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竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响

闫实 杨正勇 周晓剑 陈新义 杨杰芳 贺磊 黄慧

闫实, 杨正勇, 周晓剑, 陈新义, 杨杰芳, 贺磊, 黄慧. 竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
引用本文: 闫实, 杨正勇, 周晓剑, 陈新义, 杨杰芳, 贺磊, 黄慧. 竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
YAN Shi, YANG Zhengyong, ZHOU Xiaojian, CHEN Xinyi, YANG Jiefang, HE Lei, HUANG Hui. Effects of bamboo age and longitudinal position on wood and fiber properties of Bambusa blumeana[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
Citation: YAN Shi, YANG Zhengyong, ZHOU Xiaojian, CHEN Xinyi, YANG Jiefang, HE Lei, HUANG Hui. Effects of bamboo age and longitudinal position on wood and fiber properties of Bambusa blumeana[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586

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竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
基金项目: 江西省科技合作专项国际合作重点项目(20203BDH80W009);江西省重点研发计划“揭榜挂帅”(20223BBH80004);江西省林业科技创新项目(创新专项〔2020〕02号);江西省林业科学院重点研发项目(2019511501);云南省专家工作站(202305AF150006);高等学校学科创新引智计划(D21027)
详细信息
    作者简介: 闫实(ORCID: 0009-0007-8117-2611),从事竹材开发与利用研究。E-mail: 15650069598@163.com
    通信作者: 黄慧(ORCID: 0000-0002-7206-3436),研究员,博士,从事竹质材料研究。E-mail: 75281329@qq.com
  • 中图分类号: S781

Effects of bamboo age and longitudinal position on wood and fiber properties of Bambusa blumeana

  • 摘要:   目的  研究竹龄及竹秆纵向部位对簕竹Bambusa blumeana材性及纤维性能的影响,为簕竹的开发利用提供理论和实践依据。  方法  通过范式洗涤法、纤维离析与显微观察、碱煮法对竹龄(1、2、3、4 a)和竹秆纵向部位(基部、中部、梢部)的簕竹密度、纤维形态、化学组分、力学性能、纤维束拉伸性能进行性能分析。  结果  随竹龄的增长,簕竹的气干密度、全干密度、木质素质量分数、拉伸强度、顺纹抗剪强度随之增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄为2、3、4 a的簕竹,其竹秆不同纵向部位的平均长度差异极显著(P<0.01)。簕竹的纤维形态受竹秆纵向部位的影响较为明显。簕竹竹秆纵向部位基部至梢部,气干密度、全干密度、木质素质量分数、抗弯强度、顺纹抗剪强度及纤维束拉伸强度和模量均增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄和竹秆纵向部位对半纤维质量分数、苯醇抽提物质量分数的影响不显著。  结论  簕竹纤维性能优良,在纤维化开发利用方面具有较大潜力。簕竹不同竹龄及竹秆纵向部位性能差异显著,其中竹龄为3和4 a的簕材可作为加工开发的优先选取材料。图5表3参40
  • 图  1  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的气干密度和全干密度

    Figure  1  Air-dry density and total dry densityof longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    图  2  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的力学性能

    Figure  2  Mechanical properties of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    图  3  不同竹龄下簕竹纤维束的拉伸强度

    Figure  3  Tensile strength of fiber bundles of B. blumeana under different bamboo ages

    图  4  不同竹龄下簕竹纤维束的拉伸模量

    Figure  4  Tensile modulus of fiber bundles of B. blumeana under different bamboo ages

    图  5  竹秆不同纵向部位下簕竹纤维束的拉伸性能

    Figure  5  Tensile properties of fiber bundles of B. blumeana under different longitudinal parts

    表  1  不同竹龄簕竹胸径、节高及壁厚

    Table  1.   Diameter at breast height, node height and wall thickness of B. blumeana of different ages

    竹龄/a胸径/cm节高/cm壁厚/mm
    140.2~70.823.6~45.64.6~10.0
    233.9~52.220.4~36.53.5~7.9
    336.3~63.733.3~41.54.8~9.9
    445.2~70.630.9~43.84.5~12.7
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    表  2  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的化学组分

    Table  2.   Chemical fractions of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    竹龄/a纵向部位纤维素质
    量分数/%
    半纤维素质
    量分数/%
    木质素质
    量分数/%
    苯醇抽提物
    质量分数/%
    竹龄/a纵向部位纤维素质
    量分数/%
    半纤维素质
    量分数/%
    木质素质
    量分数/%
    苯醇抽提物
    质量分数/%
    1基部49.0±0.913.9±0.224.8±0.62.1±0.23基部40.8±1.314.6±0.329.4±0.92.6±0.8
    中部44.4±0.413.2±2.328.2±2.12.0±0.3中部38.3±1.014.2±1.432.2±2.02.7±0.0
    梢部44.2±1.614.1±0.427.4±1.63.3±0.6梢部36.2±2.415.8±1.231.4±2.82.6±0.3
    2基部48.6±1.412.2±0.626.6±1.72.0±0.14基部41.3±0.614.3±0.429.6±0.43.4±0.5
    中部42.2±0.913.2±0.329.8±0.52.9±0.4中部38.8±1.614.8±0.332.0±1.72.8±0.1
    梢部39.0±1.114.2±1.432.4±1.12.7±0.1梢部34.1±1.817.2±0.531.6±0.82.6±0.1
      说明:数值为平均值±标准差。
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    表  3  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的纤维形态

    Table  3.   Fiber morphology of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    竹龄/a纵向部位纤维长度/mm纤维宽度/μm平均纤维长度/mm平均纤维宽度/μm纤维长宽比
    1基部0.42~5.406.50~31.901.90±0.91 a14.14±5.37 a134
    中部0.46~5.117.57~26.632.10±1.13 a13.85±4.49 a152
    梢部0.59~3.606.66~27.812.02±0.80 a15.00±4.47 a135
    2基部0.58~5.008.65~30.892.39±1.13 a17.45±5.41 ab137
    中部0.68~4.677.59~29.272.43±0.77 a16.57±6.19 b147
    梢部0.49~5.467.89~35.742.40±1.07 a19.48±8.39 a123
    3基部0.60~4.6310.15~28.792.20±0.93 a15.80±4.47 a139
    中部0.68~4.508.56~33.832.32±0.85 a19.90±6.15 a117
    梢部0.71~5.069.19~30.412.29±1.02 a17.02±5.33 b134
    4基部0.54~5.9913.16~38.312.74±1.35 a23.39±7.21 a117
    中部0.77~5.9611.78~33.873.18±1.20 b19.58±5.20 b162
    梢部0.62~5.307.29~25.532.56±1.10 b13.64±3.89 c188
      说明:平均纤维长度和宽度为平均值±标准差。不同字母表示相同竹龄不同部位间差异极显著(P<0.01)。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-06
  • 修回日期:  2024-03-26
  • 录用日期:  2024-04-01

竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
    基金项目:  江西省科技合作专项国际合作重点项目(20203BDH80W009);江西省重点研发计划“揭榜挂帅”(20223BBH80004);江西省林业科技创新项目(创新专项〔2020〕02号);江西省林业科学院重点研发项目(2019511501);云南省专家工作站(202305AF150006);高等学校学科创新引智计划(D21027)
    作者简介:

    闫实(ORCID: 0009-0007-8117-2611),从事竹材开发与利用研究。E-mail: 15650069598@163.com

    通信作者: 黄慧(ORCID: 0000-0002-7206-3436),研究员,博士,从事竹质材料研究。E-mail: 75281329@qq.com
  • 中图分类号: S781

摘要:   目的  研究竹龄及竹秆纵向部位对簕竹Bambusa blumeana材性及纤维性能的影响,为簕竹的开发利用提供理论和实践依据。  方法  通过范式洗涤法、纤维离析与显微观察、碱煮法对竹龄(1、2、3、4 a)和竹秆纵向部位(基部、中部、梢部)的簕竹密度、纤维形态、化学组分、力学性能、纤维束拉伸性能进行性能分析。  结果  随竹龄的增长,簕竹的气干密度、全干密度、木质素质量分数、拉伸强度、顺纹抗剪强度随之增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄为2、3、4 a的簕竹,其竹秆不同纵向部位的平均长度差异极显著(P<0.01)。簕竹的纤维形态受竹秆纵向部位的影响较为明显。簕竹竹秆纵向部位基部至梢部,气干密度、全干密度、木质素质量分数、抗弯强度、顺纹抗剪强度及纤维束拉伸强度和模量均增大,纤维素质量分数逐渐降低。竹龄和竹秆纵向部位对半纤维质量分数、苯醇抽提物质量分数的影响不显著。  结论  簕竹纤维性能优良,在纤维化开发利用方面具有较大潜力。簕竹不同竹龄及竹秆纵向部位性能差异显著,其中竹龄为3和4 a的簕材可作为加工开发的优先选取材料。图5表3参40

English Abstract

闫实, 杨正勇, 周晓剑, 陈新义, 杨杰芳, 贺磊, 黄慧. 竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
引用本文: 闫实, 杨正勇, 周晓剑, 陈新义, 杨杰芳, 贺磊, 黄慧. 竹龄和竹秆纵向部位对簕竹材性及纤维性能的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
YAN Shi, YANG Zhengyong, ZHOU Xiaojian, CHEN Xinyi, YANG Jiefang, HE Lei, HUANG Hui. Effects of bamboo age and longitudinal position on wood and fiber properties of Bambusa blumeana[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
Citation: YAN Shi, YANG Zhengyong, ZHOU Xiaojian, CHEN Xinyi, YANG Jiefang, HE Lei, HUANG Hui. Effects of bamboo age and longitudinal position on wood and fiber properties of Bambusa blumeana[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230586
  • 竹材绿色、低碳、速生、可再生、可降解,是优良的生物质材料,竹材砍伐后加工成竹制品可起到碳转移、缓冲碳排放等作用。在全球可持续发展背景下,竹材的开发利用受到广泛关注,可替代木材、塑料、钢材、人造纤维等[12]。中国竹林面积较大,但在竹类划分中,仅分为毛竹Phyllostachys edulis和杂竹。这种划分不能满足竹产品对竹资源以及竹种差异性的需求[3],且很多国家的竹资源开发仅限于简单利用或初级加工利用,大量竹资源尤其是丛生竹资源的应用价值未得到充分挖掘[4]

    簕竹Bambusa blumeana也称箣竹,隶属禾本科Poaceae竹亚科Bambusoideae簕竹属Bambusa,地下茎合轴丛生,茎秆下部枝条繁茂多刺,原产于印度尼西亚和马来西亚东部,在菲律宾、泰国、越南均有栽培,中国福建、台湾、广西、云南、海南等省也有栽培[56]。簕竹秆型高大、秆径中等、节间较长,属秆型优良的大型高产丛生竹种,具有较高的经济利用价值[7],目前已被应用于家具、观赏园艺、手工艺品制作、住房建设等,但精深加工利用较少[89]。竹材理化性能、力学性质等材性数据是竹材开发利用的基础,决定了竹材的应用范畴。王鹏程等[10]对梁山慈竹Dendrocalamus farinosus不同径向位置的纤维形态研究发现:竹龄为3 a的梁山慈竹纤维形态较优。姚开泰等[11]对不同竹龄和纵向部位的青皮竹B. textilis物理力学性能研究发现:随竹龄增大,青皮竹的密度逐渐增大,竹龄为4 a的青皮竹全干密度和纤维束拉伸强度最高,随着竹秆纵向部位升高,纤维趋于细短,纤维束拉伸性能下降。朱宗伟等[12]研究表明:对于麻竹D. latiflorus的综纤维素,冷水、热水和质量分数为1%的氢氧化钠(NaOH)抽出物质量分数随竹龄的增长逐渐减小;苯醇抽提物质量分数随竹龄的增长变化不大。牛思杰等[13]研究发现:竹龄可作为筛选原材料的优先指标。综上所述,竹龄和部位对竹材理化性质有较大影响。鉴于此,本研究探究竹龄及纵向部位对簕竹竹材气干密度、全干密度、纤维形态、化学组分、抗弯性能、顺纹抗剪强度、纤维束拉伸性能的影响及变化规律,以期为簕竹的工业化利用提供理论依据。

    • 簕竹采自云南省临沧市沧源瓦族自治县(23°21′N,99°27′E)。在同一片竹林中,分散选取有代表性、无明显缺陷、竹龄为1、2、3、4 a的簕竹,各竹龄采集8~10株。簕竹的胸径、节高以及壁厚如表1所示。截取离地面高度分别在1~3 m (基部)、3~5 m (中部)、5~7 m (梢部)的竹段样本进行后续研究。

      表 1  不同竹龄簕竹胸径、节高及壁厚

      Table 1.  Diameter at breast height, node height and wall thickness of B. blumeana of different ages

      竹龄/a胸径/cm节高/cm壁厚/mm
      140.2~70.823.6~45.64.6~10.0
      233.9~52.220.4~36.53.5~7.9
      336.3~63.733.3~41.54.8~9.9
      445.2~70.630.9~43.84.5~12.7
    • 参照严彦等[14]的方法,从不同竹龄、不同纵向部位的簕竹竹筒上截取试样。测试气干密度和全干密度。

    • 随机选取不同竹龄、不同纵向部位的簕竹试样,去青并粉碎,过40~60目筛。采用范氏洗涤法测定纤维素、半纤维素和木质素质量分数。参照周鑫等[15]的方法,测定苯醇抽提物质量分数。每组样品测定3个重复,取平均值。

    • 将竹条劈成火柴棒大小,浸泡在质量分数为95%的冰乙酸与质量分数为30%的过氧化氢的体积比为1∶1的混合液中,于80 ℃水浴中处理10 h,至试样变白。使用去离子水洗涤试样至中性,将纤维充分打散。在OlmpusBX 51光学显微镜下测定纤维长度和纤维宽度。纤维长度每组测定100根,纤维宽度每组测定50根。

    • 调节竹材含水率为12%。抗弯性能、顺纹抗剪强度参考严彦等[14]的方法进行加工测定。

    • 将竹片放入到质量分数为5%的NaOH溶液中,60 ℃水浴加热20 h,经温水冲洗数遍至中性,含水率控制在30%~60%,之后用平板硫化压机平压和双锟混炼挤压将竹片松散疏解,使用梳子进一步分丝,获得簕竹纤维束。将纤维束用纤维切断器切断至80 mm长,抽取30根无明显缺陷的纤维束进行测试。为防止测试时纤维束发生滑移,对试样进行一定的处理[16]。参照黄慧等[17]的方法测定纤维束拉伸性能,加载速率为2 mm·min−1,夹持长度为80 mm,标距为60 mm,测定前在光学显微镜下测量纤维束直径。

    • 采用SPSS 27对纤维形态进行单因素方差分析(one-way ANOVA),显著性水平为0.01,采用Origin 2022绘图,采用gauss函数对纤维束拉伸强度进行拟合。

    • 密度是评估竹材品质和质量的基本指标之一,与竹材力学性能、硬度等密切相关[18]。一般而言,密度越高,则竹材纤维结构更坚硬和紧密,机械性能越好[19]。如图1所示:不同竹龄和竹秆纵向部位的簕竹气干密度、全干密度最大值可达0.723、0.739 g·cm−3,平均气干密度为0.587 g·cm−3,平均全干密度为0.669 g·cm−3,低于毛竹的全干密度(0.700 g·cm−3)和气干密度(0.759 g·cm−3)[2021]。簕竹的气干密度随着竹龄的增长而呈增大趋势,其中竹龄为1 a的簕竹平均气干密度为0.566 g·cm−3,而竹龄为4 a的簕竹平均气干密度可达0.615 g·cm−3,簕竹的全干密度随竹龄的增长也呈增大趋势。这种变化主要是由于竹材生长的过程中,其细胞壁和内部组成物质在生长过程中不断生成和累积,纤维壁厚也随着竹龄显著增长,导致气干密度及全干密度增加[22],这与毛竹、麻竹的变化趋势一致[2324]。另外,簕竹竹材的气干密度、全干密度随着竹秆纵向部位的增加呈逐步增加的趋势,基部至梢部气干密度从0.554 g·cm−3增加到0.619 g·cm−3,全干密度从0.590 g·cm−3增加到0.723 g·cm−3。这种变化可能是随着竹秆高度的增加,单位横截面积内维管束分布数量不断增多,维管束分布密度逐渐增大,从而使竹秆梢部密度更高[25]

      图  1  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的气干密度和全干密度

      Figure 1.  Air-dry density and total dry densityof longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    • 竹材化学组成的不同可能会引起竹材结构和性能间的差异[26]。如表2所示:簕竹纤维素平均质量分数为41.4%,与慈竹相当[27];半纤维素质量分数为12.2%~17.2%,木质素质量分数为26.6%~32.4%,均值为29.6%,高于慈竹(24.0%)、毛竹(22.4%)。因此,在竹浆造纸方面,可选择竹龄为1和2 a的簕竹。苯醇抽提物平均质量分数为2.6%,低于毛竹(3.6%)[28]。苯醇抽提物是以苯、乙醇混合物进行抽提,可从原料中溶解树脂、脂肪、蜡、色素及可溶性单宁等。簕竹的苯醇抽提物低,表明簕竹的耐虫、抗菌等性能可能优于毛竹和慈竹[29]。随竹龄增加,纤维素质量分数先降低后略微增大,竹龄为1 a的簕竹纤维素质量分数最高,均值达45.3%,竹龄为3 a的簕竹纤维素质量分数最低。半纤维素质量分数随竹龄的增加先减少后增大,但总体变化较小。木质素质量分数随竹龄的增加逐渐增大,这是由于随竹龄增大,竹材木质化加剧所致[30]。苯醇抽提物质量分数随竹龄增大而增加。从基部至稍部,纤维素质量分数逐渐降低,半纤维素质量分数差异不大,木质素质量分数逐渐增大,苯醇抽提物质量分数无明显变化规律。簕竹化学组分随竹秆位置的变化趋势与毛竹相似[31]

      表 2  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的化学组分

      Table 2.  Chemical fractions of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

      竹龄/a纵向部位纤维素质
      量分数/%
      半纤维素质
      量分数/%
      木质素质
      量分数/%
      苯醇抽提物
      质量分数/%
      竹龄/a纵向部位纤维素质
      量分数/%
      半纤维素质
      量分数/%
      木质素质
      量分数/%
      苯醇抽提物
      质量分数/%
      1基部49.0±0.913.9±0.224.8±0.62.1±0.23基部40.8±1.314.6±0.329.4±0.92.6±0.8
      中部44.4±0.413.2±2.328.2±2.12.0±0.3中部38.3±1.014.2±1.432.2±2.02.7±0.0
      梢部44.2±1.614.1±0.427.4±1.63.3±0.6梢部36.2±2.415.8±1.231.4±2.82.6±0.3
      2基部48.6±1.412.2±0.626.6±1.72.0±0.14基部41.3±0.614.3±0.429.6±0.43.4±0.5
      中部42.2±0.913.2±0.329.8±0.52.9±0.4中部38.8±1.614.8±0.332.0±1.72.8±0.1
      梢部39.0±1.114.2±1.432.4±1.12.7±0.1梢部34.1±1.817.2±0.531.6±0.82.6±0.1
        说明:数值为平均值±标准差。
    • 表3可知:簕竹纤维长度为0.42~5.99 mm,纤维宽度为6.50~38.87 μm。整体纤维形态特征与同属的油簕竹B. lapidea较为接近,属细长、柔性型纤维,是制浆造纸的上等原料,在纤维化利用方面极具开发潜力[32]。不同竹龄之间簕竹纤维长度和宽度有一定差异,竹龄为1 a的簕竹相对较小,竹龄为2和3 a的簕竹趋于稳定,竹龄为 4 a时,簕竹纤维长度和宽度最大,竹龄为1 a的簕竹平均纤维长度为2.01 mm,竹龄为4 a的簕竹平均纤维长度为2.83 mm。簕竹纤维长度纵向变化从大到小依次为中部、梢部、基部,纤维宽度基部到梢部呈逐渐减小的趋势,长宽比梢部最大。显著性分析表明:竹龄为1、2、3 a的簕竹纵向部位的平均纤维宽度差异不显著。竹龄为4 a的簕竹不同纵向部位的平均纤维长度差异极显著(P<0.01),竹龄为1 a的差异不显著。牛思节等[13]研究发现纤维形态受竹龄影响最大,纤维长度随竹龄增大,但在轴向高度上纤维长度未见明显差异。蔡燚等[33]研究认为:毛竹的纤维长宽比在轴向高度上呈先减小后增加再减小的趋势,并在5.5 m处达最大值。姚开泰等[11]研究表明:青皮竹不同竹龄间纤维长度和宽度差异较小,但竹龄为3 a的纤维形态差异明显,青皮竹纤维长度和宽度随竹秆部位高度增加而减小。可见,关于竹龄和纵向部位对竹材纤维形态的影响没有统一变化趋势,本研究簕竹纤维形态变化趋势也与其他研究有所差异。

      表 3  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的纤维形态

      Table 3.  Fiber morphology of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

      竹龄/a纵向部位纤维长度/mm纤维宽度/μm平均纤维长度/mm平均纤维宽度/μm纤维长宽比
      1基部0.42~5.406.50~31.901.90±0.91 a14.14±5.37 a134
      中部0.46~5.117.57~26.632.10±1.13 a13.85±4.49 a152
      梢部0.59~3.606.66~27.812.02±0.80 a15.00±4.47 a135
      2基部0.58~5.008.65~30.892.39±1.13 a17.45±5.41 ab137
      中部0.68~4.677.59~29.272.43±0.77 a16.57±6.19 b147
      梢部0.49~5.467.89~35.742.40±1.07 a19.48±8.39 a123
      3基部0.60~4.6310.15~28.792.20±0.93 a15.80±4.47 a139
      中部0.68~4.508.56~33.832.32±0.85 a19.90±6.15 a117
      梢部0.71~5.069.19~30.412.29±1.02 a17.02±5.33 b134
      4基部0.54~5.9913.16~38.312.74±1.35 a23.39±7.21 a117
      中部0.77~5.9611.78~33.873.18±1.20 b19.58±5.20 b162
      梢部0.62~5.307.29~25.532.56±1.10 b13.64±3.89 c188
        说明:平均纤维长度和宽度为平均值±标准差。不同字母表示相同竹龄不同部位间差异极显著(P<0.01)。
    • 图2所示:簕竹的平均抗弯强度为110.7 MPa,与广泛应用的毛竹(109.1 MPa)相近,平均抗弯模量为11.53 GPa,较毛竹(7.91 GPa)高45.8%,表明簕竹比毛竹具有更好的韧性[34]。平均顺纹抗剪强度为9.9 MPa,较毛竹(16.6 MPa)低46.8%。簕竹抗弯强度随着竹龄的增加呈增大趋势,竹龄为4 a的簕竹抗弯强度可达135.9 MPa,抗弯模量高达14.24 GPa,这与毛竹等的变化规律相似[35]。此外,簕竹抗弯强度和抗弯模量随着竹秆高度的增高呈上升趋势,梢部抗弯强度均值为123.6 MPa,抗弯模量均值为13.46 GPa。簕竹顺纹抗剪强度随竹龄的增加同样呈增大趋势,最大顺纹抗剪强度可达12.6 MPa;随着竹秆高度的增加呈现上升趋势,梢部顺纹抗剪强度均值为11.6 MPa。竹秆从基部至梢部,维管束横截面积逐渐减小,维管束密度增加,导管直径变窄,自由水含率随之减少,这些变化会导致竹材密度的增加,从而使竹材的力学性能得到相应的提高[3637]。簕竹不同竹龄和竹秆纵向部位力学性能的变化与竹材密度、含水率、不同类型细胞的径向分布以及细胞壁厚度和化学组分的变化有关[38]

      图  2  不同竹龄下簕竹竹秆纵向部位的力学性能

      Figure 2.  Mechanical properties of longitudinal part of B. blumeana under different bamboo ages

    • 图3图4可知:簕竹纤维束直径主要分布在0.1~0.4 mm,纤维束拉伸强度主要分布在100.0~600.0 MPa,平均拉伸强度为250.1 MPa,拉伸模量主要分布在10.00~60.00 GPa,平均拉伸模量为23.14 GPa。通过肉眼和手感观察,簕竹纤维束相较毛竹纤维束更细、柔韧性更好。纤维束拉伸强度与竹材本身性能、制备工艺、测试方法等有关[39]。纤维束直径对纤维束拉伸性能有着明显的影响,较小的直径有着较大的力学强度。随着竹龄的增加,簕竹纤维束拉伸强度以及模量都呈增大趋势,竹龄为1 a的簕竹纤维束平均拉伸强度和拉伸模量分别达191.7 MPa和21.73 GPa,而竹龄为3 a的簕竹分别为325.4 MPa和25.23 GPa。与竹龄1 a的簕竹相比,竹龄3 a的纤维束直径分布更为均匀,说明竹龄3 a的簕竹力学性能范围分布较广。簕竹纤维束最大拉伸强度及模量可分别达1089.4 MPa和80.65 GPa。随着竹龄的增加,纤维细胞壁变厚,纤维长度变长,这都会对纤维束拉伸强度造成正面影响[40]。由图5可知:与基部相比,竹秆中部和梢部的纤维束直径分布更为集中,说明中部和梢部的拉伸性能比基部更稳定。拉伸强度及拉伸模量随竹秆高度增加而逐渐增大,基部变化趋势与纤维长度和宽度基本一致,其拉伸性能可能受到纤维形态的影响。

      图  3  不同竹龄下簕竹纤维束的拉伸强度

      Figure 3.  Tensile strength of fiber bundles of B. blumeana under different bamboo ages

      图  4  不同竹龄下簕竹纤维束的拉伸模量

      Figure 4.  Tensile modulus of fiber bundles of B. blumeana under different bamboo ages

      图  5  竹秆不同纵向部位下簕竹纤维束的拉伸性能

      Figure 5.  Tensile properties of fiber bundles of B. blumeana under different longitudinal parts

    • 竹龄以及纵向部对簕竹气干密度、全干密度、竹材力学性能、竹纤维束拉伸性能有较明显影响。竹龄和纵向部位对半纤维素、长宽比影响不明显。竹龄为1和2 a的簕竹是竹浆造纸的优良选择,竹龄为3和4 a的簕竹竹材的中上部位是竹集成材、竹重组材的优先选择。簕竹纤维束有增强热塑性和热固性树脂的潜质,对于复合材料的性能有一定增强作用。

参考文献 (40)

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