第二章　竹材结构与纺织用竹材选择

第一节　竹材的物理解剖结构与化学组成

一、竹材的物理解剖结构

竹植物体可分为地上和地下两部分，地上部分包括竹秆、枝和叶等；地下部分包括竹根、地下茎及鞭根。竹类植物的繁殖主要靠地下茎上的芽发笋成竹繁衍后代，因此根据地下茎的类型和特点，竹类植物可分为：散生竹、丛生竹、混生竹。散生竹：单轴型地下茎即竹鞭节上侧芽萌发出土长成的稀疏散生状竹秆；丛生竹：合轴型粗大短缩的地下茎顶芽出土长成的呈密集丛生状的竹株；混生竹：兼具单轴型、合轴型地下茎特点，属复轴型地下茎，竹林散生状，而几株竹株又可以相对成丛状。竹材人造板主要利用的是散生竹毛竹，而竹浆造纸、竹纤维制品的原料主要是丛生竹。我国南方拥有丰富的丛生竹资源，全国丛生竹林面积约100万公顷以上，占竹材资源总量近20%，每年产竹材超过500万吨。研究表明，丛生竹的纤维形态、力学性能、纤维含量总体上优于散生竹，是一种优良的天然纤维原料，是纺织用竹纤维的主要原料。

由于竹纤维的制取多用竹秆部，在此主要对竹秆的结构进行分析。

1.竹秆的宏观结构

竹秆在宏观上由三部分构成，即竹皮（竹青）、竹肉和髓外组织（竹黄），如图2-1所示。竹皮是在横切面上见不着维管束的最外侧部分，且竹皮结构致密，在纤维制取时可将其先行剥离另做他用（如竹席、竹帘等）；髓外组织是竹秆邻接竹腔的部分，也不含维管束；竹肉是竹皮和髓外组织之间的部分，在横切面上分布着许多呈深色的菱形斑点即维管束，维管束是获取纤维的唯一来源，维管束之间是基本组织。图2-2是竹秆茎壁维管束的立体结构图，从图中可见，维管束散布在基本组织之间，在纵切面上可见两者间隔配置。竹材的宏观结构是竹材成纤机理分析的基础。

2.竹秆的微观结构

竹秆的微观解剖构造由竹皮系统、基本系统和维管系统组成。其中，基本系统和维管系统会影响竹纤维的制取。

基本系统包括基本组织和髓外组织。基本组织为薄壁细胞组织，细胞一般较大，大多数胞壁较薄，在横切面上多近于呈圆形，具有明显的细胞间隙。基本组织主要分布在维管束系统之间，其作用相当于填充物，是竹材构成中的基本部分，它们比较疏松，起缓冲作用，刚柔相济以增强竹秆弹性。髓外组织包括髓环和髓，髓环位于髓腔竹膜的外围，髓一般由大型薄壁细胞组成，呈一层半透明的薄膜黏附在秆腔内壁周围，俗称竹衣。在竹纤维制取过程中，基本组织和髓外组织都是要去除的部分。

1—外方纤维股　2—薄壁细胞

3—维管束外鞘　4—初生韧皮部的筛管

5—导管　6—后生木质部分子

7—细胞间隙　8—内方纤维股

维管系统是竹纤维制取的主要对象，在此作重点介绍。维管系统由若干维管束组成，维管束包藏于基本薄壁组织之中，是输导组织（导管、筛管）、维管束鞘和纤维组织在形态上共同构成的一个复合组织。图2-3是一个维管束的微观结构图。竹材通过维管束中的筛管与导管下连鞭根，上连枝叶，沟通整个植物体，以输送营养。由于竹子个体通常比较高大，为保证输导组织的通畅，在输导组织的外缘需要有比较坚韧的强固组织加以保护，这就是竹子维管束鞘比较发达的原因。纤维组织部分与维管束鞘连接，部分被薄壁细胞隔开，形成一个或两个纤维股，即外纤维股和内纤维股。其中除去薄壁细胞和纤维股的部分称为中心维管束。纤维组织是竹材结构中的一类特殊细胞群体，也是制取竹纤维要提取的对象。大量实测结果发现，竹材纤维组织比量（指纤维在竹材中所占的比例）一般均小于薄壁细胞组织比量，占总组织的40%左右。其形态特点是形长、两端尖，纤维长度多在1.5～2.0mm，最长为5mm，并以竹秆中部为最大，宽度一般为10～14μm，纤维壁较厚，并随竹龄逐增。

竹秆的维管束不均匀的散布于基本组织中，外部密、内部疏，外部小、内部逐渐增大，适合于竹纤维制取的纤维群体全部分布于维管束上。维管束的形态、大小和数量随竹子品种的不同而有所差异，从而也对竹纤维的制取造成一定影响。竹类维管束微观形态的研究已有70余年的历史，20世纪60年代，李正理、朱慧方等对维管束形态解剖结构进行了系统的研究，提出将维管束形态作为丛生竹、散生竹划分的依据，70年代原联邦德国的D. Grosser 与W. Liese对亚洲14属52种竹子做了维管束解剖研究，80年代初中国的温太辉又对产自中国的28属105个竹种的维管束类型进行了研究，他全面总结了前人的研究成果，提出竹类维管束可分为双断腰型、断腰型、紧腰型、开放型和半开放型5大基本类型（图2-4）。

双断腰型的维管束被薄壁细胞分隔为三部分，即中心维管束的外方和内方各增生一个纤维股；断腰型的维管束由两部分组成，中心维管束和一个纤维股，纤维股位于中心维管束的内方；紧腰型的维管束不存在纤维股，仅有中心维管束，其中内方维管束鞘显著地较其他三个大，并向左右呈扇形延伸；开放型维管束只有一部分，即没有纤维股的中心维管束，四个维管束鞘大小近相等、相互对称；半开放型的维管束也不存在纤维股，但侧方与内方维管束鞘相连接。竹类维管束形态的研究，不仅有助于鉴别竹种，对竹纤维的制取也有一定的指导作用。

1—双断腰型　2—断腰型　3—紧腰型　4—开放型　5—半开放型

二、竹材的化学成分

竹材的化学成分和麻类植物相似，主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。一般来说，整竹由50%左右的纤维素、25%～30%的戊聚糖和20%～25%的木质素组成，另外还有少量的果胶、蜡脂质和灰分等。在纺织领域除了纤维素以外的成分常被称为胶质。

纤维素是植物中含量最为广泛的物质之一，由纤维素构成的纺织纤维是纺织工业的重要原料，也是竹纤维制取中主要保留的部分。目前对纤维素大分子的化学结构一致认为：纤维素是由β型D-葡萄糖通过1，4甙键互相连接而成的直链型高分子化合物，在每一个葡萄糖基环上有三个羟基，其中一个是伯羟基，其他两个是仲羟基（图2-5）。由于纤维素大分子中存在甙键，在酸和高温水的作用下，甙键断裂使纤维素发生水解，然而甙键对碱的作用具有相当高的稳定性，因此脱胶多是在碱性条件下进行。纤维素会受到氧化剂的作用，纤维素的氧化作用主要发生在葡萄糖基环中的羟基上，氧化成醛基（-CHO）和羧基（-COOH）。在超分子结构上，纤维素大分子具有结晶结构，这种结晶结构以及由于结晶使大分子间存在的氢键键合都会在一定程度上影响纤维的强度、弹性、浸透性、润胀能力、柔软性能和化学反应性能。纤维素不溶于水。

木质素是植物界含量仅次于纤维素的有机大分子物质，是植物的基本化学组成之一。木质素的结构复杂，至今不能用简单的语言或表达式表达，通常认为木质素是一种具有芳香族特性、其结构单元为苯丙烷型的三维高分子网状化合物，分子量不大（1000～50000），主要有愈创木基、紫丁香基、对羟基三种类型（图2-6）。竹木质素三种类型按68:22:10的分子比组成。

从上述结构看，木质素大分子上除含有相当量的甲氧基外，还有羟基、羰基、羧基及双键等特征官能团，很难全部降解和去除，至今无法得到木质素的纯样品。木质素在植物中起着支撑作用，粘结纤维素，使植物具有承受机械作用的能力。木质素主要存在于植物细胞的胞间膜及细胞壁的外层，其中，一部分木质素与半纤维素有化学连接，但与纤维素间未发现有化学结合，因此，木质素的脱除对半纤维素的去除来说也十分重要。木质素含量的多少是影响纺织纤维品质的重要因素之一，木质素含量少，纤维光泽好、白度高、柔软并富有弹性，可纺性及染色性能均好。因此，在竹纤维制取工艺中应尽量去除木质素，但对纺织工艺纤维来说，工艺条件要掌握适度，否则会使工艺纤维解体，甚至无法用于纺纱。木质素易与氯发生氯化反应，氯化木质素易溶于氢氧化钠等碱液中，因此采用氯化—碱煮法可以有效脱除植物纤维中的木质素；木质素与碱反应可生成碱木质素；另外，木质素易受氧化剂作用而裂解，如过氧化氢、空气中的氧以及臭氧等氧化剂在一定条件下都易与木质素发生不同程度的氧化作用，形成碳酸、甲酸、醋酸、草酸等。木质素的这些特点在对其进行脱除时均可加以利用。

半纤维素是植物组织中与纤维素相伴生、与之结构相似的一种低分子质量（其平均聚合度为50～200）的无定形物质，是由两种或两种以上的单糖组成的不均一聚糖，大多带有短侧链。根据水解时生成糖基的不同，半纤维素可分为多缩戊糖类、多缩己糖类、多缩糖醛酸类半纤维素（水解后单糖的分子式见图2-7），竹材中多缩己糖含量甚微。半纤维素绝大部分位于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上，也可认为是纤维素细胞间的填料和粘结物质，因此脱胶时要去除半纤维素物质。半纤维素区别于纤维素首先是在一些试剂中的溶解度大，易溶于碱溶液中，甚至在水中也能部分溶解，因此在以碱为主要成分的脱胶剂中煮练时，半纤维素绝大部分能在碱液中裂解为单糖，但也有少部分顽固性抗碱物质的存在；其次，半纤维素由于其无定形结构，吸湿、溶胀、渗透都比纤维素高得多，因此，部分半纤维素的存在既有利于竹纤维脱胶加工，又是单纤维间粘连成束所需要的。

果胶类物质是一种具有较高聚合度的酸性胶状碳水化合物复合体，代表高等植物初级细胞壁和相邻细胞间紧密结合的一组多糖。在植物纤维学中认为果胶物质是植物生长纤维素、半纤维素和木质素的营养物质。一般认为，其组成成分主要是果胶酸以及果胶酸的衍生物（果胶酸以及果胶酸甲酯的分子式见图2-8），包括果胶酸甲酯和果胶酸的钙、镁盐。其中前者可溶于水，后者虽不溶于水，但对酸和碱作用的稳定性较低，经过稀碱溶液的沸煮可使其长分子链裂解，去除率较高。竹材果胶含量较低，且易于去除。

蜡脂质是能用有机溶剂提取的部分，其中以蜡质为主。蜡质的组成很复杂，主要成分为高级饱和脂肪酸和高级一元醇组成的脂，此外还含有游离的高级羧酸以及烃类物质，其水解产物主要有高级一元醇类（如山蜡醇C28H57OH、棉蜡醇C30H61OH等）、游离的高级羧酸类（如软脂酸C15H31COOH、硬脂酸C17H35COOH、山脂酸C27H55COOH等）、高级脂肪酯类（如软脂酸酯、硬脂酸酯等）、烃类（如三十烷烃C30H62、三十一烷烃C31H64等）。在脱胶过程中，蜡脂质并不是要去除的对象，因为它赋予纤维以光泽、柔软及松散性，对可纺性是有利的。但由于脱胶过程中须经碱、酸等试剂处理，因此这部分物质将不可避免地被酸水解或被碱皂化，使脱胶后的纤维变得粗糙、板结和硬脆。为了改善这种情况，在脱胶后通常设有给油工序予以弥补。

灰分大多为金属和非金属的氧化物及无机盐类物质，如SiO2、P2O3、Fe2O3、 CaO、 MgO、K2O以及钙、镁和钾盐等。无机盐类物质的存在对纤维的吸水性、白度、手感都有一些影响，而且某些盐类和氧化铁等对漂白剂的分解有催化作用，因此应去除灰分。在棉纤维中灰分含量约占1%，对于竹材来说表皮中的灰分含量较高，而竹肉中的灰分含量较低，故在以下各章节中未进行测试。

竹子的化学成分在不同的属种、不同的竹龄之间均有差别，甚至与竹秆高度及部位密切相关，如竹秆外侧的纤维素明显多于竹秆内侧。中国林业科学研究院早在1963年即对8种竹材的化学成分进行了研究，马灵飞等曾对部分丛生竹、散生竹竹种的化学成分进行过测试，这些结果对纺织纤维制取用竹材的选用可提供借鉴，但化学成分是否是纺织用竹材选择的唯一依据或最重要的依据，将在下文中予以探讨。