第二章　竹材結構與紡織用竹材選擇

第一節　竹材的物理解剖結構與化學組成

一、竹材的物理解剖結構

竹植物體可分為地上和地下兩部分，地上部分包括竹稈、枝和葉等；地下部分包括竹根、地下莖及鞭根。竹類植物的繁殖主要靠地下莖上的芽發筍成竹繁衍后代，因此根據地下莖的類型和特點，竹類植物可分為：散生竹、叢生竹、混生竹。散生竹：單軸型地下莖即竹鞭節上側芽萌發出土長成的稀疏散生狀竹稈；叢生竹：合軸型粗大短縮的地下莖頂芽出土長成的呈密集叢生狀的竹株；混生竹：兼具單軸型、合軸型地下莖特點，屬復軸型地下莖，竹林散生狀，而幾株竹株又可以相對成叢狀。竹材人造板主要利用的是散生竹毛竹，而竹漿造紙、竹纖維制品的原料主要是叢生竹。我國南方擁有豐富的叢生竹資源，全國叢生竹林面積約100萬公頃以上，占竹材資源總量近20%，每年產竹材超過500萬噸。研究表明，叢生竹的纖維形態、力學性能、纖維含量總體上優于散生竹，是一種優良的天然纖維原料，是紡織用竹纖維的主要原料。

由于竹纖維的制取多用竹稈部，在此主要對竹稈的結構進行分析。

1.竹稈的宏觀結構

竹稈在宏觀上由三部分構成，即竹皮（竹青）、竹肉和髓外組織（竹黃），如圖2-1所示。竹皮是在橫切面上見不著維管束的最外側部分，且竹皮結構致密，在纖維制取時可將其先行剝離另做他用（如竹席、竹簾等）；髓外組織是竹稈鄰接竹腔的部分，也不含維管束；竹肉是竹皮和髓外組織之間的部分，在橫切面上分布著許多呈深色的菱形斑點即維管束，維管束是獲取纖維的唯一來源，維管束之間是基本組織。圖2-2是竹稈莖壁維管束的立體結構圖，從圖中可見，維管束散布在基本組織之間，在縱切面上可見兩者間隔配置。竹材的宏觀結構是竹材成纖機理分析的基礎。

2.竹稈的微觀結構

竹稈的微觀解剖構造由竹皮系統、基本系統和維管系統組成。其中，基本系統和維管系統會影響竹纖維的制取。

基本系統包括基本組織和髓外組織。基本組織為薄壁細胞組織，細胞一般較大，大多數胞壁較薄，在橫切面上多近于呈圓形，具有明顯的細胞間隙。基本組織主要分布在維管束系統之間，其作用相當于填充物，是竹材構成中的基本部分，它們比較疏松，起緩沖作用，剛柔相濟以增強竹稈彈性。髓外組織包括髓環和髓，髓環位于髓腔竹膜的外圍，髓一般由大型薄壁細胞組成，呈一層半透明的薄膜黏附在稈腔內壁周圍，俗稱竹衣。在竹纖維制取過程中，基本組織和髓外組織都是要去除的部分。

1—外方纖維股　2—薄壁細胞

3—維管束外鞘　4—初生韌皮部的篩管

5—導管　6—后生木質部分子

7—細胞間隙　8—內方纖維股

維管系統是竹纖維制取的主要對象，在此作重點介紹。維管系統由若干維管束組成，維管束包藏于基本薄壁組織之中，是輸導組織（導管、篩管）、維管束鞘和纖維組織在形態上共同構成的一個復合組織。圖2-3是一個維管束的微觀結構圖。竹材通過維管束中的篩管與導管下連鞭根，上連枝葉，溝通整個植物體，以輸送營養。由于竹子個體通常比較高大，為保證輸導組織的通暢，在輸導組織的外緣需要有比較堅韌的強固組織加以保護，這就是竹子維管束鞘比較發達的原因。纖維組織部分與維管束鞘連接，部分被薄壁細胞隔開，形成一個或兩個纖維股，即外纖維股和內纖維股。其中除去薄壁細胞和纖維股的部分稱為中心維管束。纖維組織是竹材結構中的一類特殊細胞群體，也是制取竹纖維要提取的對象。大量實測結果發現，竹材纖維組織比量（指纖維在竹材中所占的比例）一般均小于薄壁細胞組織比量，占總組織的40%左右。其形態特點是形長、兩端尖，纖維長度多在1.5～2.0mm，最長為5mm，并以竹稈中部為最大，寬度一般為10～14μm，纖維壁較厚，并隨竹齡逐增。

竹稈的維管束不均勻的散布于基本組織中，外部密、內部疏，外部小、內部逐漸增大，適合于竹纖維制取的纖維群體全部分布于維管束上。維管束的形態、大小和數量隨竹子品種的不同而有所差異，從而也對竹纖維的制取造成一定影響。竹類維管束微觀形態的研究已有70余年的歷史，20世紀60年代，李正理、朱慧方等對維管束形態解剖結構進行了系統的研究，提出將維管束形態作為叢生竹、散生竹劃分的依據，70年代原聯邦德國的D. Grosser 與W. Liese對亞洲14屬52種竹子做了維管束解剖研究，80年代初中國的溫太輝又對產自中國的28屬105個竹種的維管束類型進行了研究，他全面總結了前人的研究成果，提出竹類維管束可分為雙斷腰型、斷腰型、緊腰型、開放型和半開放型5大基本類型（圖2-4）。

雙斷腰型的維管束被薄壁細胞分隔為三部分，即中心維管束的外方和內方各增生一個纖維股；斷腰型的維管束由兩部分組成，中心維管束和一個纖維股，纖維股位于中心維管束的內方；緊腰型的維管束不存在纖維股，僅有中心維管束，其中內方維管束鞘顯著地較其他三個大，并向左右呈扇形延伸；開放型維管束只有一部分，即沒有纖維股的中心維管束，四個維管束鞘大小近相等、相互對稱；半開放型的維管束也不存在纖維股，但側方與內方維管束鞘相連接。竹類維管束形態的研究，不僅有助于鑒別竹種，對竹纖維的制取也有一定的指導作用。

1—雙斷腰型　2—斷腰型　3—緊腰型　4—開放型　5—半開放型

二、竹材的化學成分

竹材的化學成分和麻類植物相似，主要由纖維素、木質素和半纖維素組成。一般來說，整竹由50%左右的纖維素、25%～30%的戊聚糖和20%～25%的木質素組成，另外還有少量的果膠、蠟脂質和灰分等。在紡織領域除了纖維素以外的成分常被稱為膠質。

纖維素是植物中含量最為廣泛的物質之一，由纖維素構成的紡織纖維是紡織工業的重要原料，也是竹纖維制取中主要保留的部分。目前對纖維素大分子的化學結構一致認為：纖維素是由β型D-葡萄糖通過1，4甙鍵互相連接而成的直鏈型高分子化合物，在每一個葡萄糖基環上有三個羥基，其中一個是伯羥基，其他兩個是仲羥基（圖2-5）。由于纖維素大分子中存在甙鍵，在酸和高溫水的作用下，甙鍵斷裂使纖維素發生水解，然而甙鍵對堿的作用具有相當高的穩定性，因此脫膠多是在堿性條件下進行。纖維素會受到氧化劑的作用，纖維素的氧化作用主要發生在葡萄糖基環中的羥基上，氧化成醛基（-CHO）和羧基（-COOH）。在超分子結構上，纖維素大分子具有結晶結構，這種結晶結構以及由于結晶使大分子間存在的氫鍵鍵合都會在一定程度上影響纖維的強度、彈性、浸透性、潤脹能力、柔軟性能和化學反應性能。纖維素不溶于水。

木質素是植物界含量僅次于纖維素的有機大分子物質，是植物的基本化學組成之一。木質素的結構復雜，至今不能用簡單的語言或表達式表達，通常認為木質素是一種具有芳香族特性、其結構單元為苯丙烷型的三維高分子網狀化合物，分子量不大（1000～50000），主要有愈創木基、紫丁香基、對羥基三種類型（圖2-6）。竹木質素三種類型按68:22:10的分子比組成。

從上述結構看，木質素大分子上除含有相當量的甲氧基外，還有羥基、羰基、羧基及雙鍵等特征官能團，很難全部降解和去除，至今無法得到木質素的純樣品。木質素在植物中起著支撐作用，粘結纖維素，使植物具有承受機械作用的能力。木質素主要存在于植物細胞的胞間膜及細胞壁的外層，其中，一部分木質素與半纖維素有化學連接，但與纖維素間未發現有化學結合，因此，木質素的脫除對半纖維素的去除來說也十分重要。木質素含量的多少是影響紡織纖維品質的重要因素之一，木質素含量少，纖維光澤好、白度高、柔軟并富有彈性，可紡性及染色性能均好。因此，在竹纖維制取工藝中應盡量去除木質素，但對紡織工藝纖維來說，工藝條件要掌握適度，否則會使工藝纖維解體，甚至無法用于紡紗。木質素易與氯發生氯化反應，氯化木質素易溶于氫氧化鈉等堿液中，因此采用氯化—堿煮法可以有效脫除植物纖維中的木質素；木質素與堿反應可生成堿木質素；另外，木質素易受氧化劑作用而裂解，如過氧化氫、空氣中的氧以及臭氧等氧化劑在一定條件下都易與木質素發生不同程度的氧化作用，形成碳酸、甲酸、醋酸、草酸等。木質素的這些特點在對其進行脫除時均可加以利用。

半纖維素是植物組織中與纖維素相伴生、與之結構相似的一種低分子質量（其平均聚合度為50～200）的無定形物質，是由兩種或兩種以上的單糖組成的不均一聚糖，大多帶有短側鏈。根據水解時生成糖基的不同，半纖維素可分為多縮戊糖類、多縮己糖類、多縮糖醛酸類半纖維素（水解后單糖的分子式見圖2-7），竹材中多縮己糖含量甚微。半纖維素絕大部分位于纖維素細胞的胞間層和細胞壁上，也可認為是纖維素細胞間的填料和粘結物質，因此脫膠時要去除半纖維素物質。半纖維素區別于纖維素首先是在一些試劑中的溶解度大，易溶于堿溶液中，甚至在水中也能部分溶解，因此在以堿為主要成分的脫膠劑中煮練時，半纖維素絕大部分能在堿液中裂解為單糖，但也有少部分頑固性抗堿物質的存在；其次，半纖維素由于其無定形結構，吸濕、溶脹、滲透都比纖維素高得多，因此，部分半纖維素的存在既有利于竹纖維脫膠加工，又是單纖維間粘連成束所需要的。

果膠類物質是一種具有較高聚合度的酸性膠狀碳水化合物復合體，代表高等植物初級細胞壁和相鄰細胞間緊密結合的一組多糖。在植物纖維學中認為果膠物質是植物生長纖維素、半纖維素和木質素的營養物質。一般認為，其組成成分主要是果膠酸以及果膠酸的衍生物（果膠酸以及果膠酸甲酯的分子式見圖2-8），包括果膠酸甲酯和果膠酸的鈣、鎂鹽。其中前者可溶于水，后者雖不溶于水，但對酸和堿作用的穩定性較低，經過稀堿溶液的沸煮可使其長分子鏈裂解，去除率較高。竹材果膠含量較低，且易于去除。

蠟脂質是能用有機溶劑提取的部分，其中以蠟質為主。蠟質的組成很復雜，主要成分為高級飽和脂肪酸和高級一元醇組成的脂，此外還含有游離的高級羧酸以及烴類物質，其水解產物主要有高級一元醇類（如山蠟醇C28H57OH、棉蠟醇C30H61OH等）、游離的高級羧酸類（如軟脂酸C15H31COOH、硬脂酸C17H35COOH、山脂酸C27H55COOH等）、高級脂肪酯類（如軟脂酸酯、硬脂酸酯等）、烴類（如三十烷烴C30H62、三十一烷烴C31H64等）。在脫膠過程中，蠟脂質并不是要去除的對象，因為它賦予纖維以光澤、柔軟及松散性，對可紡性是有利的。但由于脫膠過程中須經堿、酸等試劑處理，因此這部分物質將不可避免地被酸水解或被堿皂化，使脫膠后的纖維變得粗糙、板結和硬脆。為了改善這種情況，在脫膠后通常設有給油工序予以彌補。

灰分大多為金屬和非金屬的氧化物及無機鹽類物質，如SiO2、P2O3、Fe2O3、 CaO、 MgO、K2O以及鈣、鎂和鉀鹽等。無機鹽類物質的存在對纖維的吸水性、白度、手感都有一些影響，而且某些鹽類和氧化鐵等對漂白劑的分解有催化作用，因此應去除灰分。在棉纖維中灰分含量約占1%，對于竹材來說表皮中的灰分含量較高，而竹肉中的灰分含量較低，故在以下各章節中未進行測試。

竹子的化學成分在不同的屬種、不同的竹齡之間均有差別，甚至與竹稈高度及部位密切相關，如竹稈外側的纖維素明顯多于竹稈內側。中國林業科學研究院早在1963年即對8種竹材的化學成分進行了研究，馬靈飛等曾對部分叢生竹、散生竹竹種的化學成分進行過測試，這些結果對紡織纖維制取用竹材的選用可提供借鑒，但化學成分是否是紡織用竹材選擇的唯一依據或最重要的依據，將在下文中予以探討。