福建主要竹材纤维特性的研究

摘要

竹材纤维的开发利用必须以其特性为依据。本论文以毛竹等12种福建主要竹材的纤维为研究对象,分析其纤维形态特征、壁上纹孔特征、化学成分、化学基团特征、纤维素聚合度和力学性能在不同因素下的差异,为竹材纤维原料的优化选择和高性能产品设计提供理论指导；并依据这些特性对不同竹种进行聚类分析,以期为竹类植物的分类提供一个新途径。
　　 1、福建主要竹材的纤维细长挺硬,腔小壁厚,内外壁光滑；径弦壁上稀疏均匀分布少量单纹孔或具缘纹孔,孔径小,一般小于1μm,和多数木材纤维的纹孔特征差异显著。
　　 2、福建主要竹材的纤维基本属于中长纤维,平均长度为1255.18～2330.88μm,平均宽度为11.61～17.64μm,平均长宽比为96.27～196,96,平均壁厚为2.59～6.11μm,平均腔径为1.17～3.49μm,平均壁腔比为1.83～8.62,长度集中分布在1000～2500μm之间,频率占到总数的70.16％～86.12％。竹龄、竹秆垂直部位和水平部位对各竹种的各纤维形态指标多数影响显著或极显著,但具体的影响规律因竹种和指标的不同而表现不一致；总的来看,纤维长度和长宽比多以2.5m和4.5m处较大,向两端递减；纤维宽度变化较不一致；纤维壁厚多以0.5m和2.5m处较大,4.5m处较小；纤维腔径多以2.5m较大,0.5m处较小；纤维壁腔比多以0.5m处较大,4.5m处较小。0.5m、2.5 m和4.5m处绿竹、毛竹和麻竹的纤维长度随竹龄增加而增加,或增加至四年处再减小:纤维宽度、壁厚和腔径基本随之增加；纤维长宽比变化规律较不一致,但四年生的数值介于中间或最大；纤维壁腔比增加至四年处再降低。
　　 3、不同解离方法下竹材纤维的纤维素和聚戊糖含量存在差异,其中“30％过氧化氢:95％冰醋酸:水=4:5:21”的离析条件相对温和；四年生慈竹、撑篙竹、吊丝单竹、粉单竹、绿竹、毛竹、麻竹和水竹八种竹材纤维的硝酸-乙醇纤维素含量在80.49％～87.89％之间,低于棉纤维的,高于亚麻纤维和胡麻纤维的；八种竹材纤维的聚戊糖含量在13.33％～19.06％之间,高于棉纤维、胡麻纤维和亚麻纤维的；绿竹、毛竹和麻竹三种竹材纤维的硝酸-乙醇纤维素含量随着年龄的增加先增大后减小,而其聚戊糖含量则是随之增加。
　　 4、四年生慈竹、撑篙竹、吊丝单竹、粉单竹、绿竹、毛竹、麻竹和水竹八种竹材纤维的纤维素聚合度为958～1141,平均粘均分子量约为1.5×108～1.8×105,数值由小到大依次为绿竹、吊丝单竹、毛竹、麻竹、撑篙竹、水竹、慈竹、粉单竹；随着测定时间的延长,各竹材纤维的纤维素聚合度降低。
　　 5、同竹龄不同竹种竹材纤维的红外特征吸收峰及其归属情况基本一致。四年生慈竹、撑篙竹、吊丝单竹、粉单竹、绿竹、毛竹、麻竹和水竹八种竹材纤维在3421～3431cm-1、2919～2924cm-1、1733～1735cm-1、1632～1634cm-1、1375～1378cm-1、1162～1165cm-1、895～896cm-1等处有吸收峰,验证了其主要化学成分为纤维素、半纤维和木质素。但还是有些表征三大素的吸收峰并未出现或出峰很小,说明了木质素中的一些基本结构单元发生不同程度的分解,并且,解离纤维以除去大部分木素的同时,不可避免地对纤维素和半纤维素产生了一定程度的降解。
　　 6、四年生毛竹和麻竹纤维的平均抗拉强度分别为1.81 GPa和2.58GPa,平均拉伸模量分别为28.87GPa和46.61 GPa,即从抗拉强度和拉伸模量两项力学性能来看,麻竹纤维要优于毛竹纤维,但两者都显著优于木材纤维。
　　 7、根据八种竹材纤维七个性能的数值差异进行聚类分析表明,相似性较高的毛竹和麻竹、慈竹和粉单竹,分别较早地聚成一类。如果聚成2类,慈竹、撑篙竹和粉单竹为一类,吊丝单竹、毛竹、麻竹、绿竹和水竹为一类。该研究结果丰富了竹材的分类途径。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 研究意义

1.2 文献综述

1.2.1 竹材纤维的生物学特性研究

1.2.2 竹材纤维利用适应性的评判

1.3 研究目标和拟解决的关键问题

2 材料与方法

2.1 技术路线

2.2 试材采集地概况

2.3 试验对象

2.4 试材采集

2.5 试验化学试剂

2.6 试验仪器设备

2.7 试验方法

2.7.1 竹材纤维形态的测定

2.7.2 竹材纤维的SEM观察

2.7.3 竹材纤维化学性质的分析

2.7.4 竹材纤维力学性能的测定

2.8 数据处理与分析方法

3 结果与分析

3.1 福建主要竹材纤维形态及其差异分析研究

3.1.1 竹龄和竹秆垂直部位对竹材纤维形态的影响

3.1.2 竹龄对竹材纤维形态影响的进一步分析

3.1.3 竹秆水平部位对竹材纤维形态的影响

3.1.4 竹材纤维长度的频率分布

3.1.5 小结与讨论

3.2 福建主要竹材纤维壁上纹孔特征

3.3 福建主要竹材纤维化学性质的差异分析

3.3.1 福建主要竹材纤维化学成分的差异分析

3.3.2 竹材纤维的纤维素聚合度差异分析

3.3.3 竹材纤维的红外光谱分析

3.4 福建主要竹材纤维力学性能的分析研究

3.5 福建主要竹材纤维的聚类分析

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢