第一节　竹材材性及成纤机理分析

一、竹材材性分析

建立适合竹材的物理分离方法，需要对竹材特性有所了解。关于竹材材性的研究，林学专家已做了大量的工作，研究结果表明竹材是一种纵、横向异性的天然生物质材料，但是在这些研究中竹材多处在干燥状态下，而竹纤维的制取要在润湿状态下，因此热、湿状态下的竹材特性严重影响竹纤维的制取工艺。

1.研究对象及方法

（1）研究对象。因我国毛竹种植面积大（占纯竹林的70%），并且具有生长快、成材早、产量高、再生能力强等优点，是我国经济价值最高的竹种。因此在此采集了湖南一年生毛竹，并以它的中部竹材作为本章的主要实验材料。

所有竹材去青、去节。由于竹材内外层结构不完全相同，因此在竹材特性研究时，试样分内层、次内层、次外层（外层竹青被去除0.5mm）不同层次竹片分别测试，这样能更准确地反映竹材的性能。各层竹片尺寸相同，宽10mm、厚0.5mm、足够长。

（2）材料的预处理。竹片经碱煮预处理使其受热、软化。碱煮条件：NaOH浓度6g/L，脱胶助剂8%，处理时间30min，温度100℃，浴比1︰20。

（3）仪器。单纤维强力仪（LLY-06C/PC型），莱州市电子仪器有限公司。

（4）研究方法及条件。拉伸实验：分别对纤维束（自行制取）和胶质条（来自于竹子最内层的竹黄部分，以薄壁细胞为主）进行拉伸试验。碱煮后制取纤维，制得纤维束细度在10tex左右（约0.01mm2）；制取的胶质条截面约1mm2、长度不小于50mm，将制取的纤维束和胶质条放入温水中浸泡待用。测试时将纤维束和胶质条从水中捞出，用吸水纸吸去表面水分，迅速在单纤维强力仪上拉伸，测试从水中捞出后的拉伸断裂强度以及随时间变化的拉伸断裂强度。测试条件：预加张力0.05cN/dtex，夹持距离20mm，下夹头下降速度20mm/min。

撕裂实验：先在10mm宽竹片的中间位置上撕开一个10mm长的口子，然后在单纤维强力仪上将该竹片两端握持，测试撕裂强力，记录实验过程中的最大撕裂强力。测试条件同上。

因天然材料随机性比较大，所有测试样品数量不少于20个。

2.研究结果与分析

测试结果见表3-1、表3-2及图3-1。

表3-1　胶质条及纤维束的拉伸断裂强度

表3-2　不同部位的最大撕裂强力

由以上研究得出如下结论：

（1）由表3-1、表3-2结果可知，竹片的主要组成部分——纤维束的拉伸断裂强度远大于竹片中各部位的撕裂强力，纤维束的拉伸断裂强度一般在80～90×102 cN/mm2，而竹片不同部位的最大撕裂强力在10～30CN 之间，表明在湿热状态下竹材的纵横向仍具有明显的各向异性。

（2）由表3-1结果可知，纤维束的拉伸断裂强度远大于胶质条的拉伸断裂强度，纤维束的拉伸断裂强度一般在80～90×102 cN/mm2，断裂伸长率为1.50%～2.80%，而胶质条的拉伸断裂强度小于20 cN/mm2，断裂伸长率为3.40%，表明竹材中的纤维束为高强材料，而竹材的另一组成胶质为低强材料，尽管两者脆性都较大但其拉伸断裂强度差异显著，这使得将纤维束从胶质中分离出来成为可能。两者结合在一起，属天然复合材料。

（3）纤维和胶质的力学性能受湿度影响很大。湿态下，胶质条拉伸断裂强度很低，且脆性大，但随干燥时间延长、湿度减小，强度逐渐增大，如图3-1所示。故对竹材的加工应在一定的湿度下进行。

（4）由表3-2结果可知，尽管竹材各部位的撕裂强力都较低，但纤维之间的撕裂强力仍大于胶质之间、胶质与纤维之间，因此竹材中纤维与胶质之间的界面结合强度不高。同时也表明，在竹材分离过程中将竹纤维束与胶质之间分离较容易，而将竹纤维与纤维之间分离需要更大的作用力。

（5）通过比较内层、次内层、次外层三层竹材的力学性能得出：从内层到外层，纤维的拉伸断裂强度、竹片撕裂强力依次增加，这可能与纤维细胞壁厚增大、不同胞间层结合强度增加以及木质素含量有关。同时表明竹材具有内松外紧的层状结构，这与单纤维增强复合材料性能非常相似。

总之，在湿态下竹材本质上仍属于一种天然非均匀纤维增强复合材料。从形态结构上看，它的主体由纵向贯通的长纤维组成，半纤维素、木质素、果胶为主（统称为胶质）构成的薄壁细胞等基质包围在竹纤维的周围，使竹纤维与这些基质黏结在一起，而呈坚固的片条状。竹纤维以纤维束的形式排列在竹材内部，纤维束之间基本上是相互平行排列的，因此竹材结构可视为典型的长纤维增强的单轴向生物复合材料。

其湿态材性分析表明：竹材耐拉伸和抗撕裂性能差异显著，竹材中的纤维束与基质的性能差异显著；同时，竹材内外层存在一定差异、竹材含水率的大小也对其性能产生影响，这些都是在竹材分离成纤过程中需要考虑的因素。

二、竹材成纤机理分析

竹材中决定该复合材料力学性质的竹纤维与构成基体的胶质沿竹材径向相互间隔、沿竹材轴向平行排列，从而必然在强度、刚度方面表现出强烈的各向异性。多位学者的研究表明：竹材纤维束强度高、伸长大，属韧性材料，而基体（薄壁细胞组织）强度低、脆性大，纤维/基体之间的界面强度较弱，竹材沿顺纹方向的拉伸强度可达150～300MPa，但沿横纹方向的拉伸强度和顺纹方向的剪切强度却很低。前面的研究结果进一步证实：即使在湿态下，竹材仍然呈现纵横向异性的特点，表现为纤维束的拉伸断裂强度远大于横向的撕裂强度；纤维束与基体（薄壁细胞组织）分别表现出高强与低强的材性差异，且两者之间结合较弱；纤维之间的结合力大于纤维束与基体之间的界面力，但在湿态下纤维束并未表现出很好的韧性，因此可以把竹材中的纤维和基质都看成是脆性材料。根据复合材料断裂力学理论，这种脆性基单向纤维增强复合材料，在外力作用下裂纹首先在基体萌生，适当的条件下引发纤维与基体间的界面脱粘作用（基体裂纹也容易在界面处转折最终导致界面脱粘）。

根据以上分析，对竹材施加压力、剪切力、扭转力及拉伸等外力时，它就会产生弹性或塑性变形。由于竹材纵横向异性，施加各种不同外力时，产生的松弛效果不同，当作用力小于纵向纤维拉伸断裂强力而大于横向撕裂力时，该作用力就会使竹材产生横向间的滑移而松弛。需要通过实验验证的是哪种外力会使竹材产生横向滑移的效果更显著，而且考虑到竹材内外层结构的不同、竹纤维束之间的结合力大于纤维束与基体之间的界面强度等方面，该作用力需要合理设计。

当受到横向滑移力之后，竹材中胶质之间特别是纤维与胶质之间（也包括少量纤维之间）的复杂作用力就会被减弱甚至克服，出现分离或部分分离。但是由第二章内容可知，竹材中竹纤维相互聚集支撑着维管束，纤维间的作用力大于纤维束与胶质界面间的作用力，因此仅仅将竹纤维束与胶质分离是不够的，这样得到的纤维束仍会很粗，满足不了纺织加工的需要，还需要进一步对竹纤维束进行分离。因此，在竹材发生界面分离形成初步裂纹之后再施加另一载荷，使竹材上的宏观裂纹分裂成许多细观裂纹，这样经过化学处理将表面胶质去除后，竹纤维就会一小束、一小束地裸露出来，形成束纤维。

总之，将以上竹材分纤过程分为两个阶段，第一阶段是宏观裂纹的产生，主要是纤维与基体的界面脱粘，也包括基体裂纹及少量纤维间的裂纹。需说明的是界面分离的前提是竹材需经一定条件的热处理，通过高温和少量的化学药剂软化竹材，特别是软化木质素，降低竹材中基体、纤维各自及相互间的作用力。第二阶段是宏观裂纹向微观裂纹的分化；作为竹纤维制取的最后阶段是化学法清除胶质。因此在竹纤维制取的整个过程中，是以物理法为主、化学法为辅的原则。