全 文 ： 第 vy卷 第 v期u s s s年 x 月
林 业 科 学
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应用 ÷ 射线衍射技术研究竹材超微结构 Œq竹材纤丝角
江泽慧
k中国林业科学研究院 北京 tsss|tl
邹惠渝 阮锡根 王 军 刘云飞
k南京林业大学 南京 utssvzl
关键词 } 纤丝角 o竹材 o ÷ 射线衍射
收稿日期 }t|||2sw2t{ ∀
Α ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ ΥΛΤΡΑΣΤΡ ΥΧΤΥΡΕ ΟΦ ΒΑΜΒΟΟ ΧΕΛΛ ΩΑΛΛ ΒΨ Ξ2Ρ ΑΨ
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( Χηινεσε Αχαδε µψοφ Φορεστρψ Βειϕινγ tsss|t)
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( Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγ utssvz)
Αβστραχτ: ¬¦µ²©¬¥µ¬¯ ¤±ª¯ ¶¨²© ¥¤°¥²² ¦¨¯¯ º¤¯¯¬± §¬©©¨ µ¨±·³¤µ·²©¦∏¯° «¤√¨ ¥¨ ±¨ ° ¤¨¶∏µ¨§¥¼ ∏¶¬±ª ÷2µ¤¼
§¬©©µ¤¦·¬²±kssul³¨ ¤®¶qŒ·¶§¬¶·µ¬¥∏·¬²±¶«²º¶·«¤·}ktl°¬¦µ²©¬¥µ¬¯¤±ª¯¨¬±¦µ¨¤¶¨¶¶¯¬ª«·¯¼ ¤¯²±ªµ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±©µ²°
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²©·«¨ §¬©©¨ µ¨±·³¤µ·¶¤¯²±ª √ µ¨·¬¦¤¯ §¬µ¨¦·¬²± ¬± ·«¨ ¶¤°¨¬±·¨µ±²§¨ ¤µ¨ ·«¨ ¶¤°¨qkvl ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³ ¥¨·º¨¨ ±
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¦²±¶·¤±·µ¨¶³¨¦·¬√¨¯¼q
Κεψ ωορδσ: ¬¦µ²©¬¥µ¬¯¤±ª¯¨o…¤°¥²²o ÷2µ¤¼ §¬©©µ¤¦·¬²±
厚壁细胞 Σu层纤丝角作为木材 !棉花等纤维植物的重要参量已为许多文章所肯定 ∀对于木材 o纤丝角
与材性 !生长 !解剖特性之间的关系 o已有不少研究 ∀ ≤¤√¨等kt||wl认为 }速生人工林木材由木芯向外 o纵向
弹性模量相差了 v ∗ x倍 o而密度的变化最多约 xs h左右 o模量其所以有如此大的变化 o是由于由木芯向外
纤丝角有较大变化所致 ∀平川泰彦等kt||zl对 ≥∏ª¬k Χρψπτοµερια ϕαπονιχαl材的弹性模量进行研究 o求得模
量与密度 !纤丝角之间的回归方程 ∀关于纤丝角与解剖参数之间的关系 o°µ¨¶·²±曾经得到下述管胞长度
k Λ)和纤丝角(Η)之间的方程 : Λ€ αn ⦲¶Η, α和 β为常数 ∀ ∞¦«²¯¶等认为 Λ与 Η而不是 ¦²¶Η之间有更好
的线性相关关系(≤¤√¨ot||wl ∀ „¥¨ ‹等kt||zl研究了 Σu 层的纤丝取向与生长的关系 ,发现管胞停止膨大
之时恰是 Σu层纤丝形成之时 ∀由此可见纤丝角的研究对纤维植物性质及其生长过程探索都有重要作用
(刘稳生 ,t||y) ,对于竹材 ,亦应如此 ,遗憾的是至今稀有这方面的报道 ∀
本文将详细研究纤丝角在竹杆中的分布规律 o不同竹种纤丝角的差别 o以及纤丝角大小与节间长度的
关系 ∀
1 测量方法
测量纤丝角的方法有多种 }碘染色法 !偏光显微镜法 !螺旋裂纹条纹法 !复型法 !电镜法 !÷ 射线衍
射法k  ¼¨¯ ¤±ot|yzl前 x种方法是直接测量 o但费时 o不适于大量样品测量 o÷ 射线衍射法测量迅速 o但
衍射图形不能直接得到结果 o必须给予解释分析 ∀ ÷ 射线法又常分 v种分析方法 }
≤¤√¨法 }又称kssul衍射弧法 o理论分析指出k≤¤√¨ot|yy ~阮锡根 ot|{ul o纤丝角kΗ)和图 t(ssu)弧
射曲线的 Τ角之间的关系是Η€ s1y Τk图 tl o ¼¨¯ ¤±用碘染色法和 ÷ 射线法比较 o证明 ≤¤√¨的公式是
可信的 o山本浩之等kt||vl指出 ≤¤√¨公式对 ux ε 以上和 ts ε 以下的纤丝角误差较大 o他们提出 }
Η = t .xzx ≅ ts−v Τv − t .wvt ≅ ts−t Τu + w .y|v Τ − vy .t|
模型法 }由 …²¼§等提出kt|zzl o他们认为 Σu层有多层结构 o每 t层kssul图衍射图可以由 t对三
角形模型表示 oν层结构即由 ν对三角形的叠加表示 ∀因此在实际的衍射图中 ,可以认为衍射曲线是
由 ν个斜率不同的直线组成(如图 u) ,图 u是 v层结构衍射曲线的示意图 ,其中 αα. , ββ. , χχ.长度与每
一层的平均纤丝角成比例 ∀
图 t ≤¤√¨方法示意图
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶®¨·¦«¥¼ ¦¤√ .¨ ¶° ·¨«²§
图 u 模型法示意图
ƒ¬ªqu ׫¨ ¶®¨·¦«¥¼ °²§¨¯ ° ·¨«²§
分峰法 }°¤¤®®µ¬等kt|{wl假设kssul衍射曲线是 ν对高斯线叠加结果 o借助微机 o用分峰法求出平
均纤丝角 o但该法求出的纤丝角明显小于其它方法 o其原因 o阮锡根在有关论文中作了说明kt||vl ∀
2 样品与测试条件
毛竹k Πηψλλοσταχηψσεδυλισ ≤¤µµq ‹ q§¨ ¨«ql !斑苦竹k≤l Αρυνδιναρια χηινενσισ ≤ q≥ q≤«¤² ·¨Š q≠ q
≠¤±ª!人面竹k…l Πηψλλοσταχηψσ αυρεα ≤¤µµq¨ ¬q„ q¨·≤ q•¬√ q!孝顺竹k„l Βαµ βυσα γλαυχεσχενσk • ¬¯¯§ql
≥¬¨¥ ¬¨  ∏±µ²于 t||{年 ts月份取自南京林业大学校园 o毛竹 v根分别为 }Ξ(当年生) ! Ψ(t||w年
生) !Ζ(t|{w年生) ∀其它 v种竹皆为生长 v¤以上的老竹 ∀样品大小为 t °° ≅ w °° ≅ us °°k径 ≅弦
≅纵向l ∀样品取自每一节间的无沟槽面 ∀样品标记例如 „wk上l ) u o即为 „表示孝顺竹 ow是从地面
上计算起第 w节间 ok上l表示节间的上部 ∀样品沿径向等间距地取数个样品 o离竹青最近的一个样品
为 t o因此上述例子中 u表示从竹青算起 o沿厚度方向取的第 u个样品 ∀
测试仪器是 ⁄°¤¬2v…÷ 射线衍射仪 o采用纤维样品架 ∀电压 ws ®√ o电流 tx °„ o铜靶 o镍滤波 ∀设
置 uΗ€ uu1yβ ∀对称透射法测试 ,样品架绕其法线转动 ,转动角为 Β ,样品纵向与垂线平行时记为 Β€ s ,
测出 Β ) 衍射强度曲线图 ∀
3 测试结果与分析
ktl纤丝角径向分布 }图 v为竹材样品衍射图的 v种形式 ∀¤为竹青样品和紧靠竹青的竹肉样品 o¦
为竹黄部分的衍射图 o无结晶峰 o但因为竹黄样品常含有竹肉部分 o因此不少竹黄样品在 Β€ t{sβ处有
小峰 ∀而 ¥则为介于竹青和竹黄中间的竹肉样品 o从大量样品的衍射图以及用 ≤¤√¨法求得的平均纤
丝角大小来看 o可以得到 }
k ´l从图 vkαl中可以看出 o竹材维管束细胞 Σu层具有多层结构 o这一点与一些文章的论述相符
vut v期 江泽慧等 }应用 ÷ 射线衍射技术研究竹材超微结构 Œq竹材纤丝角
图 v 竹材样品沿 Β角的强度分布曲线
ƒ¬ªqv ׫¨ ¬±·¨±¶¬·¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬±ª¦∏µ√¨¤¯²±ª·«¨ Β¤±ª¯¨
¬± ·¨¶·¨§¶¤°³¯¨
表 1 毛竹纤丝角大小沿竹节的分布
Ταβ .1 Μιχροφιβριλ ανγλεσ οφ Πηψλλοσταχηψεδυλισ(χαρρ .)
Η .δε Λεη ατ διφφερεντ νοδε
竹节
‘²§¨
径向位置k外 ψ内l
• ¤§¬∏¶§¬µ¨¦·¬²±k¶∏µ©¤¦¨ ψ¬±¶¬§¨ l
竹青
≥∏µ©¤¦¨ t u v w x
w 上 ײ³ ts q|β ts1wβ ts1xβ ts1yβ ts1yβ ts1{β
w 中 ¬§ tv1tβ ts1uβ tt1tβ ts1{β ts1yβ ts1{β
w 下 ⁄²º± t{1sβ ts1{β tt1uβ tt1uβ
{ 上 ײ³ tu1xβ |1sβ |1sβ |1uβ |1xβ ts1wβ
{ 中 ¬§ |1tβ |1vβ z1|β |1wβ |1vβ |1|β
{ 下 ⁄²º± tt1|β {1|β |1tβ |1|β ts1sβ |1|β
tu 上 ײ³ |1xβ {1zβ {1zβ |1sβ |1uβ |1vβ
tu 中 ¬§ {1uβ {1|β {1yβ |1yβ |1wβ
tu 下 ⁄²º± |1zβ {1xβ {1xβ |1sβ |1xβ |1zβ
u{ 上 ײ³ |1wβ {1zβ {1yβ |1xβ |1wβ
u{ 中 • ¬§ |1wβ |1sβ {1{β |1wβ |1yβ
u{ 下 ⁄²º± |1yβ |1uβ {1xβ |1vβ |1vβ
k¬¨¶¨ ot|{zl o按照 ¥²¼§的模型理论 o图 vkαl至少可以分为 v部分即 αβ !βχ !χδ o每一部分对应 Σu层的
一层结构 ~k µl竹黄部分不出现结晶峰 o也就是说竹黄部分没有规则的纤丝定向排列 o竹黄应该是由无
定形物质组成 ~k ¶l紧靠竹青的样品衍射峰的强度远大于靠竹黄的样品 o即峰高由外向内逐渐减小 o因
为样品厚度几近相等 o因此峰高实际反映了结晶区域的多少 o因为 Σt !Σv以及初生壁均为无定形物质 ,
因此 ,由表皮向内 Σu层区域比例逐渐减小 o这与维管束密度由外向内逐渐减小是一致的 ~k ·l从表 t
的数据可以看出 }竹青纤丝角数据杂乱无章 o分析其原因 o可能是由于竹青样品实际是竹青加部分竹肉
组成 o而所加竹肉比例无规则 ∀竹肉部分的微纤丝角大小 o由外向里略有增加 o对其它样品也做了同样
测试 o结果相仿 o数据不再一一列出 ∀
kul竹材纤丝角纵向分布 }从表 t可以看出 }同一节间竹肉上中下 v部分纤丝角没有多大变化 o而
不同节间的样品纤丝角有差别 o为了求得纤丝角和节间长度的关系 o用下述方法选取样品 o所有样品取
每个节间中间部分 o样品紧靠竹青 o且去除竹青 o所测微纤丝角 Η的大小与竹节节间长度的关系如图 w ∀
其回归方程为 }
人面竹 Λ € u .vy¦²¶Ηp u .{| ( ν € ts , ρ€ s .|z)
或 Λ € p s .xtwΗn ty .v ( ν € ts , ρ€ s .{y)
斑苦竹 Λ € z .s{¦²¶Ηp w .{x ( ν € ts , ρ€ s .|w)
或 Λ € p t .wuΗn wz .t ( ν € ts , ρ€ s .zt)
孝顺竹 Λ € tv .| n¦²¶Ηp zs .yx ( ν € ts , ρ€ s .|w)
或 Λ € p ts .|xΗn tty .y ( ν € ts , ρ€ s .{|)
毛竹(当年生) Λ € z .wy¦²¶Ηp ux .{ ( ν € ts , ρ€ s .{s)
或 Λ € p w .w{Ηn yt .| ( ν € ts , ρ€ s .{u)
毛竹({w年生) Λ € y .xv¦²¶Ηp t{ .| ( ν € ts , ρ€ s .zz)
或 Λ € p v .{sΗn xz .vt ( ν € ts , ρ€ s .zz)
式中 }Λ为节间长度k¦°l oΗ为纤丝角kβl o从这些数据方程可得下述结论 }k ´l竹节长度和纤丝角的
¦²¶值是相等的 o和 Η值负相关 o但其相关系数明显地前者优于后者 o因此竹节长度和¦²¶Η成线性相关 ~
k µl按照李 钳kt|{wl关于竹节长度和纤维长度是线性相关的 o结合本文的结论可以推断纤维长度和
¦²¶Η是线性相关的 o因此 °µ¨¶·²±的结论优于 ∞¦«²¯¶等的结果 ~k ¶l在上述方程中 o毛竹的方程其相关
系数明显低于其它 v种竹材 o原因在于¦²¶Η在 Η角较小时 , Η角很小的变化会引起¦²¶Η值较大的变化 o
wut 林 业 科 学 vy卷
而目前纤丝角的测量方法很难精确到 s1tβ ~k ·l因为竹材节间长度最小是趋于零 o因此按照上述回归
方程令 Λ € s很容易求得不同竹种纤丝角的最大理论值即 }Η°¤¬ € v|1uβk人面竹l oxx1yβk斑苦竹l o
tt1tβk孝顺竹l oty1tβk毛竹当年生l ot|1tβk毛竹 t|{w年生l o这些数值应该反映不同竹种的特性 ∀
kvl纤丝角在竹材生长过程中的变化 }图 x是 u种年龄的毛竹纤丝角不同竹节分布图 o从图中很难
看出竹材生长过程中纤丝角的变化 ∀可以得出结论 }要观察其变化 o必须观察更年轻的竹材 o观察出旬
后逐月 !逐日的变化 o这将在后叙文章中阐述 ∀
图 w 纤丝角和节间长度关系
ƒ¬ªqw • ¨¯¤·¬²± ¥¨·º¨¨ ± °¬¦²©¬¥µ¬¯¤±ª¯¨¤±§±²§¨ ¯¨ ±ª·«
k¤l为斑苦竹 Η与 的回归曲线 oο为实验数据 ~k¥l为孝顺竹的
回归曲线 on为其实验点 ~k≤l为人面竹回归曲线 o3 为实验点
k¤l ׫¨ µ¨ªµ¨¶¶¬²± ¦∏µ√¨ ²© Αρυνδιναρια χηινενσισ ≤ q≥ q≤«¤² ·¨
Š q≠ q≠¤±ªq/ ο 0 }∞¬³¨µ¬° ±¨·§¤·¤qk¥l ׫¨ µ¨ªµ¨¶¶¬²± ¦∏µ√¨ ²©
Βαµ βυσα γλαυχεσχενσk • ¬¯¯§l ≥¬¨§q ¬¨  ∏±µ²q/ n 0 } ¬¨³¨µ¬° ±¨·
§¤·¤qk¦l׫¨ µ¨ªµ¨¶¶¬²± ¦∏µ√¨²© Πηψλλοσταχηψσ αυρεα ≤¤µµq¨ ¬ „ q¨·
≤ q•¬√ qq/ 3 0 }∞¬³¨µ¬° ±¨·§¤·¤q
图 x 毛竹纤丝角和节间长度的关系
ƒ¬ªqx ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²± ¥¨·º¨¨ ± °¬¦µ²©¬¥µ¬¯¤±ª¯¨¤±§±²§¨
¯¨ ±ª·«²© Πηψλλοσταχηψσεδυλισ k≤¤µµql‹ q§¨ ¨«q
ο为 t||{年生毛竹 o3 为 t|{w年生毛竹
ο }׫¨ ¥¤°¥²² ³¯¤±·¨§¬± t||{ o 3 }׫¨ ¥¤°¥²² ³¯¤±·¨§¬±
t|{w q
参 考 文 献
李 钳 q茶杆竹撑篙竹的节间长度与纤维长度的关系 q竹子研究汇刊 qt|{w qvktl }{| ∗ |w
刘稳生 o陶灵虎 o阮锡根 q棉纤维的微原纤螺旋角和纤维素微晶相对取向指数在植株中的分布 q作物学报 ot||y otuukyl }zss ∗ zsw
阮锡根等 q应用 ÷ 射线 p kssul衍射弧法测定木材纤维次生壁的微纤丝角 q林业科学 ot|{u ot{ktl }yw ∗ zs
阮锡根等 q应力木纤丝角的研究 q林业科学 ot||v ouukyl }xvt ∗ xvy
山本浩之等 q ·¨«²§²© §¨·¨µ°¬±¬±ª·«¨ ° ¤¨± °¬¦µ²©¬¥µ¬¯¤±ª¯¨²© º²²§²√ µ¨¤ º¬§¨ µ¤±ª¨ ¥¼·«¨ ¬°³µ²√ §¨¦¤√ .¨ ¶° ·¨«²§q木材学会志 ot||v o
v|kwl }vzx ∗ v{t
平川泰彦等 q× «¨ ©¨©¨ ¦·¶²© Σu °¬¦µ²©¬¥µ¬¯¤±ª¯ ¶¨²© ¤¯·¨º²²§·µ¤¦«¨¬§¶¤±§§¨ ±¶¬·¬¨¶²± °²§∏¯∏¶²©¨¯¤¶·¬¦¬·¼ √¤µ¬¤·¬²±¶²©≥∏ª¬·µ¨¨ ²¯ª¶q木材学
会志 ot||z owvkxl }ztz ∗ zuw
„¥¨ ‹ ετ αλ. ≤«¤±ª¨¶¬±·«¨ ¤µµ¤±ª¨ ° ±¨·²©¦¨¯¯∏¯²¶¨ °¬¦µ²©¬¥µ¬¯¶¤¶¶²¦¬¤·¨§ º¬·«·«¨ ·«¨ ¦¨¶¶¤·¬²± ²©¦¨¯¯ ¬¨³¤±¶¬²±¬±·µ¤¦«¨¬§¶q×µ¨ ¶¨ot||z o
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¬¨¶¨ • q „±¤·²°¼ ¤±§³µ²³¨µ·¬¨¶²© …¤°¥²²q• ¦¨¨±·• ¶¨¨¤µ¦«²± …¤°¥²²¶~ ‹¤±ª «²∏≤«¬±¤ot|{z
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