彭 博 王傳貴 張雙燕

(安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院 合肥 230036)

我國改革開放以來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量砍伐林木，造成了森林資源嚴重緊缺。第八次森林資源清查結(jié)果顯示，雖然森林覆蓋率在逐年增長、質(zhì)量穩(wěn)步提升，但仍舊不能改變我國森林覆蓋率遠遠低于全球31%的水平，人均森林面積也只是世界人均水平1/4的森林資源緊缺現(xiàn)狀[1]。與生長較為緩慢的木材相比，竹材具有生長快、生長周期短等特性，高效利用竹材可以緩解我國木材短缺的問題，起到保護森林資源的作用[2]。

四川地處于亞熱帶，降水豐富，空氣濕度較大，非常利于森林資源的生長。同時四川也是世界竹類植物的起源地帶和現(xiàn)代分布中心之一，竹類資源極其豐富[3]。隨著近年來竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，竹資源利用較為單一，主要依賴毛竹，且現(xiàn)階段毛竹價格居高不下，合理開發(fā)諸如慈竹、綿竹這樣產(chǎn)量高的優(yōu)勢竹材，對于減輕毛竹資源利用負擔極具研究意義。本研究以四川產(chǎn)的慈竹和綿竹為材料，測定分析了2個竹種的理化性質(zhì)和纖維形態(tài)，以期了解其最佳利用方式，為有效開發(fā)利用四川竹種資源提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料準備

試驗樣品于2017年6月采自四川省瀘州市敘永縣的慈竹林和綿竹林，采集試樣的基本情況見表1。截取試樣，取竹稈中段部位運回實驗室，氣干至含水率12%～15%，然后將試材劈成小薄片，再經(jīng)粉碎機研磨成過篩留40目而不能通過60目的竹粉，放置并貯存于密封袋中，供測試分析使用。

表1 采集試樣的基本情況

1.2 化學成分測定

按照國家標準 《造紙原料灰分含量測定》(GB/T742-2008)、《造紙原料有機溶劑抽出物含量測定》(GB/T2677-1994)、 《造紙原料酸不溶木質(zhì)素含量測定》 (GB/T2677.8-1994)、 《造紙原料綜纖維素含量測定》(GB/T2677.10-1994)，分別測定2個竹種的竹材化學成分，測定指標包括灰分、苯醇抽提物、酸不溶木質(zhì)素、綜纖維素和纖維素，其中纖維素采用硝酸-乙醇法測得。

1.3 物理力學性能測定

將試樣根據(jù)國家標準 《竹材物理力學性質(zhì)試驗方法》 (GB/T15780-1995)，鋸制成標準試樣后，測定試樣竹材的基本密度、氣干密度和全干密度，并在力學試驗機上測定竹材的順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。

1.4 纖維形態(tài)測定

分別將慈竹和綿竹試樣劈成火柴棍大小，取適量放入試管中，加入30%過氧化氫溶液和冰醋酸按1∶1配制的溶液中，淹沒試樣，放入70～80℃的恒溫水浴鍋中，直至試樣變白為止，約需6 h。離析后在40倍顯微鏡下測定纖維長度和寬度[4]，并計算長寬比。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材的化學成分

植物纖維原料中的化學成分組成表征了其在制漿造紙過程中利用的可行性。慈竹和綿竹化學成分的測定分析結(jié)果見表2，各項指標分析如下。

表2 慈竹和綿竹的化學成分含量 /%

2.1.1 抽提物

原料中抽提物質(zhì)的存在會增加制漿造紙時蒸煮藥品的藥量，延緩蒸煮時間和進程，甚至會在生產(chǎn)過程中造成不必要的麻煩。本試驗以苯醇為有機溶劑進行抽提，可以從原料中溶解樹脂、脂肪、蠟、色素及可溶性單寧等，苯醇的抽提物含量較其他有機溶劑的抽提物含量稍高。測定結(jié)果顯示，慈竹的抽提物含量高于綿竹，但均小于毛竹的抽提物含量(一般在4.31%～6.48%)[5]，而介于針葉材和闊葉材的抽提物含量之間，一般針葉材為1%，闊葉材為4%[6]。通常，3～4年生的竹材其薄壁細胞數(shù)量多于木材，其內(nèi)含物質(zhì)也較多，因此在竹材利用過程中要更加注重竹材的防腐、抗菌和抗蟲害等問題[7-8]。

2.1.2 綜纖維素和纖維素

植物的綜纖維素 (碳水化合物)含量是衡量其作為制漿造紙或水解工業(yè)原料的重要經(jīng)濟指標，含量越高，其可能達到的得率也就越高[4]，若一種植物原料的纖維素含量越大，它的制漿得率也就越大。測定結(jié)果顯示，綿竹和慈竹的綜纖維素含量略高于張齊生等[5]測定的3年生毛竹綜纖維素含量(71.17%)。就纖維素含量而言，綿竹高于慈竹，而此2個竹種又遠高于3年生的毛竹[9]。由此可見，在纖維制造方面綿竹和慈竹均優(yōu)于毛竹。

2.1.3 酸不溶木質(zhì)素和灰分

木質(zhì)素含量亦是衡量植物制漿造紙的重要因素，木素含量越低在成漿過程中耗藥量就越少，而且易于成漿。一定量的木素存在可以加固木質(zhì)化植物的強度，適當減少病蟲害的侵害[10]。慈竹和綿竹的木質(zhì)素含量均在24%左右，與3年生毛竹的木素含量(26.56%)[5]接近。

灰分的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅的存在會增加植物原料制漿造紙的困難程度，灰分含量越大，過程中消耗藥品就越多。慈竹和綿竹的平均灰分含量在1.53%左右，是闊葉材的5.5倍、針葉材的3.5倍[6]、毛竹的2倍[5]。

2.2 竹材的物理力學性能

2個竹種的竹材密度及各項力學指標的測定結(jié)果見表3，并與毛竹的各項力學指標[11]做了對比，分析如下。

2.2.1 竹材密度

不同生長環(huán)境、立地條件等因素會影響竹材的密度，同時密度的大小也影響著竹材本身的力學強度。從表3可以看出，慈竹的氣干密度、全干密度和基本密度均大于綿竹，而低于毛竹的各項密度指標。

表3 竹材各項物理性能指標

2.2.2 順紋抗壓強度

竹材的順紋抗壓強度對于結(jié)構(gòu)材來說是重要的力學性質(zhì)之一[12]。由表3可以看出，慈竹的抗壓強度大于綿竹，結(jié)合它們的基本密度來看，慈竹密度也大于綿竹，這與楊喜[13]研究的竹材密度與力學強度呈顯著相關(guān)性的結(jié)論一致。與杜文軍[14]測定的黔北慈竹順紋抗壓強度 (62.98 MPa)相比，四川產(chǎn)的慈竹抗壓強度更大些。慈竹和綿竹的順紋抗壓強度均明顯高于毛竹[11]，而且明顯優(yōu)于在闊葉材中力學強度表現(xiàn)中上等的馬占相思木 (其順紋抗壓強度為60.4 MPa)[15]。由此可見，慈竹和綿竹的抗壓強度較好。

2.2.3 抗彎彈性模量和抗彎強度

竹材的抗彎強度和抗彎彈性模量是結(jié)構(gòu)材最重要的力學性質(zhì)[12]。測定結(jié)果顯示，慈竹和綿竹的抗彎彈性模量和抗彎強度比較接近，且都明顯高于毛竹的相應(yīng)指標[11]，慈竹的抗彎強度更優(yōu)一些。而且四川產(chǎn)的慈竹抗彎強度遠高于黔北地區(qū)的慈竹(143.086 MPa)[14]。

2.2.4 抗剪強度

由表3可以看出，慈竹的抗剪強度大于綿竹，與毛竹的抗剪強度接近。且四川產(chǎn)慈竹的抗剪強度大于黔北地區(qū)的慈竹 (15.97 MPa)[14]。

2.2.5 竹材基本密度與各項強度指標間的關(guān)系

上述分析表明，試驗的2種竹材力學強度均高于毛竹，但是否可以用作建筑、橋梁等承重材來使用還需要看它們的品質(zhì)系數(shù)[15]，即比強度和比彈性模量等強度系數(shù)比值。慈竹的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為31 000、121.32、324.28、23.57，綿竹的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為 32 660、126.1、300.14、22.32。經(jīng)過查閱資料，馬占相思木的強度在國產(chǎn)闊葉材中屬于中上水平且品質(zhì)系數(shù)較高，可以用作承重材料或中高檔家具用材，它的抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度與其氣干密度的比值分別為 24 741、107.2、326.5、21.3[16]。由此可見，慈竹和綿竹的強度品質(zhì)系數(shù)均較高，可用作承重結(jié)構(gòu)材料。

2.3 竹材的纖維形態(tài)

竹材的纖維形態(tài)是衡量其作為造紙原料優(yōu)劣的重要指標，包括纖維長度、寬度、長寬比。慈竹和綿竹的纖維形態(tài)指標測定結(jié)果見表4。

表4 慈竹和綿竹纖維形態(tài)指標

2.3.1 纖維長度通常造紙用原料的纖維長度為0.4～5.0 mm，在此范圍內(nèi)，纖維長度越長，接觸點就越大，成紙后質(zhì)量就越好。原料的纖維長度過短或過長，均不利于形成良好的紙張[17]。從表4來看，慈竹和綿竹的平均纖維長度分別為0.63和0.67 mm，均小于毛竹的平均纖維長度 (2.18～2.46 mm)[18]。

2.3.2 纖維寬度和長寬比

就纖維寬度而言，綿竹略大于慈竹。朱惠方等[19]認為，纖維長寬比大于100時才是優(yōu)質(zhì)的造紙原料，長寬比小于45的則不宜造紙，由表4可知，綿竹和慈竹的纖維長寬比均在45以下，均不適用于造紙。

2.3.3 纖維長度分布

用纖維長度分布可以評判其植物纖維原料是否符合造紙標準的要求。由圖1可知，對于慈竹而言，有32%的纖維長度分布為500～1 000μm，有31%的纖維長度分布為1 000～1 500μm，而長度分布為2 500～3 000μm的纖維較少；對于綿竹而言，有37%的纖維長度分布為500～1 000μm，有24%的纖維長度分布為1 000～1 500μm，而長度分布為3 000μm以上的纖維只占1%左右。根據(jù)國際木材解剖協(xié)會規(guī)定，長度大于1 600μm的纖維屬于長纖維。從圖1可知，2種竹材的纖維長度分布分別多為500～1 000和1 000～1 500μm，而在制漿過程中所需要的長纖維分布較少[20]。

圖1 綿竹和慈竹纖維長度分布

3 結(jié)論

1)從慈竹和綿竹的化學成分上看，2個竹種的抽提物含量均小于毛竹，而介于針葉材和闊葉材之間；2個竹種的綜纖維素含量略高于毛竹，纖維素含量高于3年生的毛竹；2個竹種的木質(zhì)素含量與毛竹接近，但灰分含量遠高于毛竹、闊葉材和針葉材。表明綿竹和慈竹在制漿性能方面不及毛竹及造紙原料用木材。

2)從慈竹和綿竹的物理力學特性上看，2個竹種的各項密度指標略低于毛竹，但相差不多；2個竹種的順紋抗壓強度均明顯高于毛竹，而且明顯優(yōu)于強度較高的闊葉材馬占相思木；2個竹種的抗彎彈性模量和抗彎強度比較接近，且都明顯高于毛竹，四川產(chǎn)的慈竹抗彎強度遠高于黔北地區(qū)的慈竹；慈竹的抗剪強度大于綿竹，與毛竹的抗剪強度接近，且四川產(chǎn)慈竹的抗剪強度大于黔北地區(qū)的慈竹。慈竹和綿竹的物理力學指標表明，2個竹種力學強度均較大，可以用作結(jié)構(gòu)用竹或建筑用竹。

3)從慈竹和綿竹的纖維形態(tài)上看，2個竹種的纖維長度分別為0.63和0.67 mm，均小于毛竹；2個竹種的纖維長寬比均在45以下，纖維長度分布分別多為500～1 000和1 000～1 500μm，而在制漿過程中所需要的長纖維分布較少。這些特性均表明，慈竹和綿竹均不適于作為造紙原料。

[1] 國家林業(yè)局.第八次全國森林清查結(jié)果[J].林業(yè)資源管理，2014(1):1-2.

[2] 吳協(xié)保，吳健，但新球，等.竹類資源在我國石漠化防治中的應(yīng)用研究[J].世界林業(yè)研究，2015，28(3):37-41.

[3] 梁灝.四川竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題與對策[J].農(nóng)村經(jīng)濟，2012(11):42-44.

[4] 石淑蘭，何福旺.制漿造紙分析與檢測[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2003.

[5] 張齊生，關(guān)明杰，紀文蘭.毛竹材質(zhì)生成過程中化學成分的變化[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版)，2002，26(2):7-10.

[6] 徐有明.木材學[M].北京:中國林業(yè)出版社，2006.

[7] 輝朝茂，楊宇明.材用竹資源工業(yè)化利用[M].昆明:云南科技出版社，1998.

[8] 吳旦人.竹材防護[M].長沙:湖南科學技術(shù)出版社，1992.

[9] Du Y，Qi W，Miao X，et al.Chemical analysis of pubescens and its pyrolysis[J].Journal of Chemical Industry ＆Engineering， 2004， 55(12):2099-2102.

[10]Zhang SY，Wang CG，F(xiàn)ei B H，et al.Mechanical function of lignin and hemicelluloses in wood cell wall revealed with microtension of single wood fiber[J].Bioresources， 2013， 8(2):2376-2385.

[11]劉亞迪，桂仁意，俞友明，等.毛竹不同種源竹材物理力學性質(zhì)初步研究[J].竹子研究匯刊，2008，27(1):50-54.

[12]魯順保，丁貴杰，彭九生.不同立地條件對毛竹力學性質(zhì)的影響[J].貴州林業(yè)科技，2005，33(4):11-16.

[13]楊喜，劉杏娥，楊淑敏，等.5種叢生竹材物理力學性質(zhì)的比較[J].東北林業(yè)大學學報，2013，41(10):91-93.

[14]杜文軍.黔北地區(qū)主要竹種生長情況及物理力學性能初步研究[D].貴陽:貴州大學，2010.

[15]尹思慈.木材學[M].北京:中國林業(yè)出版社，1996.

[16]梁宏溫，徐峰，牟繼平.馬占相思木材物理力學性質(zhì)的研究[J].基因組學與應(yīng)用生物學，2004，23(4):325-328.

[17]劉曉波，韓紹中，穆道友，等.德宏州巨龍竹纖維形態(tài)和化學成分與制漿性能的初步研究[J].昆明理工大學學報，2006，31(1):83-88.

[18]崔燕.毛竹竹齡對制漿性能的影響[D].北京:北京林業(yè)大學，2010.

[19]朱惠方，腰希申.國產(chǎn)33種竹材制漿應(yīng)用上纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究[J].林業(yè)科學，1964，9(4):311-331.

[20]李興會，羅蓓，何蕊.青皮竹和慈竹不同發(fā)育期竹材解剖特征研究[J].世界竹藤通訊，2017，15(4):9-12.