李 權(quán)，林金國(guó)

(1.凱里學(xué)院，貴州 凱里 556011； 2.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

2年生麻竹不同竹稈部位纖維形態(tài)特征的差異分析

李 權(quán)1，2，林金國(guó)2

(1.凱里學(xué)院，貴州 凱里 556011； 2.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

分析了2年生麻竹不同竹稈部位纖維長(zhǎng)度及其頻率分布、寬度、長(zhǎng)寬比、雙壁厚、腔徑、壁腔比的差異。揭示了其纖維形態(tài)特征隨竹稈垂直部位的變化表現(xiàn)為：竹稈離地高度4.5 m處的纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比最大，纖維寬度和纖維壁厚在2.5 m處最大，纖維腔徑、纖維壁腔比分別在6.5 m、0.5 m處最大。2年生麻竹材纖維形態(tài)特征隨竹稈水平部位變化表現(xiàn)為：竹壁中層纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)，內(nèi)層最短。竹壁外層纖維寬度、壁厚和壁腔比最大，內(nèi)層最小。竹壁內(nèi)層纖維長(zhǎng)寬比最大，外層最小。竹壁內(nèi)層纖維腔徑最大，中層最小。纖維長(zhǎng)度大部分集中分布在大于1.5 mm區(qū)間范圍，占70%左右，屬于長(zhǎng)纖維類型。研究結(jié)果為麻竹材的定向培育和麻竹材的高效合理利用提供重要的依據(jù)。

麻竹；竹稈部位；纖維形態(tài)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)屬禾本科竹亞科牡竹屬，為合軸型的叢生竹類，是我國(guó)南方栽培較廣泛的竹種。麻竹竹稈粗大通直，大量用于制漿造紙，是我國(guó)紙漿材培育的主要竹種之一[1-2]。近年來我國(guó)對(duì)麻竹材的需求利用在不斷增加，對(duì)于麻竹材的研究也越來越多，但是關(guān)于纖維形態(tài)特征差異方面的研究報(bào)道較少，不利于麻竹材的定向培育和和麻竹材的高效合理利用。纖維形態(tài)是影響竹材物理力學(xué)性能、化學(xué)組成特性的重要因素。纖維長(zhǎng)度影響莖稈的強(qiáng)度和紙漿特性，纖維胞壁的厚薄對(duì)制漿和纖維的質(zhì)量影響極大[3]。影響麻竹材纖維形態(tài)的主要因子包括年齡、竹稈垂直部位和竹稈水平部位等。研究2年生麻竹材不同竹桿部位纖維形態(tài)特征的差異，可以為麻竹材的定向培育及其纖維的高效合理利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 采集地概況 龍海林下國(guó)有林場(chǎng)位于在福建省龍海市九湖鎮(zhèn)，地處北緯24°11′～24°36′，東經(jīng)117°29′～118°14′。該地區(qū)年平均氣溫21℃，無霜期325 d，年平均降水量1 600 mm，年日照時(shí)數(shù)2 171 h，光熱水資源極其豐富。

1.1.2 試驗(yàn)采集 麻竹樣竹按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》(GB/T 15780-1995)的規(guī)定采集樣竹，在竹林分布均勻和生態(tài)條件相對(duì)一致的林分內(nèi)按規(guī)格伐取2年生樣竹15株。每株做好北向的標(biāo)記后離地0.5 m伐倒后標(biāo)號(hào)，從離竹稈基部開始向上依次截取5段2 m長(zhǎng)的竹段，再將最后面兩段去掉后端的1.5 m，留取前端的0.5 m作為第4段和第5段。樣竹情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取材 將采集的麻竹竹稈，在離地高度0.5、2.5、4.5、6.5、8.5 m處各截取長(zhǎng)度為5 cm左右的圓環(huán)，接著將15株2年生麻竹截取的所有圓環(huán)按0.5、2.5、4.5、6.5、8.5 m不同竹稈部位分類，共5組。在每個(gè)竹環(huán)的北向處截取5 mm寬的竹片，將測(cè)試竹片進(jìn)一步按壁厚三等分剖開，作為竹壁徑向部位即竹壁外側(cè)、中部和內(nèi)側(cè)的測(cè)定試樣。測(cè)定纖維長(zhǎng)度、寬度的試樣，每個(gè)竹齡15株；測(cè)定纖維壁厚、腔徑的試樣，每個(gè)竹齡3株。

1.2.2 麻竹材纖維長(zhǎng)度、寬度的測(cè)定 測(cè)定2年生麻竹材不同竹稈部位的纖維形態(tài)，將竹材依據(jù)其竹稈部位的不同進(jìn)行解剖、按照許爾茲法解離、制片。在數(shù)碼顯微鏡下，觀察并測(cè)量纖維的長(zhǎng)度、寬度，并計(jì)算長(zhǎng)寬比。

1.2.3 麻竹材纖維壁厚、腔徑的測(cè)定 將所取的麻竹試樣裝入試管，放入水浴鍋進(jìn)行蒸煮軟化，再利用單面刀片沿橫切面進(jìn)行切片并制片。在數(shù)碼顯微鏡下，觀察并測(cè)量纖維的寬度、腔徑，并計(jì)算雙壁厚和壁腔比。

2 結(jié)果與分析

纖維形態(tài)是影響紙張強(qiáng)度和質(zhì)量的重要因素，在研究植物的纖維形態(tài)與其制漿造紙性能之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)綜合考慮其纖維長(zhǎng)度及其頻率分布，寬度、長(zhǎng)寬比等影響因素[4-5]。

2.1 2年生麻竹不同竹稈部位纖維長(zhǎng)度和寬度的差異

纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比用于表示纖維形態(tài)與制漿適合度的關(guān)系。纖維愈長(zhǎng)，則紙頁撕裂度、耐破度和耐折度越大。長(zhǎng)寬比愈大，其撕裂強(qiáng)度、交織性、彈性、柔韌性愈高[6]。由圖1可知，不同竹稈部位纖維長(zhǎng)度存在一定的差異：竹稈離地高度4.5、6.5、2.5、0.5、8.5 m處纖維長(zhǎng)度均值為2 276.19、2 117.72、2 079.90、2 011.44、1 874.21 μm，依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維長(zhǎng)度變異特點(diǎn)為中層纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)(2 104.77 μm)，外層次之(2 087.25 μm)，內(nèi)層最短(2 023.66 μm)。

圖1 2年生麻竹不同竹稈部位和水平部位纖維的長(zhǎng)度的和寬度Fig.1 Fiber length and width of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

纖維寬度直接影響纖維的長(zhǎng)寬比，纖維寬度越小，纖維長(zhǎng)寬比則越大，對(duì)造紙就更有利[7]。由圖1可看出，竹稈離地高度2.5、0.5、8.5、4.5、6.5 m處的纖維寬度的均值分別為15.37、14.95、14.14、13.94、13.80 μm，依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維寬度變異特點(diǎn)為外層纖維最寬(15.03 μm)，中層次之(14.70 μm)，內(nèi)層最窄(13.59 μm)。

2.2 2年生麻竹不同竹稈部位纖維壁厚和腔徑的差異

麻竹材纖維的壁腔比是評(píng)定造紙和纖維板原料品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。由圖2可看出，竹稈離地高度方向纖維壁厚從大到小依次為2.5、8.5、6.5、4.5、0.5 m處的4.63、4.56、4.45、4.34、3.97 μm。水平方向竹壁纖維壁厚變異特點(diǎn)為外層最大為4.58 μm，中層為4.37 μm，內(nèi)層為4.22 μm。

圖2 2年生麻竹不同竹稈部位和水平部位纖維壁厚和腔徑Fig.2 Fiber wall thickness and cavity diameter of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

竹稈離地高度6.5、4.5、2.5、8.5、0.5 m處纖維腔徑依次為2.95、2.85、2.63、2.34、1.63 μm。水平方向竹壁纖維腔徑變異特點(diǎn)為內(nèi)層最大2.82 μm，外層次之2.33 μm，中層最小2.28 μm。

2.3 2年生麻竹不同竹稈部位纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比的差異

纖維長(zhǎng)寬比大的竹材強(qiáng)固性、割裂性好，適合做優(yōu)質(zhì)的造紙?jiān)蟍8]。因此，可使用纖維長(zhǎng)寬比表示纖維形態(tài)與制漿適合度的關(guān)系。由圖3可知，竹稈離地高度4.5 m處纖維長(zhǎng)寬比最大，6.5、8.5、2.5、0.5 m依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維長(zhǎng)寬比變異特點(diǎn)為內(nèi)層最大，中層次之，外層最小。

圖3 2年生麻竹不同竹稈部位和水平部位纖維長(zhǎng)寬比和壁腔比Fig.3 Ratio of fiber length to width and ratio of fiber wall thickness to cavity diameter of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground and different horizontal positions of the culm

纖維壁腔比是指纖維兩壁厚與纖維細(xì)胞腔直徑之比。纖維壁腔比是造紙工業(yè)衡量原料好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一[9-10]。由圖3可直接看出，竹稈離地高度0.5 m處纖維壁腔比最大，8.5、2.5、6.5、4.5 m依次呈下降趨勢(shì)。水平方向竹壁纖維壁腔比變異特點(diǎn)為外層最大，中層次之，內(nèi)層最小。

2.4 2年生麻竹材纖維長(zhǎng)度的頻率分布

纖維長(zhǎng)度的頻率分布是確定紙漿原料配合率的主要依據(jù)，此有助于紙漿質(zhì)量的穩(wěn)定和提高。根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)家協(xié)會(huì)理事會(huì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，纖維長(zhǎng)度分為3級(jí)：L≤900 μm為短纖維；900 μm≤L≤1 600 μm為中等纖維；L≥1 600 μm為長(zhǎng)纖維[11-12]。由圖4可知，2年生麻竹材的纖維長(zhǎng)度基本呈正態(tài)分布，纖維長(zhǎng)度在1.0 mm以下和2.5 mm以上的百分比相對(duì)較小，大部分的纖維長(zhǎng)度集中分布在大于1.5 mm區(qū)間約占70%左右，因此是屬于長(zhǎng)纖維類型。該區(qū)間是確定原料配比的主要依據(jù)。長(zhǎng)纖維占比最大時(shí)是在離地高度為4.5 m時(shí)，纖維長(zhǎng)度大于1.5 mm的占比超過84%，而長(zhǎng)纖維占比最小時(shí)則是在離地高度為8.5 m時(shí)，纖維長(zhǎng)度大于1.5 mm的占比只有68%。

圖4 2年生麻竹材纖維長(zhǎng)度的頻率分布Fig.4 Frequency distribution for fiber length of the two-year-old D. latiflorus with different heights above ground

3 結(jié)論與討論

本文研究了2年生麻竹不同竹稈部位纖維形態(tài)的差異并分析其影響規(guī)律，結(jié)果如下：

(1)2年生麻竹材纖維形態(tài)特征隨竹稈垂直部位變化表現(xiàn)為：竹稈離地高度方向在4.5 m處纖維長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比最大，在2.5 m處的纖維寬度和纖維壁厚最大，在6.5 m處纖維腔徑最大，在0.5 m處纖維壁腔比最大。

(2)2年生麻竹材纖維形態(tài)特征隨竹稈水平部位變化表現(xiàn)為：竹壁中層纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)，外層次之，內(nèi)層最短。竹壁外層纖維寬度最大，內(nèi)層最小。竹壁內(nèi)層纖維長(zhǎng)寬比最大，外層最小。竹壁外層纖維壁厚最大，內(nèi)層最小。竹壁內(nèi)層纖維腔徑最大，中層最小。纖維壁腔比在竹壁外層最大，內(nèi)層最小。

(3)越占70%的纖維長(zhǎng)度集中分布在大于1.5 mm的區(qū)間。長(zhǎng)纖維占比最大時(shí)是在離地高度為4.5 m處，而長(zhǎng)纖維占比最小時(shí)則是在離地高度為8.5 m處。

[1] 鄭蓉, 許信玲, 林麗娜,等. 福建省麻竹種源造林試驗(yàn)初報(bào)[J]. 福建林業(yè)科技, 2002, 29(4):27-30.

[2] Zakikhani P, Zahari R, Sultan M T H,etal. Extraction and preparation of bamboo fibre-reinforced composites[J]. Materials & Design, 2014, 63(2):820-828.

[3] 蔣建新, 楊中開, 朱莉偉,等. 竹纖維結(jié)構(gòu)及其性能研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(1):128-132.

[4] 蔡杰, 張倩, 雷苗,等. 竹纖維素乙酰化改性及其納米纖維的制備[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 1(3).80-84.

[5] Yu Y, Wang H, Lu F,etal. Bamboo fibers for composite applications: a mechanical and morphological investigation[J]. Journal of Materials Science, 2014, 49(6):2559-2566.

[6] Wang F, Shao J, Keer L M,etal. The effect of elementary fibre variability on bamboo fibre strength[J]. Materials & Design, 2015, 75:136-142.

[7] 王曙光, 普曉蘭, 丁雨龍,等. 云南箭竹纖維形態(tài)變異規(guī)律[J]. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 26(4):528-532.

[8] 陳艷希. 竹漿粕制漿工藝及其機(jī)理的研究[D]. 福建農(nóng)林大學(xué), 2010.

[9] 唐國(guó)建, 楊金梅, 王曙光,等. 云龍箭竹纖維形態(tài)、化學(xué)成分及用作造紙?jiān)峡尚行匝芯縖J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2015, 30(4):240-245.

[10] Zheng Z, Mcdonald J, Khillan R,etal. Layer-by-layer nanocoating of lignocellulose fibers for enhanced paper properties.[J]. Journal of Nanoscience & Nanotechnology, 2006, 6(3):624-32.

[11] 尚新龍, 毛騰飛, 管鑫,等. 天然竹筒內(nèi)竹纖維的分布規(guī)律研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2013(3):93-96.

[12] Wei X, Leitch M, Auty D,etal. Radial trends in black spruce wood density can show an age- and growth-related decline[J]. Annals of Forest Science, 2014, 71(5):603-615.

Difference in Fiber Morphological Properties of Two-year-oldDendrocalamuslatiflorus

LI Quan1，2，LIN Jin-guo2

(1.Kaili University, Kaili 556011, Guizhou, China; 2.College of Material Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China)

The impacts of different culm positions on fiber length, width, the ratio of length to width, double wall thickness, cavity diameter and the ratio of wall thickness to cavity diameter of two-year-oldD.latifloruswere analyzed. The results showed that the fiber morphology of the two-year-oldD.latiflorusvaried with the vertical positions of the culm. The fiber length and ratio of length to width reached the max at the height of 4.5 m above ground, while the fiber width and wall thickness attained the max at the height of 2.5 m, fiber cavity diameter in the 6.5 m, and the ratio of wall thickness to cavity diameter in the 0.5 m above ground. The fiber morphology of the two-year-oldD.latiflorusalso varied with horizontal positions of the culm. The fiber length of the middle layer of bamboo culm was the maximum, and that of the inner layer was the minimum. The fiber width, wall thickness and the ratio of fiber wall thickness to cavity diameter, reached the maximum in the outer layer，and the minimum in the, inner layer. The ratio of fiber length to width in the inner layer was the maximum, in the outer layer was the minimum. The cavity diameter in the inner layer was the maximum, in the middle layer was the minimum. The fiber length was longer than 1.5 mm mostly, accounting for about 70%. These may provide an important basis for oriented cultivation and effective utilization ofDendrocalamuslatiflorus.

Dendrocalamuslatiflorus; Culm position; Fiber morphology

2016-11-07

福建省財(cái)政廳科研基金資助項(xiàng)目“進(jìn)口木材特性與鑒別關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣”(K8115004A)；貴州省科技合作計(jì)劃(黔科合LH字[2015]7751號(hào))；貴州省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃(黔教合KY字[2015]508)。

李權(quán)，副教授，博士，從事木材科學(xué)研究。通信作者：林金國(guó)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事木材科學(xué)方面的研究。E-mail: fjlinjg@126.com