江西省几种竹材的化学组成及机械性能研究.pdf

2023年4月试验与研究江西建材江西省几种竹材的化学组成及机械性能研究谢阳志江西省林业科学院，江西南昌330032摘要：文中选取了毛竹、淡竹、毛金竹、硬头黄竹和茶杆竹5 种江西省常用的典型材用竹进行研究，研究对比了5 种典型材用竹的化学组成和机械性能。结果表明，毛竹和茶秆竹在半纤维素、木质素和纤维素含量相较于其他三种竹材高，其在气干密度和综合机械性能方面表现也更加优异。竹材中的化学组成半纤维素、木质素和纤维素含量与竹材气干密度和机械性能成正相关。关键词：竹材；化学组成；机械性能中图分类号：TU531文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 4-0 0 2 9-0 4Study on Chemical Compositions and Mechanical Properties ofSeveral Kinds of Bamboo in Jiangxi ProvinceXie YangzhiJiangxi Academy of Forestry Sciences,Nanchang,Jiangxi 330032Abstract:In this study,five kinds of typical timber-using bamboo in Jiangxi province,P.heterocycle,phyllostachys glauca,phyllostachyschinensis,bambusa rigida and pseudosasa amabilis were selected as research objects.Their chemical compositions and mechanicalproperties were investigated and compared.The results indicated that P.heterocycle and Pseudosasa amabilis showed relative higher contentof hemicellulose,lignin and cellulose,and,and also better air-dry density and comprehensive mechanical properties.The contents ofhemicellulose,lignin and cellulose in bamboo were positively correlated with the air-dry density and comprehensive mechanical properties ofbamboo.Key words:Bamboo;Chemical composition;Mechanical properties0引言我国具有丰富的竹资源，竹林面积为6 41.16 万hm，占世界总面积的三分之一，素有“竹子王国”的美誉。竹子有48 属500余种 11，其中毛竹林46 7.7 8 万hm、占竹林面积的7 2.96%。我省竹资源丰富，是全国竹类资源的中心产区之一，全省有竹类植物15 属2 0 0 种，其中呈自然分布的有14属114种，竹林总面积达15 6 7 万亩，竹资源总量居全国第二位；崇义、宜丰二县是全国十大竹乡之一 2-3。开发竹资源、发展竹产业，江西省具有资源优势。竹子具有生长周期短、繁殖速度快、产量高、可再生、可自然降解、成本低、机械性能好等优点，是仅次于木材的优良可再生生物质资源 4-7 。选取5 种江西省常用的典型材用竹进行研究，分析了其化学组成及机械性能，为江西省材用竹数据库的构建和高附加值加工利用提供依据，对我省竹材资源的开发利用和保障竹木材供应安全具有重要意义。作者简介：谢阳志（1990-），男，硕士，助理研究员，主要研究方向为竹木等生物质基材料。基金项目：江西省重点研发计划：竹纤维增强热塑性树脂复合材料的设计与制备关键技术研究（项目编号：2 0 2 0 3BBF63026）；江西省林业局林业科技创新专项竹纤维的提取及其增强热塑性树脂复合材料的制备与性能研究（项目编号：创新专项【2 0 2 2】19号）。1材料与方法1.1实验材料竹龄为3年的毛竹、淡竹、毛金竹、硬头黄竹和茶杆竹，分别采至江西省吉安市井冈山市、九江市瑞昌市、吉安市遂川县、赣州市崇义县和九江市庐山市。甲苯、乙醇、氢氧化钠、浓硫酸、氯化钡均为分析纯，购置于国药集团化学试剂有限公司；草酸铵为分析纯，购置于阿拉丁试剂（上海）有限公司；去离子水为实验室自制。1.2实验方法（1）竹材化学组分测定：参照GB/T58891986苎麻化学成分定量分析方法对竹材中化学组成进行测定。（2）气干密度测定：选取未被破坏的抗弯强度试样端头，截取尺寸为2 0 mm10mm的竹块试样，沿径向从竹青至竹黄用手工一次劈制厚度约为1mm的薄片5 7 片（具体劈制数量视竹壁厚度而定），将薄竹片的毛刺用砂纸磨平，采用多点测量薄竹片的厚度取平均值的方法，计算其体积，然后在薄竹片气干状态下称重计算其气干密度。（3）机械性能测试：按照GB/T157801995竹材物理力学性质试验方法中的相关方法，依次测定竹材的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。2结果与分析2.1江西几种竹材化学组成分析化学组成是影响竹材物理化学性能的重要因素，为充分研究掌握江西省几种材用竹化学组成与物理化学性能之间对应302023年4月试验与研究江西建材关系，根据江西省竹种质资源主要分布情况，选取了竹龄为3年的5 种典型材用竹，对其化学组成进行测定，结果如表1和图1所示。表1江西几种竹材化学组成%半纤样品脂蜡质水溶物果胶木质素纤维素维素毛竹3.124.130.8526.7126.6538.54硬头4.227.720.6523.6125.5738.23黄竹茶秆竹3.045.360.7325.8926.7138.27淡竹2.947.020.6825.0824.6539.63毛金竹3.416.770.9224.8126.1437.95注：所取竹材的竹龄为3年，上述数据为竹材基部、中部和梢部的平均值。5%/43210ABCDE8%/一6420ABCDE1.00.80.60.40.20.0ABCDE30%/鲁掌翡坊末2520151050ABCDE3025201510-50ABCDE40302010-0ABCDE图1江西几种竹材化学组成柱状图，A、B、C、D、E分别代表毛竹、硬头黄竹、茶杆竹、淡竹和毛金竹(1)脂蜡质脂蜡质是脂肪和蜡的统称，也称蜡质，主要成分为饱和烃及其衍生物、高级酸脂蜡及醛类物质等。脂蜡质以薄膜状态覆盖于植物外围，主要起到防止潮气人侵和水分过多蒸发的作用。从表1可以看出，竹龄为3年的毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为2.94%4.2 2%，其中硬头黄竹的脂蜡质含量最高，为4.2 2%，其次是毛金竹、毛竹、茶秆竹，淡竹的脂蜡质含量最低，为2.94%。（2）水溶物水溶物是能够在水中溶解的物质统称。从表1可以看出，竹龄为3年的毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为4.13%7.7 2%，其中硬头黄竹的水溶物含量最高达到7.7 2%，毛竹的水溶物含量最低，为4.13%，水溶物含量高低排序依次为硬头黄竹、淡竹、毛金竹、茶秆竹和毛竹。(3)果胶果胶是一中含有水解乳糖醛酸基的复杂碳水化合物，呈黏31江西建材试验与研究2023年4月性物质状态，多存在于植物细胞壁和细胞内层，在纤维细胞之间黏结成束。从表1可以看出，竹龄为3年的毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为0.6 5%0.92%，其中毛金竹的果胶含量最高达到0.92%，硬头黄竹的果胶含量最低，为0.6 5%，果胶含量高低排序依次为毛金竹、毛竹、茶秆竹、淡竹和硬头黄竹。（4）半纤维素半纤维素的主要成分是聚戊糖、多已糖、多己糠醛、多戊糖的衍生物及其混合物，是植物的重要化学组成。从表1可以看出，竹龄为3年的毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为2 3.6 1%2 6.7 1%，其中毛竹的半纤维素含量最高达到2 6.7 1%，硬头黄竹的半纤维素含量最低，为2 3.6 1%，半纤维素含量高低排序依次为毛竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹和硬头黄竹。（5）木质素木质素亦称木素，是植物细胞的主要成分之一，是以苯基丙三醇为基本单元，通过各位置形成碳碳键或者醚键聚合的种类极多且聚合度差异极大度聚合物的混合物，是植物细胞壁形成中重要的物质组成。从表1可以看出，毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为2 4.6 5%2 6.7 1%，其中茶秆竹的木质素含量最高达到2 6.7 1%，淡竹的木质素含量最低，为2 4.6 5%，木质素含量高低排序依次为茶秆竹、毛竹、毛金竹、硬头黄竹和淡竹。(6)纤维素纤维素是植物细胞壁的主要成分，是植物细胞的主要成分之一，是由小分子葡萄糖聚合而成的大分子多糖，在植物细胞形成过程中发挥着重要作用。从表1可以看出，毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹脂蜡质含量变化范围为37.95%39.6 3%，其中淡竹的纤维素含量最高达到39.6 3%，毛金竹的纤维素含量最低，为37.95%，纤维素含量高低排序依次为淡竹、毛竹、茶秆竹、硬头黄竹和毛金竹。2.2江西几种竹材气干密度特征竹材的密度与其物理机械性能具有较强的相关性，一般地，竹材的密度越大，其物理机械性能越好。竹材的密度一般有生材密度、绝干密度、基本密度和气干密度四种类型，其中气干密度最常用，是生产加工中常用的物理性能指标。竹材的气干密度主要反映竹材在一定大气状态下，达到平衡含水率时密度大小的指标。从表2 和图2 可以看出，在相同条件下，毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹气干密度分别为：0.7 9、0.6 1、0.6 7、0.64、0.5 9，毛竹表现出最好的机械性能。表2江西几种竹材气干密度特征g/cm3样品毛竹硬头黄竹茶秆竹淡竹毛金竹气干密度0.790.610.670.640.590.8/8)/士0.60.40.2-0.0ABCDE图2江西几种竹材的气干密度柱状图，A、B、C、D、E分别代表手竹，硬头黄竹，茶杆竹淡竹和手金竹代表毛竹、硬头黄竹、茶杆竹、淡竹和毛金竹2.3江西几种竹材机械性能竹龄为3年的5 种典型材用竹机械性能结果如表3和图3所示。从表3和图3可以看出，毛竹、硬头黄竹、茶秆竹、淡竹、毛金竹的拉伸强度分别为：2 2 6.7 8 MPa、2 0 1.2 4M P a、2 19.5 4M P a、170.83MPa、2 2 0.6 3M P a，毛竹抗拉神强度最好；拉伸模量分别为：30.5 7 GPa、35.2 1G P a、2 8.7 2 G P a、2 9.2 7 G P a、2 3.5 6 G P a，硬头黄竹拉伸模量最大，抗拉伸能力最好；抗弯强度分别为：163.18MPa、146.7 8 M P a、2 7 6.6 3M P a、17 6.7 5 M P a、16 5.2 5 M P a，茶秆竹的抗弯强度最大；弯曲模量分别为：10.7 9GPa、11.5 2 G P a、9.87GPa、13.2 1G P a、10.2 6 G P a，淡竹的弯曲模量最大，抗弯曲能力最好；抗压强度分别为：7 6.6 4MPa、6 0.8 9M P a、12 1.6 7 M P a、67.54MPa、7 2.0 1M P a，茶秆竹的抗压强度最大；抗剪强度分别为：19.12 MPa、2 0.2 5 M P a、15.32 M P a、13.6 5 M P a、10.35 M P a，硬头黄竹的抗剪强度最大。综合上述机械强度数据分析，毛竹和茶秆竹表现出的机械性能较优。表3江西几种竹材机械性能弯曲抗拉强拉伸模抗弯强抗压强抗剪强样品模量度/MPa量/GPa度/MPa度/MPa度/MPa/GPa毛竹226.7830.57163.1810.7976.6419.12硬头201.2435.21146.7811.5260.8920.25黄竹茶秆竹219.5428.72276.639.87121.6715.32淡竹170.8329.27176.7513.2167.5413.65毛金竹220.6323.56165.2510.2672.0110.35注：所取竹材的竹龄为3年，机械性能测试部位为竹材中部。25020015010050-0ABCDE322023年4月试验与研究江西建材40302010-一ABCDE3002001000ABCDE151050ABCDE150100500ABCDE252015,1050ABCDE图3江西几种竹材机械性能柱状图,A、B、C、D、E分别代表毛竹、硬头黄竹、茶杆竹、淡竹和毛金竹3结论综合上述5 种典型材用竹化学组成数据分析，可以得出如下结论。（1）毛竹和茶秆竹在半纤维素、木质素和纤维素含量相较于其他三种竹材高，其在气干密度和机械性能综合方面表现也更加优异。（2）5 种典型材用竹的化学组成半纤维素、木质素和纤维素含量与竹材气干密度和机械性能成正相关。参考文献1】费本华竹业引领人类生活更美好J.世界竹藤通讯，2 0 19，17(4):1-4.2唐书聪，程玉娜，邓必平.新时代江西竹产业高质量发展问题与对策J.绿色科技，2 0 2 1，2 3（19）：115-116.【3万发令，王进杰，吴玉芳新时代江西竹产业高质量发展的对策思考J】.世界竹藤通讯，2 19，17（2）：5 3-5 6.43王鹏程，刘君，汪佑宏，等唐竹秆枝纤维形态特征的研究J.西北林学院学报，2 0 19，34（5）：2 0 8-2 11.5雷刚，王鹏程，汪佑宏，等。皖南几种散生竹主要材性研究【J。西北林学院学报，2 0 2 2，37（2）：2 2 3-2 2 8.6孕李光荣，辜忠春，李军章毛竹竹材物理力学性能研究【J.湖北林业科技，2 0 14，43（5）：44-49.【7 汪宏，吕悦孝，孙枭雄，等毛竹力学性能在竹家具中的应用研究J.世界竹藤通讯，2 0 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