竹材材材性与加工利用的研究现状

竹材材材性与加工利用的研究现状

竹子是一种具有强大生态功能的植物。它在中国、日本、德国和印度等地的竹材研究中得到了更多的研究和利用。本文在阐述竹子资源的基础上,分析了国内竹材材性与利用研究的进展,提出了一些意见与建议,以期为我国竹材资源研究与利用提供参考。1竹子分布特点全球竹子约78属,1400多种,其中35属为散生竹。地球表面的水热分布决定了竹子的地理分布,全球分为三大竹产区:一是亚太竹区,约50属,900余种,1400万hm2,其中3/5为丛生竹,2/5为散生竹,除青篱竹属的A.gigantea和A.tecta分布在北美以外,其余散生竹都集中在亚洲;二是美洲竹区,约20属,300余种,160万hm2,除青篱竹属为散生竹,其余17属均为丛生竹,主要利用的竹种是瓜多竹(GuaduaKunth);三是非洲竹区,约14属,50种,150万hm2。中国是世界竹类起源的中心,约42属,500余种,484.26万hm2,散生竹约400万hm2,其中竹林面积最大的是毛竹,337.20万hm2,占69.63%。近年来竹林面积逐年增加,据全国森林资源统计到2005年全国竹林面积增加到484.26万hm2。竹子的分布受气候、土壤、地形和竹子生物学特性的影响,呈明显的区域性和地带性,如福建、江西、浙江、湖南、广东、四川6省竹林面积占全国的75.78%。按竹子生长特点可分为三大竹区:一是散生竹区,位于黄河与长江之间,主要以刚竹属散生竹种为主,也有部分混生型的苦竹、箭竹等。二是混合竹区,位于长江以南,南岭以北,该区散生竹种主要有毛竹、刚竹、淡竹、石竹、早竹等;丛生竹种有慈竹、孝顺竹等;混生型的有箬竹、苦竹等。三是丛生竹区,主要分布在华南一带,主要竹种有青皮竹、撑篙竹、麻竹、甜竹、龙竹等。2竹材材料2.1不同竹种的材料性2.1.1竹材密度、形态及理化性质研究毛竹是国内竹林面积最大、生物量大的一种优质材用、笋用散生竹种。毛竹的材性研究主要包括解剖构造、物理力学和化学性质。解剖构造与力学性质、化学性质、材性改良和加工利用密切相关。马灵飞等测定了毛竹竹材纤维形态、组织比量、纤维素含量和基本密度以及这些指标的变异规律,指出培育经营小径级毛竹对制浆造纸更有利。张齐生等对处于生长期的异龄毛竹的纤维壁厚变化进行了较细致的研究,发现纤维壁厚由竹黄至竹青逐渐增至最大后略有减小;纤维壁厚随竹龄的增加呈对数增长,且低龄毛竹纤维壁厚增长速度较快,至7龄时增长较慢。王朝晖等采用单色X射线直接扫描法得出了毛竹竹材密度径向连续变化曲线,为竹材的径向分级利用提供了理论依据。丁雨龙等从发育生物学角度探讨了毛竹纤维细胞的形成机理及生长季节对纤维细胞生长发育的影响,为竹材解剖构造的研究拓宽了思路。余观夏等将图像处理技术运用到竹材细胞壁构造的形态分析,研究了毛竹从竹笋到成竹整个生长阶段横截面细胞壁结晶区的变化、形态和微管束横截面中的纤维帽、筛管、薄壁细胞等各部分结晶区的形成过程以及分布特征,应用阀值分割法得到了微管束中结晶区大小的变化规律。除密度、含水率、干缩外,毛竹物理力学性质还涉及竹材动切变模量、热力学特性等。阮锡根等用X射线衍射仪和电子密度仪测出毛竹的动切变弹性模量、动切变耗散模量均随密度和微纤丝角余弦的增大而增大。韩健等用闪光法、比较法和直线法分别测量了竹材纵向比热CP和热扩散率а、竹材密度ρ,并推导出导热系数λ(λ=418.68CPρ),对竹材的热处理加工有一定指导意义。刘志坤等按照纤维增强复合材料的观点,将竹材中的纤维束视为纤维增强组分,薄壁组织视为基体组分,测定这两个组分含量及相应性能指标后,确定了竹材不同部位及不同层次的宏观力学性能,但只研究了抗拉弹性模量及抗拉强度。竹材物理力学性质是衡量竹材最终用途的重要指标之一,且与解剖构造和化学性质密切相关,深入开展这些相关性研究对竹材加工利用非常必要。对竹材化学性质的研究多年来主要集中在年龄、立地条件、海拔、竹种等因素对纤维素、半纤维素、木质素等各组分的影响上。多数研究认为,从竹秆基部到稍部纤维素含量逐渐增加。纤维素含量多,对造纸有利,但在实际上秆稍部往往在竹林里就弃掉了,造成很大的浪费。也有关于从嫩竹到成熟竹期间毛竹化学成分的变化规律的研究,但研究还不够详细,如能弄清楚竹子化学成分从竹笋到成熟竹期间的变化规律及影响因素,将对竹类植物的改良和培育起到一定的推动作用。2.1.2竹材的形态和理化性质除毛竹外,国内学者还对大木竹、料慈竹、雷竹、苦竹、龙竹等竹种开展了研究。对云南黄竹和龙竹的物理和化学性能研究表明,两种丛生竹的物理力学性能均达到了建筑材料的性能要求。顾小平等研究了大木竹秆形结构、纤维形态、组织比量、化学成分,指出相同胸径的大木竹的全高、鲜秆质量大于毛竹,尖削度较毛竹略小,其纤维形态能可与造纸性能良好的青皮竹相媲美。俞友明等研究了雷竹、苦竹、红壳竹、方竹竹材物理力学性质变异规律,研究表明竹龄是竹材力学性质最主要的影响因素,苦竹在3~5年物理力学性质较稳定;红壳竹在5~6年达到最大值。顾练百等对龙竹的干燥特性研究指出无节部位径向干缩率大于弦向干缩率,节子部位径向干缩率小于弦向干缩率。关明杰等研究了甜竹竹材的干缩性、纤维饱和点、不同含水率下黄竹的径向和弦向干缩率及径向、弦向纤维饱和点。除毛竹外,还有很多竹种分布广、生物量大,为了能更好地利用这些竹材资源,有必要对其开展材性研究。2.2立地条件对竹材材性的影响竹子生长环境和培育措施对竹材材性的影响非常复杂,它们可以通过竹子的生理过程对材性产生影响。丁贵杰等研究了海拔高度对毛竹竹材的影响后指出:海拔影响竹材的纤维长度、宽度与长宽比,与胸径、纤维长度和宽度呈负相关(r=-0.3623与-0.3907)。郑蓉对江西l4个毛竹主产区的毛竹力学性质研究指出:立地条件对竹材材性有一定的影响;土壤厚度对最大压应力、最大剪应力、抗弯弹性模量有显著影响;抗弯强度、抗拉强度、抗压强度和压缩模量受立地因子的影响很小;土壤质地、有机质和速效P影响竹材的抗拉弹性模量。俞友明等研究表明:地位级显著影响雷竹竹材的基本密度、径向、弦向和体积全干缩、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度。培育是材性变异的根源,竹材材性与培育的相关关系研究还较少,还应加强这方面的研究。2.3竹材干燥特性竹材材性与竹材切削、干燥、表面润湿、防腐处理等加工处理过程之间密切相关。影响竹材切削力的因素有微观构造、密度、含水率等。竹黄部位微管束分布较疏,所需主切削力较小,竹青部位微管束分布密集,主切削力较大;端面主切削力大于纵向大于横向。竹材密度与切削力呈明显的正相关性。随着含水率的增加,竹材韧性增大,所需主切削力增加,当含水率超过33.6%之后,随含水率的进一步增加,竹材软化作用明显,主切削力缓慢下降。由于竹材不具有横向组织,竹材在干燥时水分主要沿纵向排除,其次为弦向。对竹材的干燥特性研究表明,径向干缩率大于弦向干缩率,试件尺寸大小对干缩率没有直接关系;纵向干燥速度大于弦向和径向,试件长度会影响干燥速度。表面粗糙度、抽提物的含量和分布是影响竹材表面润湿性的主要因素。竹材表面具有稳定的路易丝-范德华力,其数值大小不受竹材表面的化学成分的影响。表面自由能是以路易丝-范德华力为主体,自由能差异主要由竹材表面的酸碱度引起。竹材的表面自由能约为0.0535J.m-2,老化会使竹材表面的自由基数目减少,从而导致表面润湿性的降低。竹青富含硅质物质,竹黄有大量保护性纤维,因此竹材的防腐处理比较困难。在竹材防护处理时,化学物质的主要渗透路径是位于横切面上维管束的后生木质部,其次是薄壁细胞。横切面上维管束的后生木质部分布很不均匀,含量也只有总面积的8%~10%,而且当化学物质通过竹节时其流动方向会发生改变;薄壁细胞是竹秆组织的主要部分,通过微小的纹孔互相连接且富含淀粉,化学药剂只能通过弥散进入。用化学物质进行处理时,新鲜的高含水率的竹秆效果最好。如简单的根部处理或技术性较强的细胞液改善,新鲜竹秆的薄壁组织和纤维都能通过垂直弥散的方法得到保护。如果进行滴渍和浸渍工作,最好在竹材含水率较高时劈开,因为薄壁组织容易接受弥散。3竹材的加工3.1竹材的研制和利用为了缓减木材供需紧张,20世纪70年代中期提出了“以竹代木”的设想。1975年,国内第一条竹编胶合板生产线在四川双流农资公司建立。此后,科研单位和高校成为竹材人造板研发的主导力量。中国林科院开展了分级竹帘人造板、竹刨花模压制品、结构用重组竹、竹材层积材的生产工艺、配套设备、应用技术及基础理论研究,成功研制出竹材MDF,并且在国家“十五”攻关项目技术的支持下,2004年在云南省屏边小学建成了第一所用竹集成材和竹胶合板制作的建筑。中科院力学所以竹材为增强材料研制出竹塑复合层压板。南京林业大学以竹材为原料成功研制出高强度竹材层积材;以小径竹为原料研制出结构用材——重组竹、竹木复合集装箱底板、竹材编织层积材、竹片-竹帘复合板。此外,还开展了竹材定向刨花板、竹材复合板的研制。中南林学院成功研制出竹基混泥土模板、竹帘胶合板、竹材碎料复合板、高强竹帘-竹席胶合板;此外,还与福建林科院合作研制出径向竹篾竹帘胶合板、径向竹帘层积混泥土模板。这两种产品不仅物理力学性能良好,还大大提高了竹材利用率。浙江林学院研制出的竹材刨花板,各项性能指标都超过了木材刨花板一级品标准。西南林学院以竹材为原料研制出了具有良好装饰性和耐磨性的系列竹地板,并获得了国家专利。3.2孔性的提高竹炭是近几年来刚刚兴起的一种功能材料。它具有良好的吸附性、调湿性、抗菌性、负离子功能和远红外线放射率,在服装和家居装饰、纺织用品领域以及化妆品行业有很大开发潜力。竹炭的多孔性决定了其超强的吸附功能。据研究,竹炭可作为理想的除铅吸附材料、饮水除氟材料,对苯酚、甲醛也有较强的吸附性能,如250目竹炭对苯酚的最大吸附值为73.4mg/g。竹炭还有很多生物用途,据研究竹炭颗粒能改善土壤的理化性质,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等重金属元素,促进植物根、茎、叶生长和花蕾的形成。竹炭纺织是把竹炭加入聚酯中制成竹炭聚酯切片,再以此抽丝成纤维,织成不同纺织品,现已开发的竹炭纺织品有竹炭床垫和竹炭枕头、竹炭床上用品等。3.3有机成型组成竹醋液是将竹炭制作过程中所产生的烟雾收集起来,经冷凝、存放、精制后获得的一种淡黄色的弱酸性液体,含有200多种有机成份。据研究竹醋液有很强的抑菌作用,对某些杀虫剂有增效作用;具有抗氧化性、祛痰镇咳作用;对植物有促进生长、延缓衰老的作用,例如能延长鲜花观赏期;浓度为0.1%~0.01%竹醋液对金针菇生长有促进作用。3.4竹材的保健功能竹纤维纺织品是近年开发的一种新产品,具有良好的透气性、独特的回弹性、防紫外线性能、瞬间吸水性、优良的着色性、悬垂性、耐磨性、抗菌性,还有较强的纵向和横向强度,其吸湿放湿性、透气性居各纤维之首,被誉为2l世纪最具发展前景的健康面料,自面世以来得到国际纺织界的极大关注。目前市场上出现的天然竹纤维在力学性能上为高强低伸型;在卫生保健功能上具有明显优于苎麻的抗菌性和防紫外线性能;在热湿舒适性能上,与苎麻相当;耐热性好于棉、亚麻纤维,与苎麻相当,热稳定性稍逊于苎麻;耐酸性能与苎麻略有不同。4竹材的质量化国内在竹材材性方面的研究,主要涉及竹材解剖构造、物理力学性质、化学性质和加工利用等。在众多竹子中,毛竹的研究利用相对较全面,毛竹的基本材性研究为其它竹种的研究利用奠定了一定基础。其它竹种竹材材性的系统研究目前还比较少,仅大木竹、雷竹、红壳竹等十几种竹材有一些报道,应继续开展其竹材纤维细胞壁构造、纤维细胞的木质化过程、竹材在加工利用过程中流体在细胞中的流