第一節　竹材材性及成纖機理分析

一、竹材材性分析

建立適合竹材的物理分離方法，需要對竹材特性有所了解。關于竹材材性的研究，林學專家已做了大量的工作，研究結果表明竹材是一種縱、橫向異性的天然生物質材料，但是在這些研究中竹材多處在干燥狀態下，而竹纖維的制取要在潤濕狀態下，因此熱、濕狀態下的竹材特性嚴重影響竹纖維的制取工藝。

1.研究對象及方法

（1）研究對象。因我國毛竹種植面積大（占純竹林的70%），并且具有生長快、成材早、產量高、再生能力強等優點，是我國經濟價值最高的竹種。因此在此采集了湖南一年生毛竹，并以它的中部竹材作為本章的主要實驗材料。

所有竹材去青、去節。由于竹材內外層結構不完全相同，因此在竹材特性研究時，試樣分內層、次內層、次外層（外層竹青被去除0.5mm）不同層次竹片分別測試，這樣能更準確地反映竹材的性能。各層竹片尺寸相同，寬10mm、厚0.5mm、足夠長。

（2）材料的預處理。竹片經堿煮預處理使其受熱、軟化。堿煮條件：NaOH濃度6g/L，脫膠助劑8%，處理時間30min，溫度100℃，浴比1︰20。

（3）儀器。單纖維強力儀（LLY-06C/PC型），萊州市電子儀器有限公司。

（4）研究方法及條件。拉伸實驗：分別對纖維束（自行制取）和膠質條（來自于竹子最內層的竹黃部分，以薄壁細胞為主）進行拉伸試驗。堿煮后制取纖維，制得纖維束細度在10tex左右（約0.01mm2）；制取的膠質條截面約1mm2、長度不小于50mm，將制取的纖維束和膠質條放入溫水中浸泡待用。測試時將纖維束和膠質條從水中撈出，用吸水紙吸去表面水分，迅速在單纖維強力儀上拉伸，測試從水中撈出后的拉伸斷裂強度以及隨時間變化的拉伸斷裂強度。測試條件：預加張力0.05cN/dtex，夾持距離20mm，下夾頭下降速度20mm/min。

撕裂實驗：先在10mm寬竹片的中間位置上撕開一個10mm長的口子，然后在單纖維強力儀上將該竹片兩端握持，測試撕裂強力，記錄實驗過程中的最大撕裂強力。測試條件同上。

因天然材料隨機性比較大，所有測試樣品數量不少于20個。

2.研究結果與分析

測試結果見表3-1、表3-2及圖3-1。

表3-1　膠質條及纖維束的拉伸斷裂強度

表3-2　不同部位的最大撕裂強力

由以上研究得出如下結論：

（1）由表3-1、表3-2結果可知，竹片的主要組成部分——纖維束的拉伸斷裂強度遠大于竹片中各部位的撕裂強力，纖維束的拉伸斷裂強度一般在80～90×102 cN/mm2，而竹片不同部位的最大撕裂強力在10～30CN 之間，表明在濕熱狀態下竹材的縱橫向仍具有明顯的各向異性。

（2）由表3-1結果可知，纖維束的拉伸斷裂強度遠大于膠質條的拉伸斷裂強度，纖維束的拉伸斷裂強度一般在80～90×102 cN/mm2，斷裂伸長率為1.50%～2.80%，而膠質條的拉伸斷裂強度小于20 cN/mm2，斷裂伸長率為3.40%，表明竹材中的纖維束為高強材料，而竹材的另一組成膠質為低強材料，盡管兩者脆性都較大但其拉伸斷裂強度差異顯著，這使得將纖維束從膠質中分離出來成為可能。兩者結合在一起，屬天然復合材料。

（3）纖維和膠質的力學性能受濕度影響很大。濕態下，膠質條拉伸斷裂強度很低，且脆性大，但隨干燥時間延長、濕度減小，強度逐漸增大，如圖3-1所示。故對竹材的加工應在一定的濕度下進行。

（4）由表3-2結果可知，盡管竹材各部位的撕裂強力都較低，但纖維之間的撕裂強力仍大于膠質之間、膠質與纖維之間，因此竹材中纖維與膠質之間的界面結合強度不高。同時也表明，在竹材分離過程中將竹纖維束與膠質之間分離較容易，而將竹纖維與纖維之間分離需要更大的作用力。

（5）通過比較內層、次內層、次外層三層竹材的力學性能得出：從內層到外層，纖維的拉伸斷裂強度、竹片撕裂強力依次增加，這可能與纖維細胞壁厚增大、不同胞間層結合強度增加以及木質素含量有關。同時表明竹材具有內松外緊的層狀結構，這與單纖維增強復合材料性能非常相似。

總之，在濕態下竹材本質上仍屬于一種天然非均勻纖維增強復合材料。從形態結構上看，它的主體由縱向貫通的長纖維組成，半纖維素、木質素、果膠為主（統稱為膠質）構成的薄壁細胞等基質包圍在竹纖維的周圍，使竹纖維與這些基質黏結在一起，而呈堅固的片條狀。竹纖維以纖維束的形式排列在竹材內部，纖維束之間基本上是相互平行排列的，因此竹材結構可視為典型的長纖維增強的單軸向生物復合材料。

其濕態材性分析表明：竹材耐拉伸和抗撕裂性能差異顯著，竹材中的纖維束與基質的性能差異顯著；同時，竹材內外層存在一定差異、竹材含水率的大小也對其性能產生影響，這些都是在竹材分離成纖過程中需要考慮的因素。

二、竹材成纖機理分析

竹材中決定該復合材料力學性質的竹纖維與構成基體的膠質沿竹材徑向相互間隔、沿竹材軸向平行排列，從而必然在強度、剛度方面表現出強烈的各向異性。多位學者的研究表明：竹材纖維束強度高、伸長大，屬韌性材料，而基體（薄壁細胞組織）強度低、脆性大，纖維/基體之間的界面強度較弱，竹材沿順紋方向的拉伸強度可達150～300MPa，但沿橫紋方向的拉伸強度和順紋方向的剪切強度卻很低。前面的研究結果進一步證實：即使在濕態下，竹材仍然呈現縱橫向異性的特點，表現為纖維束的拉伸斷裂強度遠大于橫向的撕裂強度；纖維束與基體（薄壁細胞組織）分別表現出高強與低強的材性差異，且兩者之間結合較弱；纖維之間的結合力大于纖維束與基體之間的界面力，但在濕態下纖維束并未表現出很好的韌性，因此可以把竹材中的纖維和基質都看成是脆性材料。根據復合材料斷裂力學理論，這種脆性基單向纖維增強復合材料，在外力作用下裂紋首先在基體萌生，適當的條件下引發纖維與基體間的界面脫粘作用（基體裂紋也容易在界面處轉折最終導致界面脫粘）。

根據以上分析，對竹材施加壓力、剪切力、扭轉力及拉伸等外力時，它就會產生彈性或塑性變形。由于竹材縱橫向異性，施加各種不同外力時，產生的松弛效果不同，當作用力小于縱向纖維拉伸斷裂強力而大于橫向撕裂力時，該作用力就會使竹材產生橫向間的滑移而松弛。需要通過實驗驗證的是哪種外力會使竹材產生橫向滑移的效果更顯著，而且考慮到竹材內外層結構的不同、竹纖維束之間的結合力大于纖維束與基體之間的界面強度等方面，該作用力需要合理設計。

當受到橫向滑移力之后，竹材中膠質之間特別是纖維與膠質之間（也包括少量纖維之間）的復雜作用力就會被減弱甚至克服，出現分離或部分分離。但是由第二章內容可知，竹材中竹纖維相互聚集支撐著維管束，纖維間的作用力大于纖維束與膠質界面間的作用力，因此僅僅將竹纖維束與膠質分離是不夠的，這樣得到的纖維束仍會很粗，滿足不了紡織加工的需要，還需要進一步對竹纖維束進行分離。因此，在竹材發生界面分離形成初步裂紋之后再施加另一載荷，使竹材上的宏觀裂紋分裂成許多細觀裂紋，這樣經過化學處理將表面膠質去除后，竹纖維就會一小束、一小束地裸露出來，形成束纖維。

總之，將以上竹材分纖過程分為兩個階段，第一階段是宏觀裂紋的產生，主要是纖維與基體的界面脫粘，也包括基體裂紋及少量纖維間的裂紋。需說明的是界面分離的前提是竹材需經一定條件的熱處理，通過高溫和少量的化學藥劑軟化竹材，特別是軟化木質素，降低竹材中基體、纖維各自及相互間的作用力。第二階段是宏觀裂紋向微觀裂紋的分化；作為竹纖維制取的最后階段是化學法清除膠質。因此在竹纖維制取的整個過程中，是以物理法為主、化學法為輔的原則。