（木材科学与技术专业论文）不同年龄龙竹材材性的综合评价.pdf

摘要 摘要1 ) 本研究以龙竹( d e n d r o c a l a m u sg i g a n t e u sm u n r o ) 为试验材料，按国家标准中规 定的测试方法和传统的研究手段，对不同年龄龙竹材的解剖特征、物理性质、力学强 度和纤维形态等进行了系统的研究。主要研究结论如下： 从竹材微观构造来看，龙竹的维管束类型有断腰型和双断腰型两种，但双断腰型 仅发生在秆基部竹肉的中间部位。龙竹的维管束散生在基本组织之中，在横切面上， 其排列略呈梅花形。1 至2 年生的竹秆仅有内侧纤维帽而无外侧纤维帽。维管束密度 变化规律为：1 - 3 年生增加，4 年生时为最大值，之后减少。因此，从维管束密度来 看，3 4 年生为龙竹的最佳利用期。 从竹材组织比量和纤维形态的测试结果来看，龙竹的纤维长达2 2 7 m m 、均一性 好，长宽比大，纤维组织比量变化在2 8 6 9 3 9 8 4 的范围内。因而，可以认为龙竹 材是制浆造纸的良好材料。 从物理力学性能的测试结果来看，龙竹秆形高大、节间长度可达3 0 4 5 c m ；竹材 的基本密度变化在0 4 1 9 加6 7 0g c m o 的范围内，其不同秆位龙竹材密度的变化规律 为上部 中部 下部，龙竹材各项密度与竹龄的关系均为二次曲线模型，各项密度均 在第四年生的竹材达最大值。龙竹材在不同秆位的干缩率以及干缩系数，从1 至5 年生均有一定的变化规律，自秆基部至梢部，龙竹材各项干缩指标有增大的趋势。龙 竹材的干缩性随年龄的增大而减小，干缩性稳定期均在3 4a ，4 - - 5a 期间有增大的趋 势。龙竹材从1 到5 年生的各项强度均随竹秆高度的增加而增加，各项强度在3 个部 位的变化较为显著。龙竹的各项力学强度与竹子年龄的关系，共同表现为：幼龄竹子 的竹材力学强度低，1 3 年生竹材强度逐步提高，3 4 年生稳定在较高水平上，4 年 生以后有下降趋势。其力学指标与竹龄的关系为二次f h j 线模型。龙竹材基本密度与各 力学强度均有较好的正相关关系。平均龙竹材的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性 模量和抗剪强度分别为7 6 2m p a ，2 8 7 1m p a , 2 6 5g p aa n d7 7m p a 。从物理力学性能 来看，在竹林培育中，龙竹的采伐年龄应在和5a 。 关键词：龙竹，解剖性质，维管束形态，物理力学性质，纤维形态，组织比量 ) 云南省应用基础研究计划重点项目( 2 0 0 6 c 0 0 7 z ) i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sr e s e a r c h ，a n a t o m i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fd e n d r o c a l a m u sg i g a n t e u s ( d r a g o nb a m b o o ) c u l m sa td i f f e r e n ta g e sw e r es t u d i e d p e r i m e t e r ss t u d i e di n c l u d e dt i s s u e c o m p o s i t i o n ，v a s c u l a rb u n d l ed e n s i t y , f m e rm o r p h o l o g ya n ds h r i n k a g er a t ea n ds t r e n g t h so f c u l m s d r a g o nb a m b o oc u l m sc o n s i s t e do f5 5 “t 07 0 7 5 g r o u n dt i s s u e ，3 2 7 t o7 9 4 c o n d u c t i v et i s s u ea n d2 8 6 9 t o3 9 8 4 f i b e r d e n s i t yo fv a s c u l a rb u n d l ei n c r e a s e dw i t h c u l m sa g ea n dw i t hi n c r e a s i n gh e i g h t ，r a n g i n gf r o m1 51 c m 2f o ro n ey e a ro l dc u l m st oa m a x i m u m1 9 8 c m 2f o rf o u ry e a ro l dc u l m sa n df r o m1 2 8 l ：】t n 2a tt h eb a s et o1 7 2 c m 2a t m i dh e i g h tt o2 2 3 t i n za tt h et o p v a s c u l a rb u n d l e sw e r em a i n l yf r a n k e dw i t had e t a c h e d f i b e rs h e a t h ，b u td o u b l e f r a n k e dv a s c u l a rb u n d l e sa l s ow e r eo b s e r v e di nt h em i d d l ep a r to f c u l m sa tt h eg r o u n dl e v e l 。f i b e rl e n g t hd i dn o tv a r yw i t hc u l ma g e ，b u tf i b e r sa tm i dh e i g h t w e r es l i g h t l yl o n g e rt h a nt h o s ea tt h eb a s e da n dt o ps e c t i o n s t h ea v e r a g ef i b e rl e n g t hw a s f o u n dt ob e2 2 7m m t h ea v e r a g ef i b e rw i d t hw a s1 9 1 2 岬，a n dt h ea v e r a g ea s p e c tr a t i o w a s1 】9 d r a g o nb a m b o oc u l m sh a di n t e r n o d e sb e t w e e n3 0t o4 5c mi nl e n g t ha n dab a s i c d e n s i t yb e t w e e n0 4 1 9t o0 6 7 0g c m t h ec u l md e n s i t yi n c r e a s e d 丽t hi n c r e a s i n gh e i g h t ， a n di ta l s oi n c r e a s e dw i t hc u l ma g e ，r e a c h i n gam a x i m u ma tt h ef o n hy e a r t h r e ey e a ro l d c u l m sh a dt h el o w e s to v e n d r yv o l u m e t r i cs h r i n k a g ea g ea t1 2 8 ，a n ds h r i n k a g er a t e u s u a l l yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc u l mh e i g h t v a r i a t i o no ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d r a g o nb a m b o oc u l m sf o l l o w e dt h ev a r i a t i o np a r e r no fi t sb a s i cd e n s i t y , i e ，i n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n ga g ea n di n c r e a s i n gc u l mh e i g h t t h ea v e r a g ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h ( p a r a l l e l t og r a i n ) ，b e n d i n gs t r e n g t h ，b e n d i n gm o d u l u sa n ds h e a rs t r e n g t h ( p a r a l l e lt og r a i n ) w e r e 7 6 2 3m p a ，2 8 7 1 4m p a , 2 6 4 5g p aa n d7 7 2m p a , r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：d e n d r o c a l a m u sg i g a n t e u s ，a n a t o m i c a lp r o p e r t y , v a s c u l a rb u n d l e ，p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y , f i b e rm o r p h o l o g y , t i s s u ec o m p o s i t i o n 1 1 目录 正文图表目录 图1 1 不同年龄龙竹材材性的综合评价技术路线流程图1 2 图3 1 不同年龄龙竹维管束横切面的结构与形态2 2 图3 2 龙竹的维管束形态变化2 2 图3 3 不同年龄龙竹的维管束形态变化规律2 4 图3 - 4 不同年龄龙竹材纤维长度分布频率2 5 图3 5 不同年龄龙竹材纤维宽度分布频率2 5 图3 - 6 不同年龄、秆位龙竹材纤维长度的变化“。2 6 图3 7 不同年龄、秆位龙竹材纤维宽度的变化一2 6 图3 8 龙竹胸径与龙竹材纤维长度、宽度的关系2 6 图3 - 9 龙竹胸径与组织比量的关系。- 2 6 图3 1 0 龙竹湿材密度随竹龄的变化趋势。：3 1 图3 1 1 龙竹材气干密度随竹龄的变化趋势3 1 图3 1 2 龙竹材全干密度随竹龄的变化趋势3 1 图3 1 3 龙竹材基本密度随竹龄的变化趋势3 1 图3 1 4 龙竹材气干径向、弦向、体积干缩率随竹龄的变化趋势3 4 图3 1 5 龙竹材全干径向、弦向、体积干缩率随竹龄的变化趋势3 5 图3 1 6 龙竹材径向、弦向、体积干缩系数随竹龄的变化趋势3 5 图3 1 7 龙竹材顺纹抗压强度随竹龄的变化趋势3 9 图3 1 8 龙竹材顺纹抗剪强度随竹龄的变化趋势4 0 图3 1 9 龙竹材抗弯强度随竹龄的变化趋势4 1 图3 2 0 龙竹材抗弯弹性模量随竹龄的变化趋势4 1 图3 2 1 龙竹材顺纹抗压强度与基本密度的关系4 3 图3 2 2 龙竹材弦向抗弯强度与基本密度的关系4 3 图3 2 3 龙竹材弦向抗弯弹性模量与基本密度的关系4 4 图3 2 4 龙竹材抗剪强度与基本密度的关系4 4 表1 1 世界各国的竹林面积和竹种数量【4 1 5 表2 - 1 试验用龙竹材基本情况1 4 表3 - 1 龙竹维管束基本形态及大小、密度变化2 3 目录 表3 2 龙竹不同年龄竹材纤维长度、宽度和长宽比。2 5 表3 3 龙竹不同年龄、秆位竹材组织比量2 7 表3 4 龙竹不同年龄、秆位的密度2 9 表3 5 龙竹不同年龄的各项密度3 0 表3 - 6 龙竹不同年龄、秆位的干缩率3 2 表3 7 龙竹不同年龄、秆位的干缩率3 3 表3 8 龙竹不同年龄、秆位的力学性能。3 7 表3 - 9 龙竹不同年龄的力学性能3 8 表3 1 0 龙竹材力学性质极值时与竹龄的理论值3 9 表3 1 1 龙竹竹材基本密度和各力学强度间的相关矩阵4 2 表3 1 2 龙竹材各力学性质对基本密度的数学模型4 2 声明尸明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：鱼箍奇一日期：上叫 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 绪论 1 绪论 竹子是世界第二大森林资源。全世界竹林面积约2 0 0 0 万公顷，分布十分广泛， 从热带到亚热带、温带甚至寒带地区均有分布，全世界共有竹类1 2 0 多属、1 2 0 0 余 种。因竹子生长快、经济价值高，所以人们十分重视植竹造林，世界各地都先后出现 了大片人工竹林。 2 0 世纪，在全世界工业迅速发展、物质财富大量累积的同时，森林资源却遭到 了空前破坏，森林面积急剧下降。自1 9 5 0 至2 0 0 0 年，全球森林覆盖率由2 5 下降到 了1 7 ，共消失森林1 2 4 6 亿h m z ，平均每年消失2 2 4 9 万h m 2 ，即每分钟消失4 7 4 h n l 2 【1 1 。 按此速度，地球上的森林将在2 1 世纪内消失殆尽，人类也将失去依存环境而无法生 存。1 9 9 2 年联合国在巴西里约热内卢召开的世界环发大会对全球可持续发展问题进 行了热烈的讨论，最后通过了关于环境与发展的里约热内卢宣言、世纪议程和 关于森林问题的原则声明3 项文件。大会强调指出，森林可持续发展是经济持续 发展的重要组成部分；森林是环境保护的主导，森林是各部门经济发展和维持所有生 物所必不可少的资源。森林资源和林地应采用可持续方式进行经营管理，以满足当代 和子孙后代在社会、经济、文化和精神方面的需要。这次会议的成果具有积极意义， 在人类环境保护与持续发展进程上迈出了重要的一步【2 1 。竹子是重要的森林资源之 一，跟树木相比，竹子生长快，成材早，产量高，繁殖力强用途广，一次种植可永续 经营，是一类很好的可持续发展资源【3 4 1 。目前人类开发的各种竹材胶合板竹材层压 板等已替代木材，并愈来愈受到人们的喜爱；世界造纸工业的发展消耗了大量木本原 料，是造成森林资源锐减的一个重要原因，而竹子生长快，产量高，纤维细长，是优 良的造纸原料【5 _ 1 0 】。鉴于竹类植物既有直接生产竹材及副产品的经济效益又有四季常 青的生态效益，所以很早以来就被人类广泛用于建筑、造纸、运输观赏、娱乐用具和 竹笋食用等很多方面，东南亚各国把竹林资源誉为“绿色金矿【1 1 j 。展望未来竹类资 源的利用，在森林日益减少和木材极为缺乏，而人类的需求却日益扩大的今天，竹子 以其独有的特点和优势，越来越受到人们的重视，竹材综合利用，发展和推广“以竹 胜木 是材用竹发展的必然结果【1 , 1 2 - 1 3 】。 1 1 国内外竹类资源的加工利用现状与发展趋势 竹子作为森林资源的重要组成部分，其生态作用相对于其它林种更具优势，生态 功能更强，净化空气污染的能量更大。很早以来，竹产区国家的人民就用竹子建造房 不同年龄龙竹材材性的综合评价 屋，制作生产、生活及娱乐用具，食用竹笋，靠竹林避风、遮阳、改善居住环境等， 竹子和人们的衣食住行等方面关系十分密切【m 1 7 1 。自2 0 世纪起，热带和亚热带地区 的许多国家都非常重视竹林的营造工作，人工林面积和竹材产量都显著增加，其利用 范围也由以前的农村零散自用逐渐向建筑材料、造纸和人造板原料等工业化利用拓 展，亚洲国家利用竹子制浆造纸，每年大约已有1 5 0 2 0 0 万吨的纸浆产量【5 1 。 1 1 1 竹子的加工利用现状 竹加工产品主要有竹材人造板、竹工艺品、竹食品、造纸、竹材制品五大类。竹 材制品品种繁多、用途广大，主要分为以下七大系列：农用制品，家具，生活日用品， 建筑制品，文化用品，卫生用品和其它用品。竹材人造板按原料的单体形态区分有： 竹席、竹条、竹刨花、竹纤维、压碎竹条、竹平板等。竹食品包括笋制品、竹荪、竹 子饮料、竹保健食品及医药用品等。现在竹子不仅是产竹区群众传统的生活、生产资 料，而且随着社会的进步和科技水平的提高，竹子以它特有的天然品性，加工利用的 领域更加广泛、其地位和作用在产竹区日益显著。目前，我国竹业已形成从资源培育、 加工贸易到出口贸易的新兴产业，成为产竹区的经济支柱。竹子的附加值明显提高， 已成为我国林业发展中的一个新的经济增长点。 近年来，中国、日本及东南亚等一些竹产区国家就本国竹子分布、分类、营林和 培育等方面进行了研究，并对主要经济竹种的化学、物理力学性质和纤维形态做了细 致的测定和分析，为竹浆造纸和各种竹板材的开发提供了理论基础；竹笋食用方面， 也从农家自己食用向深加工、作为商品出口创汇方向发展。另外，对竹林的生态效益 和副产品的开发也已经初步展开。 中国竹子利用已突破传统利用领域，在建筑、造纸、轻工、食品、家具、包装、 运输等行业中开始广泛应用。但当前作为经济竹种被广泛开发利用的只有近2 0 种， 其余大多数竹种尚处于野生状态。竹业经济也主要表现为东部沿海省份竹加工业发 达、经济实力雄厚，内陆省份虽然竹资源优势明显，但加工业发展滞后，竹业经济实 力相对较弱，各地区之间竹业经济发展不平衡，一些地方特别是中西部地区竹林资源 的经济效益和经济优势远未发挥出来。目前，竹类植物的产业化加工利用主要可归为 以下三个方面。 ( 1 ) 竹板材加工 与木材相比，竹材在利用上具有强度高、韧性大，刚性好、易加工等特点，使竹 材具有多种多样的用途。对竹材的力学性能测试结果表明：其抗拉强度约为木材的2 1 绪论 倍；抗压强度约为木材的1 1 5 倍【1 8 1 。这些特点从某种意义上讲是优点，但从另角度 看却又是缺陷。例如：壁薄中空、直径较小、尖削度大、结构不均匀、易产生虫蛀和 霉变，因此，很多传统的木材加工设备和工艺不适于竹材加工。长期以来，竹材加工 利用还处于原竹利用、编织农具、工艺品、脚手架、制作简单家具和生活用品等初级 利用阶段，未能作深度开发。随着木材加工工艺的发展，人们发现木材制成人造板后 从根本上改变了木材的特性，受此启发，提出了通过制造人造板来克服竹材各种缺陷 的主张。2 0 世纪4 0 年代，国外开始研制竹材人造板，相继建成了竹纤维板和单板生 产线【1 9 刎。 从2 0 世纪7 0 年代，我国竹材人造板开发起步，现已具有相当的规模【2 1 1 ，为“以 竹代木的实现 开辟了一条新路，到目前为止，已有2 0 余个系列，2 0 0 0 多种产品。 我国研制投产的竹质人造板主要有竹材胶合板、竹编胶合板、竹篾层压板、竹纤维板、 竹刨花板、竹丝水泥板、竹木复合板等，研制生产的竹拼地板、竹节板、竹旋切板、 竹断面板及竹塑材料等产品，强度高、质量好，表面美观，经久耐用，受到国内外市 场的欢迎；亚洲发展国家中重视竹材的深度加工，利用竹材旋切的单板做胶合板的装 饰贴面；在竹镶花铺地板和层积竹片等已取得专利【s 1 2 2 2 】。 ( 2 ) 竹浆造纸 我国利用竹类造纸历史悠久，1 7 0 0 多年前已开始利用竹材来造纸【拥。竹子是速 生植物资源，生长快，易繁殖，每年平均可产鲜竹2 2 2 5t h m 2 。据国外，竹类植物 含有丰富的纤维素，并且大多数竹种属中纤维细长，可塑性好，就竹材的纤维形态和 化学成分而言，竹材适合作造纸原料，常用制浆竹材3 0 多种，不少竹种尤其是某些 丛生竹更是造纸的优良原料【1 0 3 3 , 2 4 l 。竹浆与木浆、草浆合理搭配，可生产文化、生活、 包装用纸及纸板等多种纸品。随着新闻、出版、包装业的迅速发展，我国已成为纸张 的生产、消费大国。由于我国是一个少林国家，生态保护任重道远，木浆的生产能力 和市场的需求之间矛盾日益突出，发展竹浆是解决我国纸业供需矛盾的有效途径，也 是调整我国纸业原料结构的现实方法，可以弥补我国目前中高档纸浆的缺口。 除中国外，世界上利用竹浆造纸的国家主要有印度、日本、孟加拉国、缅甸等， 其中印度的竹浆产量居世界首位，其造纸工业中2 3 以上的纸浆来源于竹子【1 1 】。 ( 3 ) 竹笋生产 竹笋是中国人民的传统食品，中国的优良笋用竹有1 0 0 多个品种，栽培面积大、 产量高、质量好的优良品种有：毛竹、哺鸡竹、红竹、淡竹、绿竹、麻竹、甜龙竹、 方竹、香竹等，产量居世界之首，目前产品已输入日本、香港、菲律宾及欧美市场 3 不同年龄龙竹材材性的综合评价 等世界各地【1 1 1 。 1 1 2 竹材利用的发展趋势 当前，全球工业用木材资源已逐渐从天然林转向人工林和竹材的利用，人工林竹 材材性研究在世界各国均引人注目，并作为大量投入的新研究领域。我国更是如此， 据全国第四次林业普查表明，我国是个少林国家，天然林资源濒临枯竭，国家已开始 实施天然林资源保护工程，并大力培育工业人工林与发展木竹材高效利用，这些重大 举措将给木材科学研究带来新的机遇和新的挑战。 竹子作为一种优良的可持续发展资源，愈来愈受到人们的重视，“以竹代木 是 本世纪森林资源利用的重要方向。我国森林资源匮乏，天然林保护工程的实施为竹材 的开发利用提供了更加广阔的空间。 迄今，我国对竹材的工业化利用还限在少数省份，整体水平不高。许多地方尤其 是西南部山区还主要停留在传统的利用方式，如编织、竹屋等，竹林培育亦以散户种 植为主，分布零散。竹材加工厂也主要是小企业，甚至是家庭作坊，因而引起企业技 术装备水平低，新产品、新技术开发能力弱，高技术含量、高附加值产品不多。 因此，在木材资源日趋紧张的现状下，我国要弥补森林资源的不足，充分利用丰 富的竹类资源，推广应用“以竹代木 有其紧迫性，就必须加强企业之间的合作，走 集约化、规模化、国际化发展的道路。加快形成以资源培育为基础、以精深加工为带 动、以科技进步为支撑的竹业发展新格局，这也是我国竹材开发利用的必然趋势和必 由之路【5 。在这条道路上，中国的竹产业还要面临产业重组、优化资源配置、提高 科技含量、提升产品创新能力、提高市场竞争力等一系列考验。 1 2 竹类资源的分布及我国发展竹产业的优势 1 2 1 世界竹类资源的分布 世界竹类植物约有7 0 余属1 2 0 0 余种，主要分布在热带、亚热带地区，少数种生 长在温带和寒带。世界的竹子地理分布主要划分为三大区域，包括：亚太竹区、美洲 竹区和非洲竹区，而其中又主要分布在亚洲【5 2 8 】。据统计，全球的竹林面积约2 2 0 0 万公顷，年产竹材近2 0 0 0 万吨【5 l ，但目前这些竹林的大部分还处于野生状态，人工 经营程度差，产量较低。世界各地竹林面积及竹种数量见表1 - 1 1 绪论 表1 - 1 世界各国的竹林面积和竹种数量【4 1 t a b l e1 - 1t h eb a m b o of o r e s ta r e aa n ds p e c i e si nt h ew o r l d 1 2 2 中国竹类资源的分布， 据统计，中国有竹类植物3 9 属，近5 0 0 种，主要分布在热带、亚热带和南温带， 海拔3 0 0 0 米以下的地区、丘陵和平原，竹林总面积约4 2 1 万公顷【2 9 1 。由于各地气候 和土壤等条件的差异，我国的竹类资源大致可分为四个分布区：( 1 ) 黄河长江竹区， 位于北纬3 0 0 - - 4 0 0 ，年平均温度1 2 0 c 。1 7 0 c ，降水量6 0 0 r a m 一1 2 0 0 r a m ，主要分布为刚 竹属( p h y l l o s t a c h y s ) 、苦竹属( p l e i o b l a s t u s ) 等；( 2 ) 长江南岭竹区，位于北纬2 5 。- 3 0 0 ， 年平均温度1 5o c 2 0o c ，年降水量1 2 0 0 m m 一2 0 0 0 r a m 以上，主要有刚竹属、苦竹属 和短穗竹属( b r a c h y s t a c h y u m ) 等，其中毛竹( 鼢y l l o s t a c h y s p u b e s c e n s ) 林面积约有 2 8 0 多万公顷：( 3 ) 华南竹区，位于北纬1 0 。一2 0 0 ，年平均温度2 0 0 c 一2 2 0 c ，年降水 量1 2 0 0 r a m 一2 0 0 0 r a m 以上，主要有翁竹属( b a m b u s a ) 、牡竹属( d e n d r o c a l a m u s ) , 茶秆竹属( p s e u d o s a s a ) 、酸竹属( a c i d o s a s a ) 等；( 4 ) 西南高山竹区，位于华南海 拔1 0 0 0 m 3 0 0 ( 0 之间的高山地带，年均气温8 0 c 一1 2 0 c ，降水量8 0 0 m m - 1 0 0 0 m m ， 主要为方竹属( c h i m o n o b a m b u s a ) 、慈竹属( s i n o c a l m u s ) 和箭竹属( f a r g e s i a ) 等竹 种的原始竹丛【5 1 。 1 2 3 中国发展竹产业的优势 中国是世界上最主要的产竹国，占世界竹林总面积的五分之一。主要分布在福建、 江西、浙江、湖南、广东、四川、广西、安徽、湖北、重庆1 0 个省( 区、市) ，其中 福建、江西、浙江3 省的竹林面积占全国的一半。 中国疆土辽阔，气候和环境多样性加上有充足的劳动力资源，近1 0 年来，国家 5 不同年龄龙竹材材性的综合评价 竹产业形成了资源培育、加工利用和出口贸易各环节较为完善的产业体系，成为带动 区域经济发展、增加农民收入、促进生态环境保护的新兴产业【删。据统计资料显示， 从1 9 8 0 年到1 9 9 7 年竹材产量增长1 5 倍，产值增加1 5 1 4 倍，产量增长率1 5 1 5 ， 年平均递增5 5 6 2 2 】。近年来，竹材加工业迅猛发展，除保留传统产品外，随着市场 的需求和科学技术的进步，不断开发新产品，其中竹质人造板、竹地板和竹纸浆等产 业呈现出新兴的气象，在创造巨大经济效益的同时，也为部分劳动力提供了就业场所。 据不完全统计，到上世纪末，全国各产竹区从事竹林培育、竹材加工制品业、竹笋加 工业、竹材造纸等竹产业生产的人数达5 6 4 万人，约占全国农村剩余劳力的2 8 5 1 2 8 1 。 1 3 竹材材性的研究现状 1 3 1 竹材的解剖性质 与木材相比，竹材的构造与木材有所不同，竹材的解剖性质及特征的研究相对进 行的较少，起步也较晚。竹材的解剖特征有其自身的特点，竹材是单子叶植物，维管 束成不规则分布，没有径向传递组织和形成层，具有节间分生组织，因此竹子只有高 生长而没有直径生长；无真正的髓和射线组织，节间以节膜相隔，具空髓；所有细胞 都严格的按轴向排列，其构造较木材为整齐；因此竹材的抗拉强度较大，但易于劈裂 即抗剪强度小。 国内外在此方面有一些研究，1 9 8 5 年w i d j a j a ，e a ，r l s y a d 6 2 l 对印度尼西亚几 种竹子的解剖进行了研究，结果表明竹材解剖特征与竹材材性有一定的关系。1 9 8 7 年l i e s e ，w 【6 3 】研究了不同竹种的竹材解剖和材性得出竹材的平均纤维比量为 6 0 7 0 ，其纤维长在不同竹种而有所不同。方伟【3 1 1 等对6 属1 7 种丛生竹竹材进行了 比较解剖研究，结果表明，不同类型竹种的内部解剖构造存在明显差异，主要是维管 束的形态及密度，维管束构造、薄壁组织细胞和维管束在断面上的分布有很大的不同。 这种差异与竹种的外部形态、地理分布和地下茎类型有密切关系，并认为竹材内部构 造可以作为种属鉴别的依据之一。竹壁中部和竹秆中部的纤维较长，基部和梢部的纤 维宽度变小，竹壁中部的纤维径向较大，两侧的纤维径向较小，腔径也有类似变化。 马灵飞等f 3 2 1 的研究结果显示：竹材中纤维组织平均比量为4 4 3 5 ；纤维平均长度随 品种而异，多在1 8 8 3 0 4 m m 之间，平均2 3 7 m m ；宽度为1 2 4 2 0 耻m ，平均1 6 舡m ； 长宽比为1 0 1 2 1 0 之间，平均1 4 5 ：壁腔比为2 3 巧0 ，平均3 6 ；纤维素含量 4 2 3 3 5 2 0 8 ，平均4 8 0 5 。 竹材纤维形态与其年龄有很大的关系。对于木材纤维长度与树木年龄的关系，研 1 绪论 究学者早曾得出，树干的任何断面，纤维长度均由髓心向外随年龄的增加而增加，直 至达到最大长度而呈近似稳定状态。曾其蕴等【3 3 1 ，朱教君等【3 4 】对河北毛白杨木材纤 维长度变异和杨树林带木材纤维长度变化规律进行了研究，在研究中已得到了证实。 但对于竹材纤维长度与竹龄的关系，有的认为随竹龄增加纤维长度变长，而有的认为 随竹龄增加纤维长度变化不大。马灵飞等【3 5 】对毛竹竹材材性变异进行了研究，结果表 明，毛竹纤维长度随年龄变化有一定的变异，平均纤维长度变异在1 7 5 2 2 7 n n n 之间， 但未看出随年龄增加而变长的变化趋势，并认为，由于毛竹的高生长与树木不同，它 是通过节间分生组织的生长来实现的，在竹笋出土后4 0 5 0 天左右就完成其高生长， 并此后无次生生长，因而，毛竹一旦完成高生长，其纤维细胞也就不再伸长生长，纤 维长度也不再随年龄的增加而变长。至于不同年龄竹材纤维长度产生变异的原因可能 是由于出笋年份不同，其出笋期间的生长条件( 主要是温湿度) 也有较大的不同所致。 不同年龄竹材的纤维宽度和长宽比也有一定的变异，其纤维宽度变化范围在 1 2 8 1 7 4 1 声, m 之间，长宽比在1 1 5 1 5 6 之间，但均看不出与竹龄的关系。 组织比量、纤维素含量与年龄也会很大的关系。马灵飞1 3 5 】指出，不同年龄毛竹竹 材的输导组织体积比量变化在7 2 2 1 0 9 9 之间，基本组织体积比量变异在 5 9 8 2 6 5 5 3 之间，纤维组织体积比量变异在2 6 4 6 一3 2 2 8 之间。但不同年龄竹 材的纤维组织比量变异无显著差异。这是由于毛竹完成高生长和抽枝展叶后，各组织 已分化成熟之缘故。随着年龄增加，竹材纤维素含量随之减少，到3 年生时，竹材纤 维素含量基本已趋稳定。 1 3 2 竹材材质的变异研究 竹材的物理、力学性质是衡量竹材质量的重要指标，研究竹材物理力学性质的影 响因素，不仅对竹材利用有现实意义，而且对竹林培育和确立合理的砍伐提供依据。 国内外学者对竹材的物理力学性质作了一些研究。物理性质研究主要集中在密度、含 水率、吸水性、湿胀干缩和力学强度指标等方面，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。其 研究成果主要集中在以下几个方面。 1 3 2 1 竹材的物理性质 不同年龄龙竹材材性的综合评价 ( 1 ) 竹材的密度 竹材的密度是指单位体积竹材的重量，绝干重与绝干时体积的比值为绝干密度， 气干重与气干时体积的比值为气干密度，生材重与绝干时体积的比值为基本密度。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【3 6 - 3 9 l 。1 9 8 1 年周芳纯【删 的研究表明，不同年龄的毛竹材对基本密度有显著的影响。毛竹材的基本密度随年龄 的增长而不断的提高和变化。毛竹竹材的基本密度以幼龄的为最小，1 6 年生逐步提 高，6 8 年生稳定在较高水平上，8 年以上有下降趋势。毛竹竹秆自基部至梢部，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；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、雨量较少的地区的竹类的竹材密度大，而 分布在气温较高、雨量较多的地区的竹材密度较小。杨云芳等【4 1 4 2 】研究了红壳竹 ( 勋y l l o s t a c h y si r i d e n s c e n s ) 竹材物理力学性质，结果表明，红壳竹竹材的物理力学 性质与竹龄有密切关系。竹材的基本密度随竹龄增加而增加，至5 - 6 年生达最大值。 1 9 9 7 年马灵飞等【3 5 j 对毛竹材性变异的研究结果表明，毛竹竹材基本密度随年龄的增 加而逐渐增大，3 年生就稳定在较高的水平，以后略有增大。基本密度在竹秆方向的 分布是随着竹秆高度的增加而变大。在不同竹秆间，基本密度随着胸径的增加而变小。 ( 2 ) 竹材的含水率与吸水性 竹材在生长时，含水率很高，依据季节而有变化，并在竹种间和秆茎内也有差别。 新鲜竹材的含水率一般在7 0 以上，最高可达1 4 0 ，平均8 0 1 0 0 。不同竹龄、部 位和采伐季节对竹材的含水率都有影响。一般来说，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。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。 ( 3 ) 竹材的干缩性 竹材采伐后，在干燥过程中，由于水分蒸发，而引起干缩。国内外学者对竹材的 不同年龄、不同部位和不同方向的干缩率进行了不同程度的研究。竹材的干缩在不同 方向上有显著差异。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，测定其含水率每减少1 的平均干缩率，结果为：纵向为0 0 2 4 ；弦向( 平周) 为0 1 8 2 ；径向( 垂周) 为o 1 8 9 【4 3 l 。同一高度竹壁的内外层的干缩程度也有差异， 竹青部分纵向干缩很小，可以忽略，而横向部分的干缩最大；竹横部分纵向干缩较竹 8 1 绪论 青大，但横向部分的干缩明显比竹青小。不同竹龄的毛竹，竹龄愈小，弦向和径向愈 大，而竹龄对纵向干缩影响很小。 1 3 2 2 竹材的力学性质 竹材与木材相似，是非均质的各向异性材料。竹材密度小、强度相对较大，可以 说它是一种轻质高强的材料。竹材的力学性质，在某些方面超过木材，如竹材的顺纹 抗拉强度约比密度相同的木材高1 2 ，顺纹抗压强度高1 0 左右。 蔡纫秋等【3 6 1 、周芳纯m 】、杨云芳等、俞友明等【3 7 ，3 8 4 2 】对毛竹的力学性质进行了 研究，分析了生长地形、竹龄及高度等对竹材物理力学性质的影响。张宏健等【删研究 了云南4 种典型材用丛生竹的宏观解剖结构与主要物理力学性质的关系。林金国等【3 9 】 对石竹( p h y l l o s t a c h y sn u d a ) 竹材材质变异规律进行了详细的研究。上述研究结果表 明，竹材的力学性质较复杂，主要表现在： ( 1 ) 不同部位竹材力学性质不一致。毛竹( p h y l l o s t a c h y sh e t e r o c y c l av a r p u b e s c e n s ) 、红壳竹( p h y r l l o s t a c h y si r i d e n s c e n s ) 角竹( p h y l l o s t a c h y s f i m b r i l i g u l aw e n ) 、 苦竹( p l e i o b l a s t u sa m a r u s ) 和早竹( p 死y l l o s t a c h y sp r a e c o x ) 的力学性质，基本是从 基部至梢部，逐步增高。 ( 2 ) 含水率变化引起力学性质的变化。含水率的增减亦引起密度、干缩、强度 等的变化。竹材的顺压、顺纹抗拉、顺纹剪切、静曲强度及模量等力学性质与含水率 关系明显，随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干条件下时，因质地变脆强度反 而下降；而横纹抗拉和弦向静曲等强度与竹材含水率关系不明显。 ( 3 ) 随竹材竹龄的不同，其力学性质亦不一致。一般两年以下的竹材柔软，缺 乏一定的强度；4 - 6 年则坚韧富有弹性而力学强度高；7 年以上，质地变脆，强度也 随之减低。不同竹种达到稳定的年限不一样，如毛竹需生长至6 年以上；而石竹4 年生基本密度和力学强度就达到最大，5 年生开始呈下降趋势。 年龄、胸径和竹秆部位对竹材的力学性质影响均极显著，且年龄影响的重要程度 大于胸径和竹秆部位。石竹材力学性质表现为：上部 中部 下部，随胸径增大而减 小，随年龄增大而增大，4 年生达到最大，5 年生开始呈下降趋势，石竹材作为结构 用材的适宜采伐龄为4 年，在利用时，同时要考虑胸径和竹秆部位对石竹材材质的影 响。 1 3 3 竹材化学性质 目前对竹材化学性质的研究主要集中在竹材的基本成分研究，研究内容主要对不 9 不同年龄龙竹材材性的综合评价 同竹种、同种竹种的不同部位及不同年龄竹材的化学成分的变化：由于在竹材造纸过 程中，木素的去留对造纸的质量和工艺影响很大，因而开展对木素结构研究的较多， 但目前没有突破性进展。竹材中除纤维素、半纤维素及木素外，还有一定数量的抽提 物，如蛋白质、淀粉、蜡、脂肪和树脂等。这些低分子和高分子化合物不是竹材组织 的结构物质而是竹材化学组成的次要成分，但其抽提物类型和数量的变化，不仅对竹 材的色香味、抗虫、抗菌性及耐久性有密切关系，而且对竹材材质的均匀性也有重要 影响。由于竹材在使用过程中易遭虫蛀和发霉的特性对竹材中糖类及淀粉的研究主要 集中在糖及淀粉的含量以及不同采伐期不同部位的糖及淀粉含量的变化瞄l 。 竹材的化学成分与木材相似，但又有别于木材。竹材主要由纤维素、半纤维素和 木素以及一些提取物和灰分组成，一般而言，整竹由5 0 - 7 0 的全纤维素、3 0 的 戊聚糖和2 0 - 2 5 的木素组成，竹子的化学成分在不同的属种之间会有一些差别， 部分原因是与维管束类型的不同有关【2 6 , 4 5 l 。 竹材的基本化学成分与竹秆高度及部位有一定的影响，苏文会、顾小平、马灵飞 等人【4 6 i 对大木竹化学成分进行了研究，结果表明梢部和中部的综纤维质量分数较高， 靠近基部略有下降趋势而基部木素质量分数较大。 同一种竹种不同年龄竹材化学成分也存在一定的差异。一般来讲，纤维素和热水 抽提物含量、木素和半纤维素含量随竹龄增加而增加【6 2 4 。 竹材化学成分对竹材性质和利用有一定的影响，竹材的强度和其它的物理力学性 质取决于木材的基本化学成分。与木材相比，竹材纤维素、半纤维素和木素的分布具 有极大的不均匀性，从外侧至内侧纤维素逐渐减少，木素逐渐增多，这种不均匀性， 对加工过程及工艺性能有很大的影响。竹材中的硅含量较高，影响竹材的纸浆及切削 性能。另外，竹材中的淀粉含量比普通木材要高，因而容易发生虫害和霉变。 1 4 本项目研究的目的和意义 如上所述，我国林木资源缺乏，天然林保护工程的实施使得我国木材缺口日益增 大，充分利用丰富竹类资源尤其是丛生竹资源的优势，大力发展竹材n - r 业和竹浆造 纸业是缓解我国木材亏缺、减少纸浆进口节省外汇和维护经济环境稳定的重要措施。 本项目研究对象丛生竹种龙竹生物量大、秆形通直、节间长、竹壁厚、材质坚韧。 从我国目前竹材的利用状况看，胶合板等板材原料几乎全部依赖毛竹，这种单一化利 用模式已经阻碍了竹材；b t a - r - 业的发展，因而，研究与开发如龙竹这样生物量大、秆形 高大、节间较长且竹壁较厚的竹种，对改变这一现状，促进竹产业发展有着积极的意 1 0 1 绪论 义。 研究不同年龄竹材材性变异规律，在此基础上建立实用有效的早期材质预测方 法，探求竹材材性的变异规律，有利于确定龙竹林的成材时间，获得具有纸浆材、单 板类人造板材、建筑材的模式和方法，以满足国民经济的要求；根据材性制定最佳加 工工艺，真正做到合理、高效利用，使有效的木材资源得到充分利用，建立人工竹林 的材质、材性较为系统的综合评价理论。可为竹材定向培育和加工利用的开发研究提 供依据和指导，具有积极的现实意义和广阔的应用前景。本研究重点解决的关键问题 是对龙竹材质材性研究的基础上，对其材性价值与利用方向进行了评价和比较，从而 为此竹的开发利用提供科学依据。 1 5 本研究的主要内容 龙竹( d e n d r o c a l a m u sg i g a n t e u sm u n r o ) ，牡竹属，又称大麻竹是云南省4 种