林业科学  2010, Vol. 46 Issue (4): 166-170   PDF    
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徐金梅, 赵荣军, 吕建雄, 任海青, RobertEvans, YangJunli
Xu Jinmei, Zhao Rongjun, Lü Jianxiong, Ren Haiqing, Robert Evans, Yang Junli
利用SilviScan-3测定实心瓜多竹微纤丝角
Microfibril Angle of Guadua amplexifolia Bamboo Measured by SilviScan-3
林业科学, 2010, 46(4): 166-170.
Scientia Silvae Sinicae, 2010, 46(4): 166-170.

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收稿日期:2009-08-31

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徐金梅
赵荣军
吕建雄
任海青
RobertEvans
YangJunli

利用SilviScan-3测定实心瓜多竹微纤丝角
徐金梅1, 赵荣军1, 吕建雄1, 任海青1, RobertEvans2, YangJunli2    
1. 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091;
2. CSIRO Materials Science and Engineering, Private Bag 10, Clayton South, Victoria 3169, Australia
关键词:实心瓜多竹    微纤丝角    SilviScan-3    变异规律    
Microfibril Angle of Guadua amplexifolia Bamboo Measured by SilviScan-3
Xu Jinmei1, Zhao Rongjun1 , Lü Jianxiong1, Ren Haiqing1, Robert Evans2, Yang Junli2    
1. Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091;
2. CSIRO Materials Science and Engineering, Private Bag 10, Clayton South, Victoria 3169, Australia
Abstract: To investigate the microfibril angle (MFA) variation with respect to positions along longitudinal direction (bottom, middle and top of culm) and radial direction (from inner part to outer part of culm wall) of Guadua amplexifolia, MFA was measured by SilviScan-3 and X'Pert Pro(XRD). There was no significant difference between MFA measured by SilviScan-3 and XRD. Simple coefficient of correlation was 0.84.The mean MFA measured by SilviScan-3 and XRD were 8.2° and 8.8° respectively, and varied from 6.2° to 17.8° and from 6.9° to 12.2°. Compared with XRD, SilviScan-3 provided a continuous and more rapid method for determining MFA variation in bamboo culm. According to results of SilviScan-3, MFA in bottom was higher than that of in middle which was higher than that of in top of culm. Maximum MFA occur in inner layer, MFA decreased rapidly from inner layer to 2 mm, and fluctuated stably from 2 to 6.5 mm, and then increased subtly from 6.5 mm to outer layer. The radial tendency of MFA in the bottom was similar to that in middle and top of culm.
Key words: Guadua amplexifolia    microfibril angle    SilviScan-3    variation    

实心瓜多竹(Guadua amplexifolia)隶属于瓜多竹属(Guadua),丛生,是南美洲主要栽培竹种之一,广泛分布于哥伦比亚、厄瓜多尔、巴西、阿根廷等国,竹材基部实心,高25 m,径15 cm左右,是较好的建筑用原料,耐短期零度低温,适应我国热带、南亚热带或中亚热带与南亚热带过渡区的气候条件(邹跃国,2007)。我国于2002年从厄瓜多尔引进了此竹种,在福建、广州、广西等地栽种,生长情况良好。

竹纤维是竹材主要组成之一,存在于维管束鞘中(周芳纯,1998)。整个竹秆由50%~60%的薄壁组织、30%~40%的纤维、6%~10%的输导组织(导管和筛管)组成(Liese,1998)。微纤丝角不仅影响纤维的质量,对纸浆造纸性能产生重要影响,而且它和密度是决定弹性模量的2个主要因素, 密度越大, 微纤丝角越小, 弹性模量越大(余观夏等,2002)。黄盛霞等(2005)采用光学显微镜法测定毛竹微纤丝角平均值为9°,从竹壁内壁向外壁略有减小,与江泽慧等(2000)王朝辉等(2004)利用X射线衍射法的研究结果基本一致,而余雁等(2007)利用X射线衍射法研究认为毛竹微纤丝角在径向的差异不大, 并无稳定的变化规律。光学显微镜法和X射线衍射法是测定木材微纤丝角常用的方法,但上述X射线衍射设备不能从竹壁内壁到外壁连续测定竹材微纤丝角。澳大利亚联邦科学与工业组织(CSIRO)自主开发的木材性质快速测定仪(SilviScan-3)能快速、连续测定木材微纤丝角(Evans, 1999; Evans et al., 2001; Schimleck et al., 2005)。本文利用SilviScan-3法连续测定了实心瓜多竹竹材的微纤丝角,旨在揭示实心瓜多竹微纤丝角的变异规律,尤其是径向变异规律,以期为该引种竹的培育和加工利用提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 材料

实心瓜多竹竹材2006年10月采集于福建华安竹种园,由于该竹为引种竹,采样时仅有1和2年生竹,因此选择胸径一致、竹秆通直、无虫害的2年生竹作为样竹,其竹秆高度为6.75 m,胸径为4.5 cm,含水率为126.01%。自距地面50 cm高处锯倒后,为便于运输,将竹秆在竹节处锯为约2 m长的竹段,运回实验室气干。本研究取3株2年生竹作为研究对象,在每株的第3节(基部)、10节(中部)、16节(梢部)的节间中部取2个尺寸为20 mm(L)×10 mm(T)×t(竹壁厚)的竹块,将每个竹块从竹壁内壁到外壁依次切取厚约1 mm的竹片,去掉毛刺,利用粉末X射线衍射仪测定每一竹片的微纤丝角。同时, 将另一个竹块制作为7 mm(L)×2 mm(T)×t(竹壁厚)的试样,用于SilviScan-3测定。在微纤丝角测定前,将所有试样置于恒温恒湿箱中调至平衡含水率。

1.2 设备与方法

粉末X射线衍射仪(X’Pert Pro)(以下简称XRD)为Panalytical公司生产。在测定微纤丝角时,将制作好的样品用双面胶垂直固定在旋转样品台上,入射光为点聚焦光源,入射光路与试样弦切面垂直,接收光路与入射光路的夹角为22.6°。主要参数为:管电压40 kV,管电流40 mA,样品台旋转范围为0~360°。得到竹材衍射强度谱(图 1),从图 1可以看出在90°和270°处2个衍射峰的峰形差别较大,2个峰不能采用同一基线拟合,因此本文将X射线图谱转化为Excel脚本语言后,采用0.6T法(Cave, 1997),利用Origion软件的高斯函数(GaussAmp)对45~135°和225~315°之间的衍射强度值进行单峰拟合,取2个单峰拟合平均值为微纤丝角值。

图 1 实心瓜多竹微纤丝角X射线衍射图谱 Figure 1 X-ray diffraction MFA profile of G. amplexifolia a.靠近竹壁外壁Outer layer;b.中部Middle layer;c.靠近竹壁内壁Inner layer.

SilviScan为澳大利亚联邦科学与工业组织自主开发的一种木材性质快速测定仪,由图像分析仪、X射线密度仪和X射线衍射仪3个测试系统组成。经过多年的升级改造,现已研发出SilviScan-3,该设备能以分辨率为0.02 mm从髓芯到树皮连续获得生长轮宽度、各种木材细胞直径、木材密度、细胞壁微纤丝角及纤维素微晶宽度数据,还可以准确推算弹性模量等。本文在测定实心瓜多竹微纤丝角时,将上述制备好的试样垂直固定在活动样品架上,为了确保测定结果准确性,安放试样时应尽力保证竹材纤维垂直于样品架的台面。主要参数为:管电压-35 kV,管电流20 mA,分辨率0.025 mm。测定后,利用仪器自带软件,将X衍射强度转化为微纤丝角值。

利用SilviScan-3测定竹材微纤丝角时,从内壁到外壁,以分辨率为0.025 mm的速度扫描,也就是在厚度为10 mm竹壁上能得到400个微纤丝角值。利用XRD测定时,由于试样制作的限制及仪器本身不能自竹壁内壁到外壁自动连续测定,在厚度为10 mm竹壁上最多只能制10个试样得到10个微纤丝角值。因此,为了比较分析SilviScan-3与XRD的测定结果,试样取自相邻部位,把SilviScan-3在试样径向上连续测得的结果按XRD试样径向距离和尺寸平均为4~6段进行一对一比较。为便于观察微纤丝角在径向的变化趋势,采用Sigmaplot 8.0软件绘制SilviScan-3测定的微纤丝角径向变化图,并采用负指数函数进行平滑处理;将XRD法径向上测得的4~6个微纤丝角值连成曲线。

2 结果与分析 2.1 SilviScan-3和XRD测定值的比较分析

SilviScan-3和XRD测得的微纤丝角见表 1。从表 1可知,SilviScan-3测定的微纤丝角平均值为8.2°,分布范围为6.8~12.6°;XRD测定的实心瓜多竹微纤丝角为8.8°,分布范围为6.9~12.2°。SilviScan-3和XRD测定值相差0.0~2.5°,方差分析表明二者差异不显著(表 2),并具有较强的线性相关性(图 2),相关系数(R)为0.84,决定系数(R2)为0.71。

表 1 SilviScan-3和XRD测定的微纤丝角 Tab.1 MFA data measured by SilviScan-3 and XRD
表 2 XRD和SilviScan-3测定的微纤丝角的方差分析 Tab.2 Variance analysis of MFA measured by SilviScan-3 and XRD
图 2 XRD和SilviScan-3测定的微纤丝角 Figure 2 Relationship of MFA measured by XRD and SilviScan-3
2.2 微纤丝角的变异规律

将3株竹XRD和SliviScan-3的测定值分别平均后,绘制竹秆不同高度处的径向变异图(图 34)。从图 3可以看出,实心瓜多竹基部微纤丝角大于中部,中部大于梢部。微纤丝角自竹壁内壁到外壁有减小的趋势,其中中部处靠近竹壁内壁处微纤丝角较小的原因可能与试样制作误差有关。从图 4可知,利用SliviScan-3测得的微纤丝角大多分布于7.0~9.0°之间,其分布范围为6.2~17.8°,比XRD测得的微纤丝角分布范围(6.9~12.2°)大,说明平均微纤丝角可能掩盖了竹材本身微纤丝角的变化。从图 4还可以看出,纵向上,基部、中部和梢部的微纤丝角值从竹壁内壁至6.5 mm(如图 4中竖直虚线所示),基部处微纤丝角值大于中部,中部大于梢部;自6.5 mm至竹壁外壁,基部、中部和梢部处微纤丝角差异不大。径向上,无论在竹秆任何部位,从竹壁内壁到外壁,基部、中部和梢部的微纤丝角变化趋势很相似。径向变化趋势可分为3段:竹壁内部处微纤丝角最大,自竹壁内壁至2 mm处,迅速减小;自2~6 mm,变化不大;自6 mm至竹壁外壁,略有增加。为了更直观地描述不同高度处实心瓜多竹微纤丝角的径向变化模式,采用负指数函数对不同高度处的微纤丝角进行了平滑处理(图 5A, B, C),从3个图中可以看出,基部、中部和梢部的微纤丝角,从竹壁内壁到外壁的变化趋势非常相似。

图 3 XRD测定的竹秆不同部位从竹壁内壁到外壁微纤丝角的变化 Figure 3 Variation of MFA measured by XRD at different height of culm from inner layer to outer layer of culm wall
图 4 SliviScan-3测定的竹秆不同部位从竹壁内壁到外壁微纤丝角的变化 Figure 4 Variation of MFA measured by SliviScan-3 at different height of culm from inner layer to outer layer of culm wall
图 5 SliviScan-3测定的竹秆基部、中部、梢部从竹壁内壁到外壁微纤丝角的变化 Figure 5 Variation of MFA measured by SliviScan-3 at bottom, middle and top of culm from inner layer to outer layer of culm wall
3 结论与讨论

Parameswaran等(1976; 1980)将竹材纤维细胞的细胞壁结构描述为多层宽窄交替的细胞壁层,正是由于竹材纤维细胞壁的多层结构,使其细胞壁模型与木材纤维细胞不同。木材纤维细胞壁分为初生壁和次生壁,其中次生壁又可分为S1,S2,S3 3层,木材微纤丝角指S2层微纤丝与细胞主轴间的夹角(申宗圻, 1990)。Parameswaran等(1976)按木材细胞壁层构造理论,将竹材纤维细胞壁分为初生壁、次生壁过渡层(这层并不总是存在)和由S1-l,S2-t,S3-l,S4-t,S5-l,S6-t等多层构成的次生壁(而不像木材次生壁的3层构成),且每层与细胞长轴夹角不一。因此可以认为本研究中的竹材微纤丝角是纤维壁各层纤丝与细胞主轴夹角的平均值。

SilviScan-3与XRD测定微纤丝角的原理基本相似,与XRD相比,SilviScan-3在研究微纤丝角时有以下可取之处:第一,利用SilviScan-3测定竹材微纤丝角时,试样安装于试样台后,自动步进装置能以设定的分辨率(≥0.02 mm)带动试样前进,连续测定微纤丝角,精确揭示竹材微纤丝角径向变化规律;第二,利用SilviScan-3测定竹材微纤丝角的径向变异只需制作1个竹内壁到外壁的完整试样,不仅大大减少试样制作时间,也避免了试样制作误差;第三,SilviScan-3利用自带程序将衍射强度转化为微纤丝角值,这不仅为后续的数据处理节约了时间,也避免在拟合过程中容易引起的人为误差。

SilviScan-3测定的实心瓜多竹微纤丝角平均值为8.2°,与余雁等(2007)王朝晖等(2004)利用软X射线所测得毛竹微纤丝角(9°)接近。本研究中利用SilviScan-3研究的实心瓜多竹微纤丝角径向变化趋势可分为3段:靠近竹壁内壁的微纤丝角最大,自竹壁内壁至2 mm处,微纤丝角迅速减小;自2~6 mm,变化不大;自6 mm至竹壁外壁,略有增加。江泽慧等(2000)王朝辉等(2004)认为毛竹微纤丝角从竹壁内壁向外壁略有减小,余雁等(2007)认为毛竹微纤丝角在径向的差异不大, 并无稳定的变化规律。所述之所以与本文结果不同,可能是由于本文采用的SilviScan-3连续测定,得到多个微纤丝角的结果。本研究仅分析了2年生实心瓜多竹的微纤丝角变化规律,多年生实心瓜多竹微纤丝角如何变化还有待研究,从而为该引种竹今后的培育和加工利用提供科技支撑。

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