第二章　竹材結(jié)構(gòu)與紡織用竹材選擇

第一節(jié)　竹材的物理解剖結(jié)構(gòu)與化學組成

一、竹材的物理解剖結(jié)構(gòu)

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(fā)筍成竹繁衍后代，因此根據(jù)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(jié)上側(cè)芽萌發(fā)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(chǎn)竹材超過500萬噸。研究表明，叢生竹的纖維形態(tài)、力學性能、纖維含量總體上優(yōu)于散生竹，是一種優(yōu)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(jié)構(gòu)進行分析。

1.竹稈的宏觀結(jié)構(gòu)

竹稈在宏觀上由三部分構(gòu)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(cè)部分，且竹皮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是竹材成纖機理分析的基礎(chǔ)。

2.竹稈的微觀結(jié)構(gòu)

竹稈的微觀解剖構(gòu)造由竹皮系統(tǒng)、基本系統(tǒng)和維管系統(tǒng)組成。其中，基本系統(tǒng)和維管系統(tǒng)會影響竹纖維的制取。

基本系統(tǒng)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(shù)胞壁較薄，在橫切面上多近于呈圓形，具有明顯的細胞間隙?；窘M織主要分布在維管束系統(tǒng)之間，其作用相當于填充物，是竹材構(gòu)成中的基本部分，它們比較疏松，起緩沖作用，剛?cè)嵯酀栽鰪娭穸拸椥浴Ｋ柰饨M織包括髓環(huán)和髓，髓環(huán)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(nèi)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(zhì)部分子

7—細胞間隙　8—內(nèi)方纖維股

維管系統(tǒng)是竹纖維制取的主要對象，在此作重點介紹。維管系統(tǒng)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(tài)上共同構(gòu)成的一個復合組織。圖2-3是一個維管束的微觀結(jié)構(gòu)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(yǎng)。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(fā)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(nèi)部疏，外部小、內(nèi)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(tài)、大小和數(shù)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(tài)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(tài)解剖結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究，提出將維管束形態(tài)作為叢生竹、散生竹劃分的依據(jù)，70年代原聯(lián)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(chǎn)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(jié)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(nèi)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(nèi)方；緊腰型的維管束不存在纖維股，僅有中心維管束，其中內(nèi)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(cè)方與內(nèi)方維管束鞘相連接。竹類維管束形態(tài)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(zhì)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(zhì)素組成，另外還有少量的果膠、蠟脂質(zhì)和灰分等。在紡織領(lǐng)域除了纖維素以外的成分常被稱為膠質(zhì)。

纖維素是植物中含量最為廣泛的物質(zhì)之一，由纖維素構(gòu)成的紡織纖維是紡織工業(yè)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(jié)構(gòu)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(huán)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(fā)生水解，然而甙鍵對堿的作用具有相當高的穩(wěn)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(fā)生在葡萄糖基環(huán)中的羥基上，氧化成醛基（-CHO）和羧基（-COOH）。在超分子結(jié)構(gòu)上，纖維素大分子具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及由于結(jié)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(zhì)素是植物界含量僅次于纖維素的有機大分子物質(zhì)，是植物的基本化學組成之一。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)復雜，至今不能用簡單的語言或表達式表達，通常認為木質(zhì)素是一種具有芳香族特性、其結(jié)構(gòu)單元為苯丙烷型的三維高分子網(wǎng)狀化合物，分子量不大（1000～50000），主要有愈創(chuàng)木基、紫丁香基、對羥基三種類型（圖2-6）。竹木質(zhì)素三種類型按68:22:10的分子比組成。

從上述結(jié)構(gòu)看，木質(zhì)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(zhì)素的純樣品。木質(zhì)素在植物中起著支撐作用，粘結(jié)纖維素，使植物具有承受機械作用的能力。木質(zhì)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(zhì)素與半纖維素有化學連接，但與纖維素間未發(fā)現(xiàn)有化學結(jié)合，因此，木質(zhì)素的脫除對半纖維素的去除來說也十分重要。木質(zhì)素含量的多少是影響紡織纖維品質(zhì)的重要因素之一，木質(zhì)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(zhì)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(zhì)素易與氯發(fā)生氯化反應，氯化木質(zhì)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(zhì)素；木質(zhì)素與堿反應可生成堿木質(zhì)素；另外，木質(zhì)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(zhì)素發(fā)生不同程度的氧化作用，形成碳酸、甲酸、醋酸、草酸等。木質(zhì)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(jié)構(gòu)相似的一種低分子質(zhì)量（其平均聚合度為50～200）的無定形物質(zhì)，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(cè)鏈。根據(jù)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(jié)物質(zhì)，因此脫膠時要去除半纖維素物質(zhì)。半纖維素區(qū)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(zhì)的存在；其次，半纖維素由于其無定形結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(jié)合的一組多糖。在植物纖維學中認為果膠物質(zhì)是植物生長纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的營養(yǎng)物質(zhì)。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(wěn)定性較低，經(jīng)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(zhì)是能用有機溶劑提取的部分，其中以蠟質(zhì)為主。蠟質(zhì)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(zhì)，其水解產(chǎn)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(zhì)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(jīng)堿、酸等試劑處理，因此這部分物質(zhì)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(jié)和硬脆。為了改善這種情況，在脫膠后通常設(shè)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(zhì)，如SiO2、P2O3、Fe2O3、 CaO、 MgO、K2O以及鈣、鎂和鉀鹽等。無機鹽類物質(zhì)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(jié)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(guān)，如竹稈外側(cè)的纖維素明顯多于竹稈內(nèi)側(cè)。中國林業(yè)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(jié)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(jù)或最重要的依據(jù)，將在下文中予以探討。