4种竹材微纤丝角变异及其对抗弯性质的影响

杨 欣，刘杏娥，杨淑敏*，齐锦秋，尚莉莉，田根林，马建锋，马千里

(1.国际竹藤中心 竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102；2.四川农业大学，四川 成都 611134)

微纤丝角(MFA)为植物细胞次生壁S2层微纤丝排列方向与细胞主轴所形成的夹角，是木质材料的固有性质，主要决定着材料的机械性能，直接影响木质材料的弹性模量和异向收缩性[1]。从结晶学观点，微纤丝角就是单斜晶体的B轴与纤维轴之间的夹角。微纤丝角传统测试方法有偏光显微镜法、荧光显微镜法、汞浸渍法、碘染色法等，尤其是偏光法也在不断发展中[2-3]。随着显微技术的快速发展，扫描电子显微镜和原子力显微镜逐渐应用于微纤丝角的研究[4-5]。近年来，X线的应用对于微纤丝角的测定带来了技术上的变革[6-7]。X线衍射法主要利用实验室光源的X线衍射仪(X-Ray Diffraction)，同步辐射光源的小角X线衍射线站(Small-Angle X-Ray Scattering SAXS)和大角X线衍射线站(Wide-Angle X-Ray Scattering SAXS)[7]来实现。X线衍射技术是当X线入射纤维晶体时，产生散射和衍射效应，衍射强度随试样旋转角度变化呈现出光谱曲线，分析光谱获得所测样品的微纤丝角[8]。在一次操作中得到的衍射图样，即能反映出几百个细胞平均微纤丝角的数值。试样制作简单、观察简易迅速、适用于大量试样的微纤丝角测试，尤其在测定具有极大变异性的生物质材料时，可得到具有充分意义的平均值[9]。

竹材作为一种具有优异力学性能的多级结构生物复合材料，与木材相比，竹材纤维细胞壁结构和微纤丝取向更加复杂。竹纤维细胞壁具有宽窄交替的多壁层结构，壁层的厚层和薄层具有不同的微纤丝取向。竹材微纤丝取向在生长发育过程中的改变引起微纤丝角度的变化，从而对其物理力学性能等产生影响[10]。相对于毛竹，国内外对其他竹材微纤丝角及其变异规律的研究较少，且缺乏针对微纤丝角与力学性质的联系研究。本研究选取了在广东和广西分布较广的4种丛生竹，在其他研究工作者的基础上利用X线衍射仪对不同竹龄、纵向和径向位置的撑篙竹微纤丝角进行了研究，分析了微纤丝角对抗弯强度和抗弯弹性模量的影响，并与其他竹种进行了对比，从而为揭示竹材生长发育机理以及合理有效地开发竹资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及制备

所选竹种分别为撑篙竹、吊丝竹、粉单竹、青皮竹，采自广西林科院树木园，详情见表1。选取生长正常、有代表性的竹株齐地砍伐。记录样竹的胸径、节间长和竹高，从离地面约1.5 m整竹节处，向上每隔约2 m长完整竹节处，截取竹段，直至7.5 m处，移至实验室气干以备试验。分别从1～3年生撑篙竹秆基部向上第6节、12节和18节节间中部截取T×10 mm×20 mm(径向×弦向×纵向，T 为竹壁厚度)大小的竹块，然后沿径向从竹青到竹黄将竹块劈成大小为1 mm×10 mm×20 mm(径向×弦向×纵向)的小样片作为撑高竹年龄、纵向和径向变异试样。对于其他3种3年生竹材，只在第6节选取试样，小样片制作方法和撑高竹相同。总试样数393个，所有小样片削制过程中要求测试面光滑平整，准确编号后待测。抗弯力学试件取3年生撑篙竹，参照国家标准GB/T15780-95《竹材物理力学性质试验方法》中试件加工和制样要求，制作抗弯测试试样，尺寸为T×10 mm×160 mm(径向×弦向×纵向，T为竹壁厚度)。

表1 采集竹种一览表

1.2 方法

微纤丝角测试采用荷兰Panalytical公司的粉末X线衍射仪(PHILIPS X.PertPro)。利用双面胶带将样品垂直固定在旋转样品台，使试样旋切面与入射光路垂直，设定接收光路和入射光路的夹角为22.4°。主要扫描参数：管电压40 kV，管电流40 mA，扫描步进1°，样品扫描范围0°～360°。计算机自动采集数据，随之生成Phi扫描强度曲线图(图1)。将曲线图导入Origin数据处理软件，采用高斯函数进行单峰拟合，再用0.6T法即可得到微纤丝角。

测定抗弯强度和弹性模量的试样置于温度20℃，湿度65%的恒温恒湿箱中，调整试件含水率至8%～15%时，用Instron万能力学试验机进行测试。

图1 Phi扫描强度分布曲线

2 结果与分析

2.1 撑篙竹微纤丝角的变异

2.1.1 竹龄对撑高竹微纤丝角的影响 3个竹龄的撑篙竹微纤丝角的统计值见图2。1、2、3年生竹微纤丝角分别为10.18°、10.24°、9.66°，平均值为10.05°，微纤丝角随竹龄增长变化较小，2年生竹微纤丝角平均值最大。3个竹龄的微纤丝角最大值和最小值分别为12.35° ，9.09°。差异<4°。撑高竹平均微纤丝角比前人研究的毛竹和梁山慈竹平均微纤丝角偏大[11-12]，这可能是与植物固有遗传特性和环境因素间的差异有关。方差分析表明(表2)，3个竹龄的撑篙竹微纤丝角无显著性差异。

表2 不同竹龄和部位微纤丝角的方差分析

2.1.2 撑篙竹微纤丝角的纵向变异和径向变异 撑篙竹微纤丝角沿纵向高度的变化情况见表3。纵向上中下3个部位的微纤丝角的平均值分别为10.09°、9.98°和10.01°，变异系数<8%。1年生和2 年生竹微纤丝角随纵向高度增加先下降而后逐渐增加。3年生竹微纤丝角从基部向上先增加而后下降。不同高度的微纤丝角值差异较小，介于9.53°～10.43°。方差分析表明(表2)，撑篙竹基部、中部和上部微纤丝角之间显著性差异。

从竹青到竹黄按1 mm的间隔取样，撑篙竹径向平均微纤丝角差值的变化为0.93°～1.97°，2年生的径向微纤丝角变化最大为1.97°，1年生和3年生的微纤丝角差值相差无几。径向位置对微纤丝角影响差异显著(表2)。

图2 竹龄对微纤丝角的影响

表3 不同竹龄不同高度的微纤丝角

2.2 撑篙竹与其他3种竹材微纤丝角的对比分析

2.2.1 4种竹材的微纤丝角 细胞次生壁壁层中S2层最厚，约占全壁厚度70%以上，是构成壁层的主体。S2层中微纤丝环绕细胞轴排列所成的角度决定微纤丝角的值，因此不同竹种间的微纤丝角大小和变异规律各有不同(图4)。不同竹种间的微纤丝角呈现明显差异，平均微纤丝角大小顺序为粉单竹>吊丝竹>撑篙竹>青皮竹，平均值分别为10.46°、9.73°、9.66°、9.52°，竹种间的微纤丝角差异变化差异范围在0.53°～1.48°，有文献也曾报道过竹种间微纤丝角变化较大这样类似的结果[13]。与经济价值高、用途广的毛竹相比，2.5年生毛竹的微纤丝角为9.65°[12]，本研究中的吊丝竹、撑高竹、青皮竹与与毛竹的微纤丝角差异很小，粉单竹的微纤丝角稍大于毛竹，相差不到1°。虽然4种从生竹微纤丝角受竹种影响较大，但竹材微纤丝角与木材相比，变异值很小[14]，并且4种竹材只有粉单竹微纤丝角稍大，其余3种与毛竹相近，在竹材精准利用过程中，期望为竹纤维产品适宜竹种的选择提供基础数据。

注：A.青皮竹，B.粉单竹，C.吊丝竹，D.撑篙竹。图4同。

2.2.2 径向变异对比分析 对其他3种竹的微纤丝角的径向变异进行分析，并与撑高竹的微纤丝角进行对比(图4)。4种竹材从竹青到竹黄以间隔1 mm的距离取样，竹壁外侧到内侧平均微纤丝角差异变动范围为0.78°～1.77°。方差分析表明，径向不同部位的微纤丝角有显著性差异。从图4可知，其他3种竹材与撑篙竹的微纤丝角变化趋势一致，均是从竹壁内侧到外侧呈增大的趋势，这与杨淑敏等[15]研究毛竹微纤丝角的部分结论是一致的。而江泽慧等[16]对毛竹对微纤丝角的研究认为从竹青到竹黄略有增加。李霞镇等[17]对毛竹微纤丝角的研究结果认为，微纤丝角径向差异<4°，没有稳定的变化规律。在木材和棕榈藤材微纤丝角径向变化的研究中，也得出了不同的结论，沙柳的微纤丝角从髓心向外逐渐减小[18]，黄藤材微纤丝角从藤心到藤皮微纤丝角呈变小趋势[19]。

图4 4种竹材的微纤丝角径向变异

2.3 微纤丝角对竹材力学性质的影响

2.3.1 微纤丝角撑篙竹力学性质的影响 微纤丝角对木质材料的物理和力学性质都有重要影响，是密度、强度和硬度等性质的重要决定因素之一。木竹材微纤丝排列与主轴的夹角呈较小状态时，也决定了其具有较优的力学性能，即微纤丝角小，抗拉强度大；微纤丝角大，则伸缩性强。微纤丝角与密度是决定弹性模量的2个主要因素，密度越大，微纤丝角越小，弹性模量越大[20]。为了研究微纤丝角对力学性能的影响，研究了撑蒿竹抗弯强度和抗弯弹性模量，有效样20个。对抗弯强度和抗弯弹性模量进行函数拟合并进行回归分析，二者呈线性关系，决定系数为0.41(图5)。

图5 撑篙竹的抗弯强度和弹性模量关系

微纤丝角和抗弯强度、抗弯弹性模量的回归分析如图6，得到线性决定系数分别为0.61和0.44的一元线性函数模型。微纤丝角增大，抗弯强度和抗弯弹性模量均有下降趋势，微纤丝角每增加1°，抗弯强度和抗弯弹性模量就相应降低73.67 MPa和2.27 GPa。抗弯强度和抗弯弹性模量的变异中分别有61%和44%是由微纤丝角引起的，结果与辐射松相似[6]，比梁山慈竹的微纤丝角对拉伸强度、杨氏模量的影响程度大[11]。竹材抗弯强度与生长地区的立地条件、竹种、竹龄、部位、温度、含水率、密度和木质素含量等众多因素都息息相关，而微纤丝角只是其中的一个影响因素，需要综合考虑其他因素的影响。

2.3.2 微纤丝角对不同种竹材力学性质的影响 木材微纤丝角和木材刚度密切相关，为研究竹材微纤丝角对刚度的影响，选取撑篙竹与其他3种同竹龄的3年生竹材进行力学测试，4种竹材的微纤丝角及抗弯强度、抗弯弹性模量的相关性见表4。决定系数的结果呈现正数或者负数，说明微纤丝角与力学性质呈正相关或者负相关，其中粉单竹的抗弯强度和抗弯弹性模量与微纤丝角呈现相对强的正相关关系，这说明微纤丝角对其力学性质变异的影响较大，但是微纤丝角对青皮竹、吊丝竹和撑篙竹的抗弯强度和弹性模量相关性不显著，与Koizumi等[21]对木材的微纤丝角与力学性质的关系所得到的结论不一致。

表4 不同竹种的微纤丝角与力学性质间的相关性分析

图6 撑篙竹的微纤丝角和力学性能的关系

3 结论

4种竹材微纤丝角平均值分别为10.46°、9.73°、9.66°、9.52°，变化范围仅为0.53°～1.48°，4种竹材微纤丝角从竹青到竹黄呈增大的趋势。撑蒿竹微纤丝角随竹龄的增加呈现先增加后降低的趋势；纵向上，不同年龄撑蒿竹微纤丝角沿竹秆高度方向变化趋势不同，竹龄对撑蒿竹微纤丝角无显著影响，径向部位和纵向部位对微纤丝角有显著性影响。微纤丝角对4种竹材的力学性质有一定影响，其中粉单竹满足微纤丝角越大，抗弯强度和抗弯弹性模量相对越大，但是要完善对竹材性能的评价还需结合竹材的化学组成、立地条件和密度等进行综合的探究，从而为竹资源培育和精细利用提供可靠的理论基础和科技支撑。