竹材材材性與加工利用的研究現狀

竹子是一種具有強大生態功能的植物。它在中國、日本、德國和印度等地的竹材研究中得到了更多的研究和利用。本文在闡述竹子資源的基礎上,分析了國內竹材材性與利用研究的進展,提出了一些意見與建議,以期為我國竹材資源研究與利用提供參考。1竹子分布特點全球竹子約78屬,1400多種,其中35屬為散生竹。地球表面的水熱分布決定了竹子的地理分布,全球分為三大竹產區:一是亞太竹區,約50屬,900余種,1400萬hm2,其中3/5為叢生竹,2/5為散生竹,除青籬竹屬的A.gigantea和A.tecta分布在北美以外,其余散生竹都集中在亞洲;二是美洲竹區,約20屬,300余種,160萬hm2,除青籬竹屬為散生竹,其余17屬均為叢生竹,主要利用的竹種是瓜多竹(GuaduaKunth);三是非洲竹區,約14屬,50種,150萬hm2。中國是世界竹類起源的中心,約42屬,500余種,484.26萬hm2,散生竹約400萬hm2,其中竹林面積最大的是毛竹,337.20萬hm2,占69.63%。近年來竹林面積逐年增加,據全國森林資源統計到2005年全國竹林面積增加到484.26萬hm2。竹子的分布受氣候、土壤、地形和竹子生物學特性的影響,呈明顯的區域性和地帶性,如福建、江西、浙江、湖南、廣東、四川6省竹林面積占全國的75.78%。按竹子生長特點可分為三大竹區:一是散生竹區,位于黃河與長江之間,主要以剛竹屬散生竹種為主,也有部分混生型的苦竹、箭竹等。二是混合竹區,位于長江以南,南嶺以北,該區散生竹種主要有毛竹、剛竹、淡竹、石竹、早竹等;叢生竹種有慈竹、孝順竹等;混生型的有箬竹、苦竹等。三是叢生竹區,主要分布在華南一帶,主要竹種有青皮竹、撐篙竹、麻竹、甜竹、龍竹等。2竹材材料2.1不同竹種的材料性2.1.1竹材密度、形態及理化性質研究毛竹是國內竹林面積最大、生物量大的一種優質材用、筍用散生竹種。毛竹的材性研究主要包括解剖構造、物理力學和化學性質。解剖構造與力學性質、化學性質、材性改良和加工利用密切相關。馬靈飛等測定了毛竹竹材纖維形態、組織比量、纖維素含量和基本密度以及這些指標的變異規律,指出培育經營小徑級毛竹對制漿造紙更有利。張齊生等對處于生長期的異齡毛竹的纖維壁厚變化進行了較細致的研究,發現纖維壁厚由竹黃至竹青逐漸增至最大后略有減小;纖維壁厚隨竹齡的增加呈對數增長,且低齡毛竹纖維壁厚增長速度較快,至7齡時增長較慢。王朝暉等采用單色X射線直接掃描法得出了毛竹竹材密度徑向連續變化曲線,為竹材的徑向分級利用提供了理論依據。丁雨龍等從發育生物學角度探討了毛竹纖維細胞的形成機理及生長季節對纖維細胞生長發育的影響,為竹材解剖構造的研究拓寬了思路。余觀夏等將圖像處理技術運用到竹材細胞壁構造的形態分析,研究了毛竹從竹筍到成竹整個生長階段橫截面細胞壁結晶區的變化、形態和微管束橫截面中的纖維帽、篩管、薄壁細胞等各部分結晶區的形成過程以及分布特征,應用閥值分割法得到了微管束中結晶區大小的變化規律。除密度、含水率、干縮外,毛竹物理力學性質還涉及竹材動切變模量、熱力學特性等。阮錫根等用X射線衍射儀和電子密度儀測出毛竹的動切變彈性模量、動切變耗散模量均隨密度和微纖絲角余弦的增大而增大。韓健等用閃光法、比較法和直線法分別測量了竹材縱向比熱CP和熱擴散率а、竹材密度ρ,并推導出導熱系數λ(λ=418.68CPρ),對竹材的熱處理加工有一定指導意義。劉志坤等按照纖維增強復合材料的觀點,將竹材中的纖維束視為纖維增強組分,薄壁組織視為基體組分,測定這兩個組分含量及相應性能指標后,確定了竹材不同部位及不同層次的宏觀力學性能,但只研究了抗拉彈性模量及抗拉強度。竹材物理力學性質是衡量竹材最終用途的重要指標之一,且與解剖構造和化學性質密切相關,深入開展這些相關性研究對竹材加工利用非常必要。對竹材化學性質的研究多年來主要集中在年齡、立地條件、海拔、竹種等因素對纖維素、半纖維素、木質素等各組分的影響上。多數研究認為,從竹稈基部到稍部纖維素含量逐漸增加。纖維素含量多,對造紙有利,但在實際上稈稍部往往在竹林里就棄掉了,造成很大的浪費。也有關于從嫩竹到成熟竹期間毛竹化學成分的變化規律的研究,但研究還不夠詳細,如能弄清楚竹子化學成分從竹筍到成熟竹期間的變化規律及影響因素,將對竹類植物的改良和培育起到一定的推動作用。2.1.2竹材的形態和理化性質除毛竹外,國內學者還對大木竹、料慈竹、雷竹、苦竹、龍竹等竹種開展了研究。對云南黃竹和龍竹的物理和化學性能研究表明,兩種叢生竹的物理力學性能均達到了建筑材料的性能要求。顧小平等研究了大木竹稈形結構、纖維形態、組織比量、化學成分,指出相同胸徑的大木竹的全高、鮮稈質量大于毛竹,尖削度較毛竹略小,其纖維形態能可與造紙性能良好的青皮竹相媲美。俞友明等研究了雷竹、苦竹、紅殼竹、方竹竹材物理力學性質變異規律,研究表明竹齡是竹材力學性質最主要的影響因素,苦竹在3~5年物理力學性質較穩定;紅殼竹在5~6年達到最大值。顧練百等對龍竹的干燥特性研究指出無節部位徑向干縮率大于弦向干縮率,節子部位徑向干縮率小于弦向干縮率。關明杰等研究了甜竹竹材的干縮性、纖維飽和點、不同含水率下黃竹的徑向和弦向干縮率及徑向、弦向纖維飽和點。除毛竹外,還有很多竹種分布廣、生物量大,為了能更好地利用這些竹材資源,有必要對其開展材性研究。2.2立地條件對竹材材性的影響竹子生長環境和培育措施對竹材材性的影響非常復雜,它們可以通過竹子的生理過程對材性產生影響。丁貴杰等研究了海拔高度對毛竹竹材的影響后指出:海拔影響竹材的纖維長度、寬度與長寬比,與胸徑、纖維長度和寬度呈負相關(r=-0.3623與-0.3907)。鄭蓉對江西l4個毛竹主產區的毛竹力學性質研究指出:立地條件對竹材材性有一定的影響;土壤厚度對最大壓應力、最大剪應力、抗彎彈性模量有顯著影響;抗彎強度、抗拉強度、抗壓強度和壓縮模量受立地因子的影響很小;土壤質地、有機質和速效P影響竹材的抗拉彈性模量。俞友明等研究表明:地位級顯著影響雷竹竹材的基本密度、徑向、弦向和體積全干縮、順紋抗壓強度、順紋抗拉強度和弦向抗彎強度。培育是材性變異的根源,竹材材性與培育的相關關系研究還較少,還應加強這方面的研究。2.3竹材干燥特性竹材材性與竹材切削、干燥、表面潤濕、防腐處理等加工處理過程之間密切相關。影響竹材切削力的因素有微觀構造、密度、含水率等。竹黃部位微管束分布較疏,所需主切削力較小,竹青部位微管束分布密集,主切削力較大;端面主切削力大于縱向大于橫向。竹材密度與切削力呈明顯的正相關性。隨著含水率的增加,竹材韌性增大,所需主切削力增加,當含水率超過33.6%之后,隨含水率的進一步增加,竹材軟化作用明顯,主切削力緩慢下降。由于竹材不具有橫向組織,竹材在干燥時水分主要沿縱向排除,其次為弦向。對竹材的干燥特性研究表明,徑向干縮率大于弦向干縮率,試件尺寸大小對干縮率沒有直接關系;縱向干燥速度大于弦向和徑向,試件長度會影響干燥速度。表面粗糙度、抽提物的含量和分布是影響竹材表面潤濕性的主要因素。竹材表面具有穩定的路易絲-范德華力,其數值大小不受竹材表面的化學成分的影響。表面自由能是以路易絲-范德華力為主體,自由能差異主要由竹材表面的酸堿度引起。竹材的表面自由能約為0.0535J.m-2,老化會使竹材表面的自由基數目減少,從而導致表面潤濕性的降低。竹青富含硅質物質,竹黃有大量保護性纖維,因此竹材的防腐處理比較困難。在竹材防護處理時,化學物質的主要滲透路徑是位于橫切面上維管束的后生木質部,其次是薄壁細胞。橫切面上維管束的后生木質部分布很不均勻,含量也只有總面積的8%~10%,而且當化學物質通過竹節時其流動方向會發生改變;薄壁細胞是竹稈組織的主要部分,通過微小的紋孔互相連接且富含淀粉,化學藥劑只能通過彌散進入。用化學物質進行處理時,新鮮的高含水率的竹稈效果最好。如簡單的根部處理或技術性較強的細胞液改善,新鮮竹稈的薄壁組織和纖維都能通過垂直彌散的方法得到保護。如果進行滴漬和浸漬工作,最好在竹材含水率較高時劈開,因為薄壁組織容易接受彌散。3竹材的加工3.1竹材的研制和利用為了緩減木材供需緊張,20世紀70年代中期提出了“以竹代木”的設想。1975年,國內第一條竹編膠合板生產線在四川雙流農資公司建立。此后,科研單位和高校成為竹材人造板研發的主導力量。中國林科院開展了分級竹簾人造板、竹刨花模壓制品、結構用重組竹、竹材層積材的生產工藝、配套設備、應用技術及基礎理論研究,成功研制出竹材MDF,并且在國家“十五”攻關項目技術的支持下,2004年在云南省屏邊小學建成了第一所用竹集成材和竹膠合板制作的建筑。中科院力學所以竹材為增強材料研制出竹塑復合層壓板。南京林業大學以竹材為原料成功研制出高強度竹材層積材;以小徑竹為原料研制出結構用材——重組竹、竹木復合集裝箱底板、竹材編織層積材、竹片-竹簾復合板。此外,還開展了竹材定向刨花板、竹材復合板的研制。中南林學院成功研制出竹基混泥土模板、竹簾膠合板、竹材碎料復合板、高強竹簾-竹席膠合板;此外,還與福建林科院合作研制出徑向竹篾竹簾膠合板、徑向竹簾層積混泥土模板。這兩種產品不僅物理力學性能良好,還大大提高了竹材利用率。浙江林學院研制出的竹材刨花板,各項性能指標都超過了木材刨花板一級品標準。西南林學院以竹材為原料研制出了具有良好裝飾性和耐磨性的系列竹地板,并獲得了國家專利。3.2孔性的提高竹炭是近幾年來剛剛興起的一種功能材料。它具有良好的吸附性、調濕性、抗菌性、負離子功能和遠紅外線放射率,在服裝和家居裝飾、紡織用品領域以及化妝品行業有很大開發潛力。竹炭的多孔性決定了其超強的吸附功能。據研究,竹炭可作為理想的除鉛吸附材料、飲水除氟材料,對苯酚、甲醛也有較強的吸附性能,如250目竹炭對苯酚的最大吸附值為73.4mg/g。竹炭還有很多生物用途,據研究竹炭顆粒能改善土壤的理化性質,提高土壤的pH值、孔隙度和持水率,提高植物N、P、K,Ca、Mg、Fe的含量,分解和吸附Cu、Zn、Mn等重金屬元素,促進植物根、莖、葉生長和花蕾的形成。竹炭紡織是把竹炭加入聚酯中制成竹炭聚酯切片,再以此抽絲成纖維,織成不同紡織品,現已開發的竹炭紡織品有竹炭床墊和竹炭枕頭、竹炭床上用品等。3.3有機成型組成竹醋液是將竹炭制作過程中所產生的煙霧收集起來,經冷凝、存放、精制后獲得的一種淡黃色的弱酸性液體,含有200多種有機成份。據研究竹醋液有很強的抑菌作用,對某些殺蟲劑有增效作用;具有抗氧化性、祛痰鎮咳作用;對植物有促進生長、延緩衰老的作用,例如能延長鮮花觀賞期;濃度為0.1%~0.01%竹醋液對金針菇生長有促進作用。3.4竹材的保健功能竹纖維紡織品是近年開發的一種新產品,具有良好的透氣性、獨特的回彈性、防紫外線性能、瞬間吸水性、優良的著色性、懸垂性、耐磨性、抗菌性,還有較強的縱向和橫向強度,其吸濕放濕性、透氣性居各纖維之首,被譽為2l世紀最具發展前景的健康面料,自面世以來得到國際紡織界的極大關注。目前市場上出現的天然竹纖維在力學性能上為高強低伸型;在衛生保健功能上具有明顯優于苧麻的抗菌性和防紫外線性能;在熱濕舒適性能上,與苧麻相當;耐熱性好于棉、亞麻纖維,與苧麻相當,熱穩定性稍遜于苧麻;耐酸性能與苧麻略有不同。4竹材的質量化國內在竹材材性方面的研究,主要涉及竹材解剖構造、物理力學性質、化學性質和加工利用等。在眾多竹子中,毛竹的研究利用相對較全面,毛竹的基本材性研究為其它竹種的研究利用奠定了一定基礎。其它竹種竹材材性的系統研究目前還比較少,僅大木竹、雷竹、紅殼竹等十幾種竹材有一些報道,應繼續開展其竹材纖維細胞壁構造、纖維細胞的木質化過程、竹材在加工利用過程中流體在細胞中的流