竹维管束在工程材料上的探索研究文献综述

 2022-07-14 06:07

竹维管束在工程材料上的探索研究

摘要:竹子的力学性能主要由维管束提供,竹维管束的拉伸强度在400MPa到1800MPa左右,拉伸弹性模量分布在30GPa到150GPa之间,是优秀的生物纤维。况且我国竹材资源丰富,与玻璃纤维、碳纤维及合成纤维比有明显优势。针对目前实用的增强纤维较少涉及生物纤维的现状。根据玻璃纤维、碳纤维的应用领域结合竹维管束的结构与性能,探索研究竹维管束在工程材料上应用。

关键词:竹维管束;工程材料;应用

1.竹维管束的研究现状

1.1维管束的结构

维管束是竹子的主要承载部分。维管束由外纤维帽、内纤维帽、侧生纤维群、初生韧皮部和后生木质部导管等组织细胞构成。维管束在横切面上略呈4瓣“梅花形”,弦向上左右两个“花瓣”是维管束内的后生木质部,外观像眼睛一样形状的两个大的孔状细胞,是后生木质部的梯纹导管。 在径向,上、下也有个“花瓣”,其中一瓣中心为完整的网眼状,而另一半中心为破碎状,或有一中孔或二中孔。其网眼状部分为初生韧皮部,而破碎状部位或中孔处为原生木质部。按它们在秆壁中的方位,韧皮部位于外侧,原生木质部在内侧。

安晓静在对维管束试样横截面尺寸和形态分析中得到维管束形状似花瓣,包含竹纤维鞘、筛管、傍胞及孔径较大的木质部导管,总面积在0.1029~0.2416mm2之间,平均值为0.1740mm2,其中竹纤维鞘的面积为0.0803~0.1806mm2,平均值为0.108mm2,约占总面积的62%。对竹维管束中的竹纤维超微切片的电镜观察表明: 竹纤维主要存在两种细胞壁状态,即一部分纤维细胞壁呈多层结构, 由宽层与窄层(各约4一5层)交替组合而成。宽层木质素密度较低;在两宽层之间的窄层,木质素密度较高。多层结构类型的纤维主要存在于维管束的周边部位,约占纤维总数的1/2左右(图1)。另一部分纤维, 纤维细胞壁很厚,胞腔狭小,纤维次生壁内层由两个宽层组成,且中部的宽层较内部宽层宽多。竹纤维壁上的纹孔稀少,纹孔口较小,细胞腔较小(图2)。在胞间层(ML)没有微细纤维组织。初生壁(P)微细纤维稀疏,呈网状不规则结构排列,微细纤维的走向对于纤维轴向(长度方向)近乎于横向绕缠。初生壁内微细纤维之所以稀疏,是因为被半纤维素、果胶和木质素所填充分隔,因此其质脆,且这一层的厚度也比较薄。次生壁的外层(S1)较厚,其微细纤维的取向偏离纤维的轴向而更接近横向;次生壁的中层(S2)是细胞壁中最厚的一层,它的结构决定了纤维的性质;(S3~S7)层中,微细纤维的取向为单一取向,且几乎与纤维轴向平行,使纤维吸湿后主要在横向产生润胀,同时由于微细纤维的轴向排列,使纤维在轴向上有最大的抗张强度,细胞壁越厚,纤维本身的抗张强度越高。次生壁内层分层越多,纤维性能差异越大,加工越困难。

图2 细胞壁很厚的竹纤维模型图

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