三年生花眉竹不同部位纖維形態特征的分析研究

李 權 林金國 黃秋月 巫其榮

(1.凱里學院,貴州凱里，556011；2.福建農林大學材料工程學院,福建福州,350002)

?

·花眉竹纖維分析·

三年生花眉竹不同部位纖維形態特征的分析研究

李 權1,2林金國2,*黃秋月2巫其榮2

(1.凱里學院,貴州凱里，556011；2.福建農林大學材料工程學院,福建福州,350002)

分析了三年生花眉竹不同部位纖維形態的差異,揭示了竹竿不同離地高度和水平部位對三年生花眉竹材纖維長度及其頻率分布、寬度、長寬比、壁厚、腔徑、壁腔比的影響規律。結果表明,三年生花眉竹材纖維形態特征隨竹竿離地高度變化為：4.5 m處纖維長度、長寬比、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特征隨竹竿水平部位變化表現為：竹壁外層纖維長度和寬度最大。竹壁內層纖維長寬比最大,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,內層最小。纖維長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；頻率分布

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

花眉竹(BambusalongispiculataGamble)原產于印度,在我國廣西壯族自治區、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,竿下部的節間具黃綠色或淡綠色縱條紋,竹竿堅硬。花眉竹屬觀筍竹、叢生竹,竿堅硬、厚實,可供農具、支柱及棚架和竹編工藝用材,同時還具有良好的水土保持能力[1-2]。纖維形態特征是研究竹材材性的基礎之一,也是合理利用竹材的依據之一。花眉竹材的纖維形態是判斷其是否適合于制漿造紙的決定因素。花眉竹材纖維長度和長寬比是評定造紙和纖維板原料品質優劣的重要指標,在竹材原料中纖維越長,其抄造紙張抗張強度、撕裂度、耐破度和耐折度越大；纖維長寬比愈大,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度和長寬比表示纖維形態與制漿適合度的關系。纖維形態特征是研究竹材材性的基礎之一,也是竹材利用的依據之一[5- 7]。

我國木材資源總體匱乏,大量優質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,木材資源的不足嚴重影響了我國造紙工業的健康發展。竹材是優良的制漿造紙原料，是我國制漿造紙工業中重要的原料之一。目前國內外僅有對花眉竹作為觀賞植物的文獻資料,未見對其纖維形態方面的研究報道。筆者以生長速度快、竹材產量較高、在南方各省廣泛分布的花眉竹為研究對象,對三年生花眉竹材竹竿不同部位纖維形態特征及其變異規律進行分析研究,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原料提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

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～25°12′N)竹種園,毗鄰漳平、安溪、南靖、長泰、薌城等5個縣(市、區),是閩南地勢較高的縣份。華安縣地處南亞熱帶和中亞熱帶的過渡地帶,年降水量1618 mm,年均氣溫20.9℃,無霜期達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

按國家標準GB/T 15780—1995竹材物理力學性質實驗方法的規定采集樣竹,在竹林分布均勻和生態條件相對一致的林分內伐取三年生花眉竹6株。每株做好北向的標記后離地0.5 m伐倒后標號,從竹竿基部開始向上依次截取四段2 m長的竹段,靠近基部依次向上2 m長度竹段分別作為第一段和第二段；第二段之上的兩段長度為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 實驗用花眉竹基本性能

注 坡向：西南坡；海拔：約200 m。

1.2 實驗方法

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處各截取長度為5 cm左右的圓環,再在每個竹環的北向處截取5 mm寬的竹片,將測試竹片進一步按壁厚三等分剖開,作為竹壁徑向部位即竹壁外側、中部和內側的待測定試樣。

1.2.2 纖維長度、寬度的測定

測定3年生花眉竹材纖維形態,將竹材依據其竹竿上的不同部位進行解剖,把花眉竹待測定試樣劈成1～2根徑向1 mm、長度20 mm的竹梗后置于試管中,往各試管中加水至試樣淹沒,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,按許爾茲法進行離析。向試管內加清水1 mL,60%的硝酸約2 mL,加熱沸騰約1 min產生黃色氣體,然后投入固體氯酸鉀0.8 g繼續加熱,直至材色變白。倒出藥液,待冷卻后用清水沖洗數次,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，測定纖維的長度和寬度并計算長寬比,每個試樣隨機測定90根完整纖維的長度和寬度[8]。

1.2.3 纖維壁厚、腔徑的測定

將花眉竹待測定試樣劈成1～2根徑向1 mm、長度為20 mm的竹梗后分別放進試管中,往各試管中加水至試樣淹沒,然后放入水浴鍋進行蒸煮軟化。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測定60根花眉竹材纖維的壁厚和腔徑并計算壁腔比。一株平均做2個切片,一個切片測10組數據,三株總共測定對應的60組數據。測定位置為兩個后生木質部梯紋導管旁側方纖維帽內的一列或幾列纖維。

2 結果與討論

竹材的纖維長度、長寬比兩項指標與其造紙性能直接相關。在研究植物的纖維形態與其制漿造紙性能之間的關系時,應綜合考慮其纖維長度、寬度、纖維長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度和寬度

注 分別隨機測量竹竿不同離地高度和水平部位90根纖維的長度和寬度。

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度頻率分布 %

2.1 花眉竹材纖維長度和寬度

花眉竹材纖維長度和纖維長寬比是評定造紙和纖維板原料品質優劣的重要指標,纖維愈長,可提高其抄造紙張抗張強度、撕裂度、耐破度和耐折度。根據測定數據計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度存在一定差異,竹竿離地高度4.5 m處纖維長度最大,2.5 m、0.5 m、6.5 m處的依次呈下降趨勢。水平方向竹壁纖維長度變異特點為外層纖維最大,內層次之,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。水平方向竹壁纖維寬度變異特點為外層纖維最大,中層次之,內層最小。

2.2 花眉竹材纖維長度頻率分布

根據測定數據將花眉竹纖維長度分為<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七個等級,在每個離地高度和不同竹竿水平部位統計各長度等級纖維的根數,然后再根據統計數據計算出各個等級長度的花眉竹纖維占纖維總數的百分比。

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

2.3 花眉竹材纖維壁厚和腔徑

根據測定數據計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強度指標關系密切，同樣大小的細胞,胞壁薄其腔就大,外力作用時易壓扁成帶狀,結合面積增大,故使結合力強,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。水平部位竹壁纖維壁厚變異特點為外層纖維壁厚最大,中層次之,內層最小。

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 分別隨機測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寬比和壁腔比

注 分別隨機測量竹竿不同離地高度和水平部位90根纖維的長寬比和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。水平部位竹壁纖維腔徑變異特點為外層纖維腔徑最寬,內層次之,中層最小。

2.4 花眉竹材纖維長寬比和壁腔比

人們通常使用纖維長寬比表示纖維形態與制漿適合度的關系,通常纖維長寬比越大,其撕裂強度、交織性、彈性、柔韌性愈高,紙竹材強固性、紙張撕裂指數愈高,越適合做造紙原料[13]。根據測定數據計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寬比和壁腔比,見表5。

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

纖維壁腔比(即2倍壁厚和腔徑之比)是衡量紙張質量另一個必不可少的指標,壁腔比小的纖維細胞壁薄而胞腔直徑大,比較柔韌易于縱裂帚化,纖維間的結合力較強,成紙強度高。相反,壁腔比大的纖維其細胞壁厚,胞腔直徑窄,則纖維不易縱裂帚化,纖維間的結合力較差,紙漿強度較低[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。水平部位竹壁纖維壁腔比變異特點為中層最大,外層次之,內層最小。

3 結 論

竹材的纖維形態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度、纖維長寬比和壁腔比表示纖維形態與制漿適合度的關系。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的差異及其影響規律研究結果如下。

3.1 三年生花眉竹材纖維形態特征隨竹竿離地高度的變化表現為：離地高度4.5 m處纖維長度最大,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處纖維長寬比、壁腔比最大。

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

3.3 纖維長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處長度大于1.5 mm的纖維占比最大,而在6.5 m處長度大于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,而在中層處長度大于1.5 mm的纖維占比最小。

[1] Chen Bao-kun, Yang Yu-ming, Zhang Guo-xue, et al. A study on cultivation and integrated utilization of large-size cluster bamboo[J]. Journal of West China Forestry Science, 2007, 36(2): 1. 陳寶昆, 楊宇明, 張國學, 等. 大型叢生竹的培育技術及其綜合利用研究[J]. 西部林業科學, 2007, 36(2): 1.

[2] Li Yan-jun, Xu Bin, Zhang Qi-sheng, et al. Present situation and the countermeasure analysis of bamboo timber processing industry in China[J]. Journal of Forestry Engineering, 2016, 1(1): 2. 李延軍, 許 斌, 張齊生, 等. 我國竹材加工產業現狀與對策分析[J]. 林業工程學報, 2016, 1(1): 2.

[3] Ma X, Zhang F, Wei L. Effect of wood charcoal contents on the adsorption property, structure, and morphology of mesoporous activated carbon fibers derived from wood liquefaction process[J]. Journal of Materials Science, 2015, 50(4): 1908.

[4] Yao W, Zhang W. Research on Manufacturing Technology and Application of Natural Bamboo Fibre[C]//International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, 2011.

[5] Xie J, Hse C Y, Hoop C F D, et al. Isolation and characterization of cellulose nanofibers from bamboo using microwave liquefaction combined with chemical treatment and ultrasonication[J]. Carbohydrate Polymers, 2016, 151: 725.

[6] Zhang Wei, Yao Wen-bin, Li Wen-bin. Research and development of technology for processing bamboo fiber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(10): 308. 張 蔚, 姚文斌, 李文彬. 竹纖維加工技術的研究進展[J]. 農業工程學報, 2008, 24(10): 308.

[7] LV Xiao-hui, YANG Lu, LIU Wen-bo. Pore in Paper and Its Structural Functions[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(3): 64. 呂曉慧, 陽 路, 劉文波. 紙張的孔隙及其結構性能[J]. 中國造紙, 2016, 35(3): 64.

[8] Zhang Wei, Li Wen-bin, Yao Wen-bin. Separating mechanism and preparation method of the longer natural bamboo fiber[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2007, 29(4): 63. 張 蔚, 李文彬, 姚文斌. 天然長竹纖維的分離機理及其制備方法初探[J]. 北京林業大學學報, 2007, 29(4): 63.

[9] Wei X, Leitch M, Auty D, et al. Radial trends in black spruce wood density can show an age-and growth-related decline[J]. Annals of Forest Science, 2014, 71(5): 603.

[10] Yang Shu-min, Liu Xing-e, Fei Ben-hua, et al. Main Anatomy Characteristics in Cell Wall and Lignin Distribution of Bamboo Culms (Pseudosasaamabilis) [J]. Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(2): 129. 楊淑敏, 劉杏娥, 費本華, 等. 茶稈竹細胞壁解剖特性以及木質素微區分布[J]. 林業科學, 2012, 48(2): 129.

[11] Jiang Jian-xin, Yang Zhong-kai, Zhu Li-wei, et al. Structure and property of bamboo fiber[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2008, 30(2): 128. 蔣建新, 楊中開, 朱莉偉, 等. 竹纖維結構及其性能研究[J]. 北京林業大學學報, 2008, 30(1): 128.

[12] LIU Yi-shan, WANG Xiu-peng. Thoughts of the Development Situation of China’s Bamboo Pulp Industry [J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(6): 22. 劉一山, 王修朋. 關于竹漿產業發展的思考[J]. 中國造紙, 2013, 32(6): 22.

[13] Wang Shu-guang, Pu Xiao-lan, Ding Yu-long, et al. Morphological differences of Fargesia yunnanensis fibers[J]. Journal of Zhejiang Forestry College, 2009, 26(4): 528. 王曙光, 普曉蘭, 丁雨龍, 等. 云南箭竹纖維形態變異規律[J]. 浙江農林大學學報, 2009, 26(4): 528.

[14] Liao S X, Kun L I, Yang Z Y, et al. Influence of Age on Chemical Components,Fiber Morphology and Pulping Properties ofBroussonetiapapyriferaBark[J]. Forest Research, 2006, 19: 436.

(責任編輯：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)

貴州省高校優秀科技創新人才獎勵計劃(編號：黔教合KY字[2015]508)；福建省財政廳科研基金資助項目“進口木材特性與鑒別關鍵技術研究與推廣”(編號：K8115004A)；貴州省科技合作計劃(編號：黔科合LH字[2015]7751號)。

李 權先生,博士,副教授；主要從事木材科學與木結構建筑方面的研究。

TS71+2

A

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

*通信作者：林金國,教授,博士生導師；主要從事木材科學方面的研究。