張金燁，姚文斌，張 蔚，俞偉鵬，祁獻超，徐海宇

(1.浙江農(nóng)林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江農(nóng)林大學暨陽學院，浙江 紹興 311800)

竹材一般用于造紙制漿、竹板材或竹編工藝品等領(lǐng)域，其附加值低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展正受到挑戰(zhàn)。近年來，竹原纖維作為一種性能優(yōu)異的植物纖維,在室內(nèi)家居、汽車內(nèi)飾等領(lǐng)域獲得應用，其附加值高，工業(yè)應用前景廣闊，為竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了可能[1]。竹原纖維物理形態(tài)和性質(zhì)與其應用范圍密切相關(guān)，在生產(chǎn)的過程中應做好對不同竹材種間材性的關(guān)注,并加強對其的研究和探索，解決竹材加工利用中不同竹種存在差異、機械開纖時竹纖維難提取等問題。

竹材種屬可分為叢生竹、散生竹和混生竹3類，叢生竹面積最大，散生竹第二。叢生型竹主要有慈竹(Neosinocalamusaffinis)、硬頭黃(Bambusarigida)、麻竹(Dendrocalamuslatiflorus)、撐篙竹(B.pervariabilis)等。散生型竹主要有剛竹(Phyllostachyssulphurea)、水竹(Ph.heteroclada)、毛竹(Ph.edulis)等?；焐椭裼锌嘀?Pleioblastusamarus)、箬竹(Indocalamustessellatus)等[2]；不同竹種纖維形態(tài)存在差異，叢生型竹有著最大的維管束長度、寬度和長寬比,散生竹最小,混生竹居中[3]；不同竹種纖維組織比量存在差異纖維組織比量越高其纖維得率越高[4-7]；不同竹材含水率存在差異，含水率會改變竹材的機械強度從而影響竹材制品的質(zhì)量[8]；現(xiàn)階段毛竹由于其竹類資源的巨大優(yōu)勢成為了學者與工業(yè)加工的研究熱點，但其它種屬的竹材研究開發(fā)的廣度、深度得不到拓展。不同竹材機械分離效果的研究較少，竹材特性對制備纖維的質(zhì)量未見報道。

研究根據(jù)現(xiàn)有的軟化工藝，采用堿液煮沸軟化法，討論了竹材種類、初始含水率、軟化方法對各竹材機械開纖條件、纖維特性的影響。采用堿液煮沸設(shè)備對竹材進行軟化試驗，使用機械碾壓開纖機對竹材進行機械開纖試驗，通過記錄增重率、得纖率以及纖維特性和物理形態(tài)來評價開纖的效果。研究了不同竹材、不同條件對機械開纖效果的影響，為實現(xiàn)各類竹材的高效利用、各類竹材纖維找到最合理的應用領(lǐng)域提供技術(shù)支撐和經(jīng)濟性評價依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該實驗所選用的竹材均來自四川宜賓，竹齡是2 a，其中有硬頭黃、毛竹、慈竹、苦竹等材料。不同竹種高度、胸徑存在不同，為保證試驗的準確，取各竹種長勢良好無病害的竹中部位一段為試驗用材。將不同種類的竹材切筒、開片后，根據(jù)容器和試驗要求剖成竹片。試驗所用竹片的尺寸均為：1 500 mm×20 mm×10 mm (長×寬×高)。

軟化試劑：氫氧化鈉(NaOH)，化學分析純。

1.2 試驗設(shè)備

竹材剖片機:浙江農(nóng)林大學課題組自制；鼓風干燥箱：DHG-9240A，上海溪乾儀器設(shè)備有限公司；蒸煮軟化設(shè)備：DZFZ-3-0.4,東陽市佳先機械制造有限公司；電子天平：BSM-2200，上海卓精電子科技有限公司；機械碾壓開纖機：浙江農(nóng)林大學課題組自制；纖維細度儀：YG002，溫州百恩儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1堿液煮沸軟化 將竹筒用竹材剖片機制成竹片，再放入蒸煮軟化設(shè)備中進行軟化試驗，軟化試劑濃度為5%，蒸煮溫度為200℃。試驗時保證溶液沒過竹片，防止竹材漂浮對軟化效果產(chǎn)生影響。軟化時間為6 h時，取出竹片分別測量其質(zhì)量，測量時將竹片從蒸煮軟化設(shè)備中取出，瀝干表面上的溶液后稱量其質(zhì)量并記錄。

1.3.2增重率測定 對于竹材軟化溶液的滲透效果，選用質(zhì)量增重率來評價，其計算公式如下：

式中：W1為增重率；m0為堿液煮沸軟化試驗前的竹片質(zhì)量；m1為滲透試驗后的竹片質(zhì)量。

1.3.3纖維得率測定 對于各竹材開纖性能效果，選用纖維得率來評價，其計算公式如下：

式中：W2為纖維得率；m2為烘干后竹纖維的絕干質(zhì)量，m3為堿液煮沸軟化試驗前的竹片的絕干質(zhì)量。

1.3.4纖維長度測定 竹纖維的長度指的是竹纖維的縱向尺寸，使用手排長度測試方法將彎曲狀纖維捋直后繪制在坐標軸上，測量其長度值，每根纖維測量3次取其平均值。

1.3.5纖維細度測定 纖維的細度指的是纖維直徑或截面面積的大小，采用纖維寬度法測量竹纖維細度。

1.3.6纖維力學性能測定 竹纖維拉伸性能測試參考竹原纖維斷裂強度測試方法(DB51/T2149.4-2016)進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸煮軟化處理對不同竹林纖維開纖效果的影響

將不同竹材的試件尺寸制作為1 500 mm×20 mm×10 mm(長×寬×高)，放入蒸煮軟化設(shè)備，設(shè)施溫度為200 ℃，軟化液質(zhì)量分數(shù)為5%，軟化時間6 h。每種竹材含水率都設(shè)置2個區(qū)間，分別為新鮮竹材組與干燥竹材組。試驗結(jié)束后將試件從蒸煮軟化設(shè)備中取出，瀝干表面上的溶液后稱量其質(zhì)量并記錄。采用機械碾法進行竹纖維的制取，各竹片選取的部位一致，有且只有1個竹節(jié)。

由表1可知，不同竹材開纖的適宜條件存在不同。叢生竹(硬頭黃、慈竹)在蒸煮軟化處理時間為6 h時獲得了較高的增重率和最終含水率，且纖維得率較高。經(jīng)過機械碾壓開纖后慈竹新鮮試件纖維得率最高，為65.47%，比同樣是叢生竹的硬頭黃提高了22.12%；散生竹(毛竹)增重率和最終含水率較低，新鮮組與較干組在最終含水率上差異最大，新鮮組試件最終含水率比絕干組提高了112.8%，提取的竹纖維最少，較干組纖維得率為34.74%；混生竹(苦竹)增重率和最終含水率在叢生竹與散生竹之間，較干組試件最終含水率大于新鮮組，提高了18%；這是由于各種竹材結(jié)構(gòu)不同，竹種維管束大小、分布結(jié)構(gòu)不盡相同，叢生竹維管束形體大、密度小，散生竹維管束形體小、密度大[9]。維管束中的木質(zhì)部導管是傳輸水分和無機鹽的重要通道，叢生竹節(jié)間木質(zhì)部導管里沒有侵填體的存在，侵填體會堵塞導管使其喪失疏導功能[3，10]。叢生竹的組織纖維平均比量比散生竹高，纖維組織比量大的竹材有更高的纖維得率[6-7]。在相同條件下軟化參數(shù)對叢生竹與混生竹的影響大于散生竹，能獲得較好的軟化效果且纖維得率高。

表1 不同竹材開纖效果表

不同含水率竹材開纖的適宜條件存在不同，新鮮組試件碾壓開纖后纖維得率較高，較干竹材試件(初始含水率低)經(jīng)過蒸煮軟化后纖維得率低于新鮮竹材，其中慈竹組別差異最大為11.54%，含水率對毛竹的纖維得率影響較小，初始含水率為5%的試件較新鮮組纖維得率降低了12.20%。這是由于含水率是竹材力學性能的重要影響因素，在含水率絕干到纖維飽和點范圍內(nèi)，物理力學性能隨著含水率的增大而降低[11]。最終含水率的不同會導致竹材宏觀力學性能的變化從而影響其在機械碾壓開纖機上的性能，軟化改性后的竹片的含水率越高，竹材力學性能越差，其基體的結(jié)合力越小，越容易開纖，纖維得率更高。

在生產(chǎn)加工中，叢生竹由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢其增重率較高，在軟化過程中含水率高，達到機械制纖所需條件的時間短。叢生竹纖維組織比量大，機械開纖得率高。在實際生產(chǎn)中應選擇較低初始含水率的叢生竹竹材，在節(jié)省工序時間的同時獲得較高的纖維得率。

2.3 蒸煮軟化處理對不同竹材纖維長度的影響

將蒸煮軟化處理后的竹片從蒸煮軟化設(shè)備中取出，擦去表面的堿液，采用機械碾壓的方法制取纖維，竹片長度為60 cm，碾壓過程中竹片橫向產(chǎn)生變形分裂成束。梳理后的纖維需要經(jīng)過進一步的清洗和風干。不同竹材纖維的長度測量結(jié)果見表2。

表2 竹材纖維長度對比表

根據(jù)不同竹材的開纖其長度分布占比繪制頻率與長度分布圖與竹材纖維長度對比表。如表所示新鮮組硬頭黃的平均纖維最長為40.57 cm，竹纖維長度在45～60 cm區(qū)間占比最大；新鮮組里苦竹的纖維平均長度最短38.95 cm，竹纖維長度在45～56 cm區(qū)間占比最大；干燥組里毛竹的平均纖維最長39.05 cm，纖維長度在35～45 cm區(qū)間占比最大。干燥組里苦竹平均長度最短為36.38 cm，纖維長度在35～45 cm區(qū)間占比最大。

由表2可以看出影響不同竹種制備的竹纖維長度存在差異但變異系數(shù)較小，不同的竹材制取的纖維長度良好且相對均勻，能保證一定的長度。新鮮竹材機械制取的纖維平均長度普遍大于干燥組制取的纖維，硬頭黃與苦竹新鮮組與干燥組制取的纖維差距最大，毛竹新鮮組與干燥組制取的纖維差距最小。新鮮的竹材更適合制取長纖維產(chǎn)品。

由圖1可以看出，蒸煮軟化處理后不同竹材開纖得到的纖維長度分布接近，各竹材機械制得的竹纖維長度從短到長呈遞增趨勢，纖維長度在45～60 cm區(qū)間占比最大，達到半數(shù)以上。

圖1 新鮮竹材纖維長度分布Fig.1 Length distribution of fresh bamboo

由圖2可以看出，蒸煮軟化處理后不同的竹材開纖得到的纖維在長度分布接近，各竹種竹片制得的竹纖維長度從短到長呈先遞增后下降趨勢，纖維長度在30～45 cm區(qū)間占比最大，相比于新鮮組試樣，干燥組竹材制得的竹纖維在短纖維長度區(qū)間分布較少，絕大部分纖維長度在30 cm以上。

圖2 干燥竹材纖維長度分布Fig.2 Fiber length distribution of dried bamboo

竹種對纖維長度影響較小，各竹材機械提取的纖維長度分布差異不顯著。初始含水率對其機械開纖后的纖維長度影響顯著，干燥竹材制備的短絨狀纖維少，長纖維占比高。在竹材加工應用時，應對竹材進行適當?shù)母稍锾幚?，有利于較長纖維的制備，拓展其應用范圍。

2.4 蒸煮軟化處理對不同竹材纖維細度的影響

將機械碾壓制取的不同竹種纖維試樣分組并標記，記錄細度并取其平均值。

不同竹材制取的竹原纖維細頻率分布圖如圖，由圖4可以看出新鮮組硬頭黃、毛竹、慈竹纖維細度主要分布在100～175 μm、200～250 μm、150～225 μm區(qū)間，苦竹在225 μm細度區(qū)間分布最多。新鮮硬頭黃機械開纖均勻且細度小，平均細度為135.15 μm，纖維的細化效果最好。毛竹、苦竹纖維的細化效果差，開纖試驗得到的纖維變異系數(shù)大。

圖3 新鮮竹材纖維細度分布Fig.3 Fineness distribution of fresh bamboo fiber

圖4 干燥竹材纖維細度分布Fig.4 Fineness distribution of dried bamboo

不同新鮮竹材制取的竹纖維細度頻率分布如圖4所示。干燥組硬頭黃竹的平均纖維直徑為 137.81 μm，纖維的細化效果最好。從干燥組纖維細度頻率分布圖來看，纖維主要分布在100～200 μm區(qū)間，可以看出干燥組竹材種類對纖維細度的影響沒有新鮮組大，各竹材制得的纖維較為均勻且細度區(qū)間接近。

不同竹種機械開纖后纖維細度存在差異，細度在100～300 μm之間均有分布。低初始含水率竹材機械提取后纖維細度差異小，制備的纖維細度均勻。在竹材加工應用時，干燥處理后的竹材，有利于纖維質(zhì)量的控制，不會存在各竹材纖維良莠不齊的現(xiàn)象。

2.5 不同竹材纖維力學性能對比

將細度測試后的不同竹種纖維試樣隨機抽取，放置在電子多功能力學強力機上進行力學性能測試，每種竹材各制作30組試件，記錄并取平均值。

各竹材纖維力學性能由表3所示。由表3可以看出各竹材機械制取的竹原纖維力學性能存在顯著差異。硬頭黃與毛竹纖維力學性能較好，拉伸強度、拉伸模量均高于其它竹材纖維，其中硬頭黃纖維數(shù)值最大，說明其纖維剛性最強、抵抗彈性變形的能力最強。毛竹纖維斷裂伸長率最大，說明其纖維抗撕裂的程度最高。

表3 竹材纖維力學性能對比表

初始含水率對竹材蒸煮軟化實驗后機械提取的纖維力學性能影響不顯著，纖維力學性能與竹材的初始含水率不存在對應的規(guī)律。其中慈竹纖維力學性能受蒸煮軟化前含水率的影響最大，新鮮慈竹軟化處理后制取的纖維拉伸強度、拉伸模量分別較干組提高了86.63 MPa、5.02 GPa。

在竹纖維的加工利用方面，毛竹材竹纖維的力學性能更為優(yōu)異，其作為增強材在汽車材料、風電葉片材料、公路防護欄材料、船舶材料等領(lǐng)域更為適合。

3 結(jié)論

不同種類竹材蒸煮軟化處理后存在顯著差異，開纖的適宜條件存在不同。在相同條件下軟化參數(shù)對叢生竹與混生竹的影響大于散生竹，能獲得較好的軟化效果，且纖維得率高；不同初始含水率的同種竹材開纖的適宜條件存在不同，高初始含水率的竹材開纖效果更好，纖維得率更高。

竹材初始含水率對纖維長度影響顯著。新鮮組纖維平均長度排序為：硬頭黃>慈竹>毛竹>苦竹。硬頭黃的平均纖維最長為40.57 cm，竹纖維在45～60 cm區(qū)間占比最多；干燥組纖維平均長度排序為：毛竹>慈竹>硬頭黃>苦竹。毛竹的平均纖維最長為39.05 cm，纖維在35～45 cm區(qū)間占比最多；相比于新鮮組試樣，干燥組竹材制得的竹纖維在短纖維長度區(qū)間分布少，質(zhì)量更優(yōu)。

不同種類竹材機械提取后纖維細度存在差異，新鮮組竹種對細度影響更顯著，纖維在0～300 μm區(qū)間均有分布，硬頭黃機械開纖均勻且細度小，平均細度為135.15 μm，纖維的細化效果最好。毛竹、苦竹纖維的細化效果差，開纖試驗得到的纖維粗細不一；干燥組各竹材制得的竹原纖維較為均勻且細度區(qū)間接近，主要分布在100～200 μm區(qū)間。

竹材初始含水率對機械制取的纖維力學性能影響較小，不同竹種間纖維力學性能存在差異，其中毛竹纖維力學性能最為優(yōu)異，纖維拉伸強度、拉伸模量高。