摘 要: 本研究以我國空竹屬6種竹材為研究對象,借助場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)、二維廣角X射線衍射儀(2D WAXD)等現代儀器對其纖維形態及結構進行研究。結果表明,6種竹材的解剖結構均不含纖維股,維管束類型均是典型的緊腰型;纖維形態整體形貌相似,較硬挺,其中真麻竹纖維的長度(2. 25 mm)最大,且長度gt;3. 20 mm的纖維占比高;6種竹材纖維的微纖絲角均在8. 46°~14. 79°之間,其中真麻竹纖維的微纖絲角(14. 79°)最大;6種竹材纖維的零距抗張指數差異不大,其中小空竹(干法0. 212 kN·m/g,濕法0. 193 kN·m/g)最大,真麻竹(干法0. 189 kN·m/g,濕法0. 173 kN·m/g)次之。
關鍵詞:空竹屬;解剖結構;纖維形態;微纖絲角度
中圖分類號:TS721+. 2 文獻標識碼:A DOI:10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 007
目前,我國森林覆蓋率僅為24.02%[1],木漿產量難以滿足造紙行業的發展,仍需進口大量木漿[2]。近年來,隨著“禁廢令”等限制政策的實施,我國造紙原料資源短缺的問題進一步加劇。竹材作為一種非木材造紙原料,在我國擁有悠久的歷史,具有纖維素含量高、纖維長寬比大、產量大等特點[3]。竹材纖維具有細長、可再生的優點,且得益于其化學成分和纖維特性,竹漿纖維性能處于針葉木漿纖維和闊葉木漿纖維之間,并明顯優于禾草漿纖維[4],因此竹漿能夠在一定程度上替代闊葉木漿[5],從而降低成本,這些優勢也決定了其在制漿造紙行業中的發展潛力[6]。此外,竹材具有生長發育快、成材周期短、繁殖力強[7]、固碳能力較強的特點,能夠有效緩解溫室效應[8]。當前,我國竹漿造紙產業發展迅速,2023年竹漿產量達254萬t,竹漿產量在非木漿產量中的占比從2014年的20.40%提高至2023年的44.17%,成為非木材紙漿的主要漿種[9]。因此,深入挖掘、開發利用竹材作為造紙原料,對于緩解我國木漿造紙原料短缺的現狀、實現節能減排目標具有重要意義。
云南省被譽為“世界竹類的故鄉”,是世界竹類植物起源地和分布中心之一[10]。據統計,云南省天然分布的竹類植物涵蓋32屬285種[11],是我國竹亞科植物種類最豐富的地區[12]。目前,云南省竹資源還未在造紙領域得到高效地發掘利用,當前關于麻竹等傳統大徑竹材的研究較多,但關于小徑竹材的研究甚少,在一定程度上限制了對小徑竹材纖維的認知。研究表明,空竹屬 (Cephalostachyum Munro) 的竹稈細長[13],竹材節間距和高徑比均較大,且部分竹材具有攀援或半攀援的性狀特征,篾性優良,是優良的造紙原料[14-15]。其中,真麻竹稈壁纖維長且韌性極好,是制備紙張、竹地板、麻等材料的優質原料[16],在造紙工業中具有較高的開發價值[17];小空竹和薄竹具有稈壁薄、纖維韌性好等優點,適合劈篾編織竹類用具[18]。
本研究以我國空竹屬6種竹材為研究對象,包括空 竹 (Cephalostachyum latifolium Munro)、 小 空 竹(Cephalostachyum pallidum Munro)、真麻竹 (Cephalo?stachyum scandens Bor)、 獨 龍 江 空 竹 (Cephalo?stachyum mannii (Gamble) Stapleton amp; D. Z. Li)、屏邊 空 竹 (Cephalostachyum pingbianense (Hsueh amp; Y.M. Yang ex T. P. Yi) D. Z. Li amp; H. Q. Yang)、薄 竹(Cephalostachyum chinense (Rendle) D. Z. Li amp; H. Q.Yang),利用現代分析技術,通過對其纖維形態及結構的研究,增加對以空竹屬為代表的小徑竹材纖維的認知,為其利用提供一定的理論基礎。
1 實 驗
1. 1 實驗原料、試劑及儀器
1. 1. 1 實驗原料和試劑
空竹和獨龍江空竹采自云南省怒江傈僳族自治州某林場,真麻竹和小空竹采自云南省德宏傣族景頗族自治州某林場,屏邊空竹和薄竹采自云南省紅河哈尼族彝族自治州某林場,6種竹材的竹齡均為1年左右。
過氧化氫 (質量分數 30%)、冰醋酸 (質量分數99.5%)、甲 醛 (質 量 分 數 37.0%~40.0%)、丙 三 醇(質量分數99.0%)、無水乙醇 (體積分數99.5%),均為分析純,購自廣州化學試劑廠;番紅,分析純,購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;赫氏染色劑,實驗室自制。
1. 1. 2 實驗儀器
低溫恒溫槽 (DC-1006,寧波新芝生物科技股份有 限 公 司);冷 凍 干 燥 機 (Alpha1-1LSCplus,德 國Christ 公司);冷凍切片機 (CM1850-01,德國 Leica公司);正置顯微鏡 (BX51,日本 Olympus 公司);場發射掃描電子顯微鏡 (FESEM,SU500,日本Hita‐chi公司);纖維分析儀 (FS5,芬蘭Valmet公司);二維廣角 X 射線衍射儀 (2D WAXD,HomeLab,日本Rigaku 公 司); 超 臨 界 干 燥 儀 (931 Series, 美 國Tousimis 公司);零距抗張測試儀 (Z-Span 2400,美國Pulmac公司)。
1. 2 實驗方法
1. 2. 1 竹條、切片、竹纖維、竹片的制備
1. 2. 1. 1 竹條的制備將竹材制成長度 10 mm×寬度 10 mm 的竹條,擦去竹條表面粉塵。
1. 2. 1. 2 切片的制備
取若干竹條置于丙三醇/乙醇 (體積比 1∶1) 的混合溶液中浸泡,密封存儲 48 h;采用冷凍切片機,將竹條樣品切成厚度20 μm的切片,保存備用。
1. 2. 1. 3 竹纖維的制備
取適量竹條于水中,多次煮沸,除去竹條中的空氣,直至其在水中自然下沉。所得竹條樣品采用富蘭克林離析法 (雙氧水∶冰醋酸的體積比=1∶1) 處理[19],于60 ℃下反應36 h,直至竹條變白離析成單根纖維,使用孔徑74 μm的濾布過濾,將纖維洗滌至中性,保存備用[20]。
1. 2. 1. 4 竹片的制備
取代表性竹條,沿著竹稈軸向靠近竹青的纖維密集部位,裁取長度 5 mm×寬度 5 mm×厚度 1 mm 的竹片,用砂紙將表面打磨平整,擦去其粉塵,密封備用。
1. 2. 2 生物結構觀測
將1.2.1.2所制切片依次進行番紅染色、乙醇溶液逐步脫水和乙二胺透明化處理,然后采用樹脂封片,通過光學顯微鏡觀察纖維的生物結構。采用 FESEM對經冷凍干燥后竹材切片形貌進行觀察,樣品噴金60 s,加速電壓3 kV。
1. 2. 3 纖維形態測定
取1.2.1.3所制單根竹纖維于載玻片上,經赫氏染色劑染色后封片,通過光學顯微鏡觀察纖維形態。采用纖維分析儀測定纖維的長度 (ISO 標準長度加權值)、寬度等基本參數,并選取 200 根以上纖維測定壁腔比。采用 FESEM 對超臨界干燥處理后的纖維形貌進行觀察,噴金時間60 s,加速電壓3 kV。
1. 2. 4 微纖絲角測試
取 1.2.1.4 所制竹片,利用 2D WAXD 進行測試,所得衍射圖經 Fit2D軟件處理,得到的衍射曲線借助Origin軟件進行高斯擬合 (Gauss Amp),依據0.6 T法計算微纖絲角[21]。
1. 2. 5 纖維強度測試
取1.2.1.3所制竹纖維,經凱賽快速紙頁成型器抄成定量(60±3) g/m2的手抄片,按照 GB/T 26460—2011進行纖維強度測定。



2 結果與討論
2. 1 生物結構分析
維管束作為竹材的核心組成部分,對竹子的生長與發育至關重要。維管束不僅是竹材內物質運輸的主要通道,負責輸送水分、無機鹽以及有機物,還具有支撐竹材植物體、維持其形態穩定的重要作用。
圖1為空竹屬6種竹材橫切面解剖結構的光學顯微鏡圖。由圖1可知,6種竹材的維管束中均不存在纖維股,近竹青部位的維管束為未分化和半分化狀態,維管束類型均為半開放型;竹肉部分維管束的內方纖維鞘形狀大于外方纖維鞘,是典型的緊腰型維管束;維管束的分布密度、徑向長度均是從近竹青到近竹黃逐漸減小,而維管束弦向長度則逐漸增大。其中,真麻竹和獨龍江空竹的竹稈近實心,其他竹種稈壁均較薄。圖2為空竹屬6種竹材橫切面解剖結構的FESEM圖。由圖 2 可知,6 種竹材的維管束結構中導管和篩管在近竹青部位尺寸較小,維管束排列緊密,厚壁細胞含量高,而竹肉部分維管束形態已分化穩定,原生木質部導管、后生木質部導管以及篩管已經完全顯現。維管束之間夾雜的薄壁細胞組織較為疏松,主要起緩沖作用,與纖維鞘協同增強竹稈的彈性[22]。從維管束形態角度進行竹類植物系統分類[23],薄竹歸于空竹屬[13]。
研究發現,植物纖維細胞壁具有薄厚交替的壁層結構,而不是典型的3層結構,這種構造對纖維力學性能及其所制紙張性能具有重要影響[24]。圖 3為空竹屬6種竹材橫切面細胞壁層結構的FESEM圖。由圖3可知,空竹、真麻竹和屏邊空竹的纖維細胞腔徑大小分布均勻;小空竹的纖維細胞直徑和細胞壁尺寸較小;真麻竹和屏邊空竹的纖維細胞均有明顯的壁層結構;同時空竹和真麻竹纖維細胞壁厚度大于其他4種竹材;相比之下,空竹、獨龍江空竹和薄竹的纖維細胞壁的層間結構較緊密。6種竹材的薄壁細胞均具有明顯的壁層結構,真麻竹出現明顯的淀粉粒,這是因為1~2年生竹材的淀粉粒含量豐富,竹齡不足 1 年或竹齡達數年以上的竹材均不存在淀粉粒[22]。
2. 2 纖維形態分析
纖維的形態特征影響著紙張結構和物理性能[25],纖維的基本形態參數 (長度、寬度和長寬比) 是評價纖維紙張性能的基本依據。長寬比大的纖維,可賦予紙張優良的結構和強度特性[26]。
表 1 為空竹屬 6 種竹材纖維的基本參數。由表 1可知,空竹和真麻竹纖維長度gt;2.00 mm,長寬比分別為 132 和 131, 而 其 他 4 種 竹 材 纖 維 的 長 度 均 在1.70 mm 左右;小空竹纖維寬度最大 (17.3 μm),而圖3結果表明其纖維直徑較小,這可能與其細小組分(形態短小粗壯) 含量較多有關;6 種竹材纖維的長寬比均大于木材纖維的長寬比 (闊葉木纖維長寬比約為 30~65,針葉木纖維長寬比約為 60~80) [27];空竹纖維細胞壁厚度較大、壁腔比最大 (2.92),這也符合圖3的觀察結果。
圖 4 為 空 竹 屬 6 種 竹材 纖 維 的 長 度 分 布 情 況。由圖 4 可知,空竹和獨龍江空竹的細小組分含量較少,大部分纖維長度在 0.20 mm 以上,而其他 4 種竹材纖維在各長度區間均有不同程度分布,其中空竹和真麻竹纖維長度gt;3.20 mm 的占比較大。長度lt;0.20 mm 的部分以雜細胞為主,為避免其對紙張品質的影響,在造紙過程中應被盡量去除。圖 5 為空竹屬 6 種竹材纖維的光學顯微鏡圖。由圖 5 可知,6 種竹材纖維經赫氏染色劑染色后,均呈現藍紫色,整體形貌相似,纖維較硬挺。此外,6 種竹材纖維的表面均存在橫節紋,小空竹和真麻竹纖維表面存在明顯的微細纖維,空竹和屏邊空竹纖維端部則呈現分枝狀或鹿角狀。
圖 6 為空竹屬 6 種竹材纖維的 FESEM 圖。由圖 6可知,竹材纖維表面存在褶皺但整體較圓潤,且竹材纖維表面存在很多微細纖維,這些微細纖維呈絲絮狀,并在竹材纖維表面剝離,這是因為超臨界干燥處理避免了竹材纖維因蒸發產生的毛細作用,從而防止了纖維表面的皺縮和坍塌[28],故超臨界干燥處理后的竹材纖維最接近其原始形貌[29]。空竹和獨龍江空竹纖維表面具有明顯的紋孔結構,這些纖維上的紋孔是植物細胞壁上的重要結構,具有物質輸導、支撐穩定以及生理調節等多種功能。


2. 3 微纖絲角分析
微纖絲角是指細胞次生壁微纖絲與細胞縱軸之間的夾角,與細胞壁力學性質息息相關,竹材纖維細胞壁結構和微纖絲取向較木材更復雜,竹材纖維細胞壁具有寬窄交替的多壁層結構,壁層的薄厚影響著微纖絲取向[30]。在纖維性能相近的條件下,微纖絲角越小,代表在打漿過程中纖維的切斷和剝離效果越好,原料的打漿性能更好[31]。圖 7 是利用 2D WAXD 測得的空竹屬 6 種竹材纖維的衍射譜圖。由圖 7 可知,6種竹材纖維均具有明顯的對稱弧塊和對稱斑點,表明纖維取向性良好,同時均存在明顯的雙衍射峰,且峰形較尖銳,具有明顯的結晶區。表 2為空竹屬 6種竹材纖維的微纖絲角。由表 2 可知,6 種竹材纖維的微纖絲角均在 8.46°~14.79°之間,其中真麻竹纖維衍射峰雙峰較寬,微纖絲角最大,為14.79°,表明其無定形區占比相對較大。
2. 4 纖維強度分析
零距抗張強度可反映纖維的本身強度[32],是衡量纖維力學性能的一項重要參數[33]。表3是空竹屬6種竹材纖維的零距抗張強度測試結果。由表3可知,小空竹纖維的干法和濕法零距抗張指數分別為 0.212 和0.193 kN·m/g,顯著高于其他 5 種竹材纖維,表明小空竹纖維的強度性能最好。6種竹材纖維的干法零距抗張指數均略大于濕法零距抗張指數,這是因為在測量時,夾頭之間實際存在一定的距離,導致測試結果會受到纖維間結合力的影響[34]。





3 結 論
為增加對小徑竹材纖維的認知,本研究借助場發射掃描電子顯微鏡、二維廣角X射線衍射儀等現代儀器對我國空竹屬6種竹材纖維的形態結構及性能進行了相似性和差異性分析。
3. 1 空竹屬 6 種竹材的解剖結構中均不含纖維股,僅有中心維管束,維管束類型為典型的緊腰型,其中真麻竹和屏邊空竹纖維細胞壁具有明顯的壁層結構;6種竹材纖維形貌整體相似,硬挺細長,表面存在大量微細纖維,其中空竹和屏邊空竹纖維端部呈鹿角狀,空竹和獨龍江空竹纖維具有紋孔結構。
3. 2 空竹屬 6 種竹材的纖維長寬比均大于 100,其中真麻竹纖維長度 (2.25 mm) 最大,其長纖維 (長度gt;3.20 mm) 占比最大,獨龍江空竹纖維平均寬度(15.4 μm) 最小。6 種竹材纖維的微纖絲角在 8.46°~14.79°之間,其中真麻竹纖維的微纖絲角最大;小空 竹 的 零 距 抗 張 指 數 (干 法 0.212 kN·m/g, 濕 法0.193 kN·m/g) 最高。
參 考 文 獻
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(責任編輯:魏琳珊)