表面密度。竹材梯度结构对其力学性能也有一定影响,当竹黄受拉,竹青受压时,竹材的弯曲韧性最好;当竹黄受压,竹青受拉时,竹材弯曲模量最佳[21]。夏旭光等[22]对不同竹龄竹材的不同部位进行力学性能测试表明:竹材力学性能随竹龄增加呈增强趋势;竹材各单层顺纹抗压弹性模量呈非线性变化,竹青单层与竹黄单层模量相差较大,两者模量比值最大值达201%,比值最小值为173%。综上所述,竹材特殊结构与化学组成对各部位性能影响显著[23],直接影响了竹木复合材料制备工艺及性能。本研究拟通过纤维显微特征观察、物理力学性能以及干缩性能测试,分析、评价毛竹材不同部位性能差异,以期为毛竹材高效、合理利用提供基础数据。

    • 毛竹采伐于安徽省金寨县青山镇(31.43°N,115.90°E),竹龄为3~4年生。选取15株胸径接近、无霉变等的毛竹,截取原竹距地面1.5~3.5 m的竹筒制作试件。

    • 纤维形态的测试采用离析法进行。首先,将毛竹进行纵向剖分和横向截断,获得一定长度与宽度的竹片,再将竹黄、竹肉和竹青分开;然后,将各部分劈成小火柴棍状,分别放入不同试管中。试管中加入V(质量分数为30%过氧化氢)∶V(质量分数为95%冰醋酸)=1∶1的离析液[24],60 ℃水浴加热,直至试样边缘有纤维开始离析为止。最后,将试液倒出并将试样用清水洗涤至无气味,再往试管中加入适量清水摇匀纤维,用解剖针挑取纤维到玻璃载玻片上,用光学显微镜进行纤维形态特征参数测量[25]

      同时,将毛竹锯切成小块状,通过微波加热法对其软化后,用滑走式切片机将毛竹试块切片,利用光学显微镜观察纤维鞘区域、薄壁细胞区域。

    • 为研究竹材不同部位对其力学性能的贡献,将试件分为4类:A组试件为去除竹青的试件,尺寸为160 mm×10 mm×6 mm(纵向×弦向×径向);B组试件为去除竹黄的试件,尺寸为160 mm×10 mm×8 mm;C组试件为竹青和竹黄均去除的试件,尺寸为160 mm×10 mm×4 mm;D组试件为原竹片,尺寸为160 mm×10 mm×t mm (t为原竹分片后的自然厚度)。4组试件的抗弯强度和弹性模量测量采用3点弯曲方法进行,详细试验步骤依据GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质试验方法》[26]

      顺纹抗压强度测试试件也分为4组:A组试件为去除竹青的试件,尺寸为20 mm×20 mm×6 mm(纵向×弦向×径向);B组试件为去除竹黄的试件,尺寸为20 mm×20 mm×8 mm;C组试件为竹青和竹黄均去除的试件,尺寸为20 mm×20 mm×4 mm;D组试件为原竹片,尺寸为20 mm×20 mm×t mm(t为原竹分片后的自然厚度)。顺纹抗压强度测试依据GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质实验方法》[27]

    • 将毛竹加工成10 mm×10 mm×t mm(t为原竹分片后的自然厚度,纵向×弦向×径向)大小的试件(共计150个);然后,采用“逐级削减法”将毛竹试块进行剖分、打磨,制得尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的毛竹竹黄片、尺寸为10 mm×10 mm×4 mm的竹肉片和尺寸为10 mm×10 mm×4 mm的竹青片(每类试件各50个,划线标号);最后,按照GB/T 15780−1995《竹材物理力学性质试验方法》进行气干干缩率和全干干缩率测试。

    • 表1可知:毛竹竹肉的纤维长度及宽度均最大,分别为1.88 mm和15.15 μm。t检验结果表明:毛竹竹肉与竹黄、竹青的纤维长度和宽度差异极显著(P<0.01)。

      表 1  毛竹材各部位纤维平均尺寸

      Table 1.  Mean size of fiber in different parts of Ph. edulis

      部位长度/mm宽度/μm
      竹黄1.48±0.45 b14.01±2.75 b
      竹肉1.88±0.56 a15.15±3.53 a
      竹青1.43±0.53 b13.40±3.47 b
        说明:数值为平均值±标准差。不同字母表示部位间差异极     显著(P<0.01)

      毛竹不同部位的纤维长度分布频率见图1。竹黄、竹肉及竹青中,长度为1~2 mm的纤维占比最高,分别为72.0%、53.0%和63.5%。竹黄中,0~1、2~3 mm的纤维占比分别为15.3%、12.7%,未见3~4 mm长度的纤维。竹肉中,0~1、2~3以及3~4 mm的纤维占比分别为4.8%、40.0%和2.3%。竹青中,0~1、2~3以及3~4 mm的纤维占比分别为22.7%、12.5%和1.3%。竹肉的纤维长宽比大于竹青和竹黄,且竹青和竹黄的纤维长宽比较为接近。

      图  1  毛竹不同部位纤维长度分布频率和纤维长宽比

      Figure 1.  Fiber length distribution frequency and the ratio of fiber length to width in different parts of Ph. edulis

      纸浆造纸过程中,纤维长度和长宽比是衡量纤维性能的重要指标。一般而言,随着纤维长度变长,其纸浆性能越佳[28]。同时,毛竹材纤维长度、宽度以及长宽比等参数亦与毛竹材结构、力学性能等指标有密切关系[29-30]。因此,工业化利用中应充分考虑不同部位纤维尺寸,并合理利用。

      图2可知:竹青维管束占比最大,其次为竹肉和竹黄。就薄壁细胞而言,竹黄部位薄壁细胞占比较大,为69.45%,竹青中薄壁细胞含量最小。竹黄中,维管束的面积较大,其均值为2.41×105 μm2,竹肉部位维管束平均面积为1.96×105 μm2,竹青部位的维管束平均面积为1.72×105 μm2。同时,竹黄部位维管束分布也更为稀疏[31]。由于维管束和薄壁细胞占比不同,以及维管束形态与尺寸差异,竹青、竹黄以及竹肉的力学性能差异极显著(P<0.01)[20, 32]

      图  2  不同部位毛竹的维管束与薄壁细胞面积比例及单个维管束的面积

      Figure 2.  Area ratio of vascular bundle and parenchyma tissue in different parts of Ph. edulis and the area of single vascular bundle

    • 表2可见:毛竹不同试件的抗弯强度从小到大依次为C、A、D、B。原竹片(D)的抗弯强度为109.13 MPa,去青试件(A)抗弯强度骤减至57.77 MPa,去青去黄试件(C)的抗弯强度为48.19 MPa,而去黄试件(B)抗弯强度为115.28 MPa,较原竹片抗弯强度提高了5.5%。弹性模量呈现同样的变化趋势。由此可知,竹青对竹材的抗弯强度贡献最大,其次为竹肉和竹黄。竹材的梯度结构表现为维管束占比从竹黄到竹青呈上升趋势,薄壁细胞占比呈下降趋势[32]。因此,竹青在弯曲过程中,由于受拉侧(竹青)纤维较多,弯曲应变较大,弯曲模量表现较低值,对于弯曲强度贡献较大。竹黄由于薄壁细胞较多,弯曲过程中弯曲应变较小,弯曲弹性模量表现出较大值[20, 33-34]

      表 2  毛竹不同试件的抗弯强度和弹性模量

      Table 2.  Bending strength and elastic modulus of different Ph. edulis samples

      试件抗弯强度弹性模量
      平均值/MPa标准差/MPa变异系数/%平均值/GPa标准差/GPa变异系数/%
      A57.778.1914.23.260.5316.20
      B115.2811.109.68.390.839.80
      C48.197.4015.52.260.7432.80
      D109.1311.3610.47.910.9512.00
    • 表3可见:原竹片(D)顺纹抗压强度为59.54 MPa,去黄试件(B)顺纹抗压强度为59.36 MPa。去黄后,试件的顺纹抗压强度差异不明显,然而,去青试件(A)顺纹抗压强度明显下降,下降至38.35 MPa。因此,竹青对于毛竹的顺纹抗压强度具有较大贡献。去青试件顺纹抗压强度比去青去黄试件(C)略大,说明竹黄顺纹抗压强度较竹肉稍大。因此,竹制抗压构件设计制造过程中,合理利用竹黄对提高竹材利用率具有一定意义。

      表 3  不同毛竹试件顺纹抗压强度

      Table 3.  Compressive strength of different Ph. edulis samples

      试件平均厚度/mm顺纹抗压强度
      均值/MPa标准差/MPa变异系数/%
      A5.2138.354.0510.56
      B7.0859.365.65 9.51
      C4.2135.112.15 6.12
      D8.5659.546.3610.68
    • 毛竹的干缩性对其加工利用具有重要影响,亦是衡量竹材产品性能及其稳定性的重要指标[35]。由于竹材中无横向组织,且径向和弦向干缩差异较大,竹材在加工利用时极易出现开裂或翘曲等问题[36]

      表4表5可知:从全湿状态至气干状态的过程中(即气干干缩率),竹黄的径向干缩率最大,为4.14%。3个方向的气干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向;竹青变化规律亦如此。然而,竹肉和毛竹材3个方向的气干干缩率从大到小依次为弦向、径向、纵向。竹青、竹黄、竹肉以及毛竹的全干干缩率从大到小依次为径向、弦向、纵向,与前人研究结果一致[37]。无论气干干缩率还是全干干缩率,竹黄径向与弦向干缩率差值均最大,易产生翘曲变形等问题。因此,在后续加工利用中,合理配置竹黄结构对提高其结构稳定性至关重要。

      表 4  毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹气干干缩率测试结果

      Table 4.  Results of air-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

      部位气干干缩率/%
      平均值标准差变异系数
      弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积
      竹黄1.554.140.447.470.200.230.011.0210.348.2611.0117.25
      竹肉2.892.770.437.940.320.190.020.939.879.1110.2810.72
      竹青3.834.050.4210.100.410.430.010.9812.2414.6710.118.29
      毛竹3.152.110.436.370.430.180.030.7810.2615.2413.569.43

      表 5  毛竹竹黄、竹肉、竹青与毛竹全干干缩率测试结果

      Table 5.  Results of total-dry shrinkage rate for different Ph. edulis samples

      部位全干干缩率/%
      平均值标准差变异系数
      弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积弦向径向纵向体积
      竹黄2.586.601.038.760.280.460.031.2114.2710.6613.2812.21
      竹肉4.996.810.848.800.360.640.010.9513.7210.929.9213.46
      竹青7.577.980.6313.700.990.550.041.5311.9813.298.9112.18
      毛竹5.255.760.8111.390.630.590.030.959.8914.3112.2113.62
    • 毛竹不同部位的纤维形态及部分物理性能存在一定差异。毛竹竹黄、竹肉与竹青的纤维长度和宽度差异显著,且不同长度的纤维占比和纤维长宽比亦存在着差异。毛竹材利用过程中需要根据应用领域的不同,合理选择相应部位,以进一步提高利用效率。竹青对竹材抗弯强度与抗弯弹性模量贡献最大。气干干缩率和全干干缩率在竹材不同部位、不同方向上均存在一定差异。未来可开展不同剖篾状态下,竹黄、竹青含量对竹质、木竹复合工程材料力学性能、尺寸稳定性等性能影响规律的研究,对提高竹材利用率具有一定意义。

参考文献 (37)

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