黄慧;贺磊;余能富;孙丰文;王玉;王小东;胡玉安
【摘 要】竹材是我国重要森林资源,以竹材提取竹纤维用作增强材料制备复合材已受到广泛关注。本文以化学辅助机械分离方法提取竹纤维束,研究竹龄对竹纤维束性能的影响。研究表明：随竹龄增加,竹纤维束中纤维素含量降低,半纤维素和木质素含量增加,苯醇抽提物含量相当且较原竹材大大降低,竹纤维束中残胶率增加,相对结晶度降低,1-3年生竹材提取竹纤维束,2年生竹材提取竹纤维束回潮率最低,1年竹竹纤维束拉伸模量和断裂伸长率最高。说明各竹龄竹纤维束化学性能受竹龄影响较大。从竹纤维提取能耗和后续应用角度考虑,提取竹纤维束宜以中幼林竹为原料更佳。 【期刊名称】《南方林业科学》
【年(卷),期】2017(045)001
【总页数】4页(P56-59)
【关键词】竹纤维;竹龄;化学组成;结晶度;力学性能
【作 者】黄慧;贺磊;余能富;孙丰文;王玉;王小东;胡玉安
【作者单位】[1]江西省林业科学院,江西南昌330013;[2]南京林业大学,江苏南京210037
【正文语种】中 文
【中图分类】S792.08
竹材是我国重要森林资源之一。我国有竹林面积达670万余hm2［1］，竹材年产量18.77亿根，居世界首位。以竹材提取竹纤维用作增强材料制备复合材已受到广泛关注［2］。目前，影响竹纤维应用的主要难点之一就是长直型竹纤维的提取以及竹纤维的不均匀性。Deshpande在碱处理后分别以平压和滚压两种方式提取竹纤维束，并探索了两种方式提取的竹纤维增强热固性树脂制备复合材料的力学性能比较［3］；Okubo等研究了蒸汽爆破法、碱机械法及化学法提取竹纤维束对竹纤维束性能及其制备复合材料的影响［4-5］；Osorio等采用机械方法提取了竹纤维束，对竹纤维的吸湿性、力学强度等性能进行了系统研究［6-7］；我国学者姚文斌等多年来致力于纺织用竹纤维束的提取开发并申请了多项专利［8-9］，俞建勇团队研究了竹纤维束的精细化工艺［10-11］。竹纤维性能受竹材生长
条件、竹龄、提取方法等多方面因素影响。竹材的化学成分主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，竹龄不同，竹材的化学成分有所变化，而化学成分又对竹材的物理力学性质有重要影响。本文研究竹龄对竹纤维束提取及其性能的影响。
1.1 实验原料和实验仪器
1.1.1 实验原料。毛竹Phyllostachys edulis，采自江西省林业科学院南昌植物园。选取立地条件基本相同、胸径相当且在竹林中有代表性的1年生、2年生、3年生通直健康毛竹为试验样本。每个竹龄取3～5根；竹材砍伐后取离地高1.5 m以上部位，去青，按竹节截断，去竹节，制成宽2～3 cm、厚1.5～3 mm、按竹节长的竹片。各竹龄竹片以化学辅助机械分离方法提取竹纤维束。
氢氧化钠：AR级，天津市恒兴化学试剂制造有限公司。
1.1.2 实验仪器。纤维切断器：型号ORK0096E，切断长度40 mm，山东德瑞克仪器有限公司；电子光学显微镜：重庆奥特光学仪器有限公司。微机控制式电子万能试验机：CMT5501，美特斯工业系统（中国）有限公司，加配500N传感器，气动夹具。
2.1 化学成分分析
苯醇抽出物含量参照GB/T2677.6-1994《造纸原料苯醇抽出物和乙醚抽出物的测定方法》测试；纤维素、半纤维素和木质素含量采用范氏（Van Soest）洗涤法测定。
2.2 残胶率测定
取重约5 g竹纤维，烘干至恒重，冷却，记录样品烘干重量。之后将样品放入加有150mL浓度为20 g/L的NaOH溶液的三角烧瓶中，装好球形冷凝管沸煮1 h，更换新的相同数量和浓度的NaOH溶液重新沸煮2 h，取出试样，在分样筛中用蒸馏水洗净，烘干至恒重，冷却，称重，记录样本重量。重复3次测试。竹纤维残胶率计算公式［12］：
2.3 回潮率测定
参照国家标准GB/T 9995-1997《纺织材料含水率和回潮率的测定烘箱干燥法》方法测试。将竹纤维在标准大气压下调湿平衡后取一定质量称重，之后放入烘箱内在105±2℃条件下烘干至恒重，称取烘干后的重量。回潮率计算公式：
其中，W为试样回潮率，G为平衡后称取的竹纤维重量，G0为烘干后竹纤维的重量。
2.4 结晶度测试
用植物粉碎机将样品粉碎，经200目筛子过筛，取1～2 g放于玻璃器皿内。采用德国Bruker公司生产的多晶衍射仪测试，靶型Cu，辐射Cu-Kα，电压40 kV，电流25 mA，采用连续式扫描，扫描步长0.02°，扫描速度5°/min，时间常数0.30sec，扫描范围2θ=5°～40°。
2.5 力学性能测定
参照国际标准ASTM D3822《单纤维拉伸性能测试方法》测试。取单根纤维，置于中间开有长4 cm、宽1 cm孔洞的纸片上，以树脂胶滴于竹纤维束上，盖上纸面，将竹纤维束拉直，压平。放置24～48 h待树脂胶干后进行拉伸测试。在带有500 N传感器的万能力学试验机上测试。为减少夹具夹紧程度引起的纤维性能数据变异，万能试验机所用夹具为气动夹具。竹纤维束在万能试验机夹具夹好后，用剪刀将轴向孔洞两测分别剪断再进行拉伸测试。拉伸测试实验条件：拉伸速度2 mm/min，夹持长度80 mm，标距40 mm，测试样本50根。
3.1 化学成分分析
纤维素含量对纤维力学性能起关键作用，而吸湿性又与半纤维素含量有密切关系。与竹材相比，竹纤维束的纤维素含量增加，半纤维、木质素和抽出物含量均有降低。不同竹龄竹纤维束各组分含量有较大差异。随竹龄增加，竹纤维束的纤维素含量降低，半纤维素含量和木质素含量增加，苯醇抽提物含量相当。1年生竹材提取竹纤维束，由于竹材还未完全木质化，组分中大部分为水分，除去水分其纤维素含量相对较高。1～3年生竹材提取竹纤维束的纤维素含量依次为58.13%、56.39%、53.73%。随竹龄增大，半纤维素含量和木质素含量增加，尤其是木质素含量高，提取过程所需能耗更高，竹纤维束的刚性更强。因而中低龄竹材纤维素提取更易，可在更温和的工艺条件下达到润胀软化。与原料竹材相比，竹纤维束中的苯醇抽提物含量大大降低，且在竹材中随竹龄增大苯醇抽提物含量更高，如1年生竹材苯醇抽提物含量为约3%、2年生的约5%、3年生的约7%，而在竹纤维束中，随竹龄增加，苯醇抽提物含量变化趋势不明显。从加工利用角度，抽提物不同，材料表面接触角不同，在竹材中，大龄竹材抽提物含量高，在竹材表面堵塞了表面的渗透渠道，致使润湿程度降低。而竹纤维束中，抽提物含量少且差异不明显，可见竹龄对竹纤维束润湿性的影响大大降低。
3.2 各竹龄竹纤维束的残胶率和回潮率
图1为不同竹龄在不同碱浓度软化处理条件下的残胶率和回潮率。残胶率反映纤维束在提取过程去除胶质的效果，残胶率越低，纤维束去除胶质越多，提取的纤维越柔软；回潮率可间接反映纤维束的吸湿性能，回潮率越低，吸湿性越弱，抗虫菌性能更好。由图1可见，各竹龄竹纤维束随提取工艺条件改变残胶率和回潮率变化趋势相同。在同等工艺条件下，竹龄越大，提取竹纤维束的残胶率越高。不同竹龄提取的竹纤维束未表现出随竹龄增大的规律性变化，经多种工艺验证，反而是2年生竹提取的竹纤维束回潮率最低，1年生竹提取竹纤维束回潮率次之，3年生竹提取竹纤维束回潮率最高。
3.3 X-射线衍射分析
结晶行为影响到纤维的柔软度及后续加工利用与其它材料的结合。作为一种分析物相结晶结构的实用技术手段，X-射线衍射技术广泛用于天然纤维材料研究。结晶度和取向度较高时，纤维柔软性和弹性降低。竹纤维束与竹材结晶结构因结构变化发生了一定改变。图2衍射图中，15.1°和16.8°对应的是（0）和（110）晶面，22.0和34.4相应的代表（200）平面和（023）或（004）平面。当纤维素含量高的时候，在16°附近出现两个峰，当纤维中含较多无定形物质时，两峰合并，形成一个宽峰。纤维素I峰顶在22.3°附近（晶面（002））和15.8°附近（晶面（101））。
采用segal法计算相对结晶度，公式如下［13］：
其中，I002——2θ介于22°～23°之间的（002）晶面衍射角的极大强度；Iam——非结晶背景衍射的散射强度，位置在2θ介于18°～19°之间，该处衍射强度最低。
不同竹龄竹纤维束，因化学组分纤维素含量不同，结晶区和无定形区，还有些过渡区域因化学处理会略有差异。随竹龄增大，纤维素含量降低，相对结晶度降低。1、2、3年生竹材提取竹纤维束结晶度分别为58.87%、57.38%、55.08%。综合考虑，1～2年生竹提取竹纤维束性能更优，竹纤维束的提取宜以1～2年生竹为原料更优。
3.4 各竹龄竹纤维束力学性能分析
由图3可看出，1年生竹提取竹纤维束的直径相对分布更集中，但整体直径相对偏大；3年生竹提取竹纤维束直径分布相对较广；2年生竹提取竹纤维束拉伸强度相对较均匀，1年生竹提取竹纤维束拉伸强度较2年生和3年生高。
1年生、2年生、3年生竹提取竹纤维束拉伸模量分布有较大的相似性，随着直径的增大呈指数性降低。1年生竹提取竹纤维束拉伸模量较2年生、3年生竹提取竹纤维束低，但断裂
伸长率更高。
以化学辅助机械分离方法提取竹纤维束，研究了不同竹龄提取竹纤维束的化学组成、残胶率、回潮率、拉伸性能等。随竹龄增加，竹纤维中纤维素含量降低，半纤维素和木质素含量增加，苯醇抽提物含量相当且较原竹材大大降低。竹龄越小，相同工艺下提取竹纤维束的含胶率越低，1~3年生竹材提取竹纤维，2年生竹材提取竹纤维束回潮率最低，1年生竹竹纤维拉伸强度和断裂伸长率最高。综合各项说明各竹龄竹纤维化学性能受竹材主要化学成分影响较大。从竹纤维提取能耗和后续应用角度考虑，提取竹纤维宜以中幼林竹为原料更佳。
【相关文献】
［1］国家林业局.中国林业统计年鉴(2013)［Z］.北京:中国林业出版社，2014.
［2］Parnia Zakikhani，R.Zahari，M.T.H.Sultan，D.L.Majid. extration and preparation of bamboo fibre-reinforced composite［J］.Materials and Design，2014，63(2):820-828.
［3］AbhijitP.DeshpandeD，M.Bhaskar Rao，C.Lakshmana Rao. Extraction of bamboo
fibers and their use as reinforcement in polymeric composites［J］.JournalofApplied Polymer Science，2000，76(1):83－92.
