摘 要：
在查阅国内外竹材材性研究文献的基础上,系统总结了竹材解剖、物理性质研究的进展。竹类植物具有生长快、产量高、生态功能强等特点,近年来,许多国家和地区大力发展竹类植物的栽培种植,不仅促进了生态环境改善,而且还为社会经济发展提供了原材料。因此,竹材这种绿色环保材料的经济、生态和社会效益将会日益突出。科学技术的进步也极大地促进了竹类产业的迅速发展。竹材的工业化利用, 使竹材大幅度增值,应用前景更加广阔。竹材的利用促进了相关研究人员对竹材的性质、竹类资源的培育及其开发利用等多个方面进行研究。本文拟就竹材的有关材料物理性质的研究进展及开发利用情况进行文献综述。
关键词：竹材；解剖特征；物理性质
1 竹材的解剖特征
竹材的解剖特征与其物理力学性质密切相关,并直接影响其防腐处理、干燥和加工利用。
1.1 显微及超微构造
竹材解剖构造与木材差别很大,竹材由节和节间组成,竹秆的外部是由几层表皮细胞组成, 最外部覆盖着腊层,秆内部是由无数的薄壁细胞和微管束组成, 竹材节间细胞都是轴向细胞, 没有木材中的横向射线细胞。早在1955年, 温太辉[1]等对中国竹类的维管束解剖形态进行了研究。20世纪60年代初,李正理等对中国14个属24种竹秆微管束解剖形态进行了研究,把中心一侧增生纤维股的现象作为划分丛生竹与散生竹的依据, 此研究推进了利用解剖特征为依据对竹材的系统分类的进程[2]。1971 年, Grosser和Liese 根据竹材横截面微管束的形态、大小和排列等特征,对14个属52种竹材进行研究后, 提出开放型、紧腰型 、断腰型和双断腰型4种微管束类型,并以此为依据将竹材分为5个类型[3]。1933年,腰希申等采用独特的炭化制样方法, 研究了国产竹材33属71种的显微和超微结构,对竹秆的表面微面形态,竹秆表皮层、皮层,外部、中部、内部微管束的类型,导管、筛管、髓腔外围组绢的组织比量等进行了观察、分析、测量并加以说明;并以微管束的类型及其它解剖特征进行归纳分类,列出分属特征检索表,该项研究具对竹材分类、鉴别竹种具有重要价值[4]。20 世纪90年代末, 周芳纯等对竹材的竹秆、竹节、竹壁的形态和构造,33个竹种内部的组织比量、纤维和导管形态特征沿竹壁厚度方向和竹秆高度方向的变异等进行了较为系统的归纳总结[5] 。
2001 年, Kiyoshi Suzuki 和 Takao Itoh[6]利用快速冷冻蚀刻电子显微镜技术研究了罗汉竹( phyllostachys aurea Carr.)不同发育阶段的结构特征,第一次报道了木质化和未木质化竹材细胞壁的空间结构,主要结论有:未木质化纤维的初生壁在微纤丝间有窄的空间, 但是薄壁细胞中没有;未木质化的次生壁主要由密集的具裂缝状的孔隙的微纤丝构成,然而此类孔隙在木质化的次生壁中难以观察到, 而脱木素后的纤维次生壁显示出与初生壁类似的孔隙,在未木质化的纤维在木质化的次生壁中难以观察到, 而脱木素后的纤维次生壁显示出与初生壁类似的孔隙, 在未木质化的纤维的次生壁中的孔隙在木质化后降低很多或消失, 这表明未木质化的纤维次生壁的木质素的沉积是在微纤丝的孔隙之间进行的。另外, 竹材的初生和次生纤维细胞壁中孔隙的大小比桉树和松树中的小得多。作者推测竹材纤维微纤丝间窄的空间可能是竹材比木材沉积木质素较少的原因之一。
1.2 竹材的解剖特征对其渗透性的影响
Satish Kumar 和 P B Dobriyal[7] 研究了牡竹材( Dendrocalamus strictus Ness) 的流通路径,结果表明:杂酚油对竹材容易渗透,而水溶性盐(硝酸银)的渗透较差;从竹壁外层向内层,由于结构组成变化大,渗透性差别也大, 杂酚油渗透处理内层的微管束效果最好,后生木质部中大的导管比原生木质部中的小导管输导好, 和后生木质部接近的纤维比与韧皮部以及原生木质部接近的纤维渗透好,与微管束相邻的薄壁组织即使已经木质化了对杂酚油也具有好的渗透性,但对水溶性盐的渗透性很差。吴顺昭[8]等对台湾产竹材解剖特征与渗透性关系进行了研究,得到了竹材渗透深度和水分移动与解剖性质间有极显著的相关关系的结论。
1.3 竹材的解剖特征对其力学性能的影响
冼杏娟等[9] 对毛竹( Phyllostachys pubescens) 和撑蒿竹( Bambusa pervariabilis) 的研究结果显示:竹材微管束从竹壁外层向内逐渐减少,从一束和一根纤维截面看,内层纤维的中心孔腔的空间及细胞间隙要大一些, 因此竹材的密度自表皮向内层逐渐降低,内层密度约为外层的 60 , 抗弯和抗拉强度和弹性模量亦随之降低。通过大量的试验,冼杏娟建立了不同竹壁位置的纤维体积含量的竹材试件的弹性模量估计部 分的微管束顺纹抗拉强度、竹材的顺纹抗拉强度、微管束的数量和面积百分数,并得到对竹壁外、中、内单元竹材抗拉强度估计的经验公式。杨云芳等将毛竹材视为微管束增强的单向复合材料,研究了竹材微管束和薄壁细胞含量沿壁厚和竹竿高度的变异, 并得到其顺纹抗拉弹性模量分别为 27 .60 Gpa 和 6 .06 Gpa,抗拉强度分别为 547 .68 Mpa 和 74 .60 MPa[11] 。
2 竹材的物理性质
国内外对竹材的物理性质研究很多, 重点在密度、含水率 、吸水性和湿胀干缩等方面, 而在热学、电学、声学方面研究较少。密度是工程材料重要的物理性质, 与材料的力学性能关系密切。含水率对木材的尺寸稳定性和力学性能影响很大。吸水性和湿胀干 缩对竹材的尺寸稳定性影响很大。因此竹材密度 、含水率和吸水性、湿胀干缩等方面的研究及其工程利用相当重要。
2.1 密度
竹材的密度是指单位体积竹材的重量, 重量常指炉干重,体积指炉干、气干或生材体, 由此得到的密度是绝干密度、气干密度和基本密度。竹秆部位、年龄、立地条件和竹种等因素对竹材密度都有影响,毛竹和慈竹( Neosinocalamus affinis) 竹秆自基部至梢部,密度逐步增大;同一高度的竹材, 竹壁外侧密度比中部和内部的大;毛竹和慈竹的密度,1～6年生逐步提高,5～ 8年生稳定在较高的水平上,8年生以后有所下降;立地条件好的竹材比立地条件差的密度低;分布在气温较低、雨量较少的北部地区的竹类的竹材密度大, 而分布在气温较高、雨量较多的南方地区的竹材密度较小[12]。王朝晖对不同竹龄的毛竹材的微密度变异进行了研究,并认为距离竹表皮 3 .4/ 10 竹壁厚度处是竹材密度过变异最大的位置, 该结论对于竹材破篾和竹篾分等具有重要的意义[13] 。
2.2 含水率和吸水性
新鲜竹材的含水率与竹龄、部位和采伐季节有一定的关系。一般说来,幼龄竹材比老龄竹材含水率高,自基部至梢部含水率逐步降低,竹壁外侧含水率比中部和内部低,夏季采伐的竹材含水率比其他季节采伐的要高[12] 。
平衡含水率是指在一定的温度和相对湿度条件下材料达到平衡状态时的含水率。木材和竹材在使 用过程中,环境的温度、相对湿度会有波动,将会引起其含水率的变化, 通常希望其含水率变化缓慢, 因为含水率变化大将使材料的物理力学性能发生变化。Mansur Ahmad[14] 对牡竹属的加尔各答牡竹( Dendro- calamus strictus ) 的研究发现,它与西特云杉( Picea sitchensis)的平衡含水率接(世界大部分地区常用西特云杉的吸附等温线来估计木材的平衡含水率)。对其他竹材平衡含水率的研究少见报道。竹材吸水后, 吸水量与竹材含水率(P)、浸水时间(t) 具有P =a +b .lnt 的关系, 其中,a、b是常数[15]。Peralta P N[16] 等人曾研究了5月季竹( Phyllostachys bambusoides) 在不同温度和相对湿度条件下的径向水分扩散规律, 发现其扩散系数的变化在7.3×10-12～7.8 ×10-11 m2/s之间。在高含水率范围内扩散系数较大,并且随温度增加而增加,扩散系数与温度的关系符合Arrenius 方程,在解析过程中扩散系数几乎是吸湿过程中的2倍。
2.3 干缩
竹材学者对竹材的不同年龄、不同部位和不同方向的干缩率研究较多。竹材的径向和弦向干缩差别不大, 轴向最小。毛竹从气干到全干状态, 平均干缩系数(含水率降低1 的平均干缩率)分别为:弦向0.182 ;径向0.189 ;纵向0.024 [10]。同一高度竹壁的内外层的干缩程度也有差异,竹青部分纵向干缩小,而横向部分的干缩最大;竹横部分纵向干缩较竹青大,但横向部分的干缩明显比竹青小。据报道,与木材只有在纤维饱和点以下时才干缩不同,竹材一旦干燥即开始收缩,但是当含水率在 70 ～ 40 之间时,收缩停止,在此范围以下收缩又开始,在25以下时干缩最大[10,15]。
研究者对竹材的不同年龄、部位及方向的干缩率进行了大量的研究。孙照斌等对微波干燥的方式下龙竹竹材径向、弦向、纵向的干燥速度分别进行了试验,并将不同微波功率的干燥效果进行对比。采用正交试验对试件尺寸进行了研究,以确定其对干燥速度和干缩率的影响。结果表明:竹材径向的干缩率大于弦向;纵向干燥速度大于弦向和径向;竹材水分主要沿纵向排除;尺寸大小对竹材的干缩率没有影响, 试件长度对干燥速度有较显著影响。王建和等对毛竹竹片的湿胀性能及热压机板间接触干燥、烘箱气流循环干燥2种不同干燥方式在竹片失水干缩性能及干燥速率方面的影响进行了研究,结果表明:气干竹片的湿 胀和干缩都是径向最大,弦向次之,纵向最小,且节子部位要大于无节部位。竹片的热风干燥速率要大于 压板干燥速率,竹材胶合板生产的竹片干燥适宜用热风气流循环干燥[17-25]。Khosrow Ghavami 通过对竹材干缩性、耐久性、吸水性和粘结强度的分析, 对竹子作为加固混凝土的结构构件进行了讨论,研究结果表明:将竹子有规则的组合起来有利于提高竹材与混凝土粘接强度以及竹筋混凝土的抗拉强度[26-30]。
作者：jason
Email：zzsenln@163.com
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