竹材防霉研究概况及其展望(1)

前言
      我国竹资源丰富,竹材被誉为第二森林资源,是木材的重要替代材料。当世界森林面积在逐渐减小时,竹林面积却在以每年3%的速度递增。因此,竹子被认为是21世纪最有希望和潜力的植物。我国是世界上最主要的产竹国,约有500 万hm2竹林。
      全世界竹类植物有1200多种,中国拥有500多种。中国的竹类资源主要分为四个区域:黄河-长江竹区;长江-南岭竹区;华南竹区和西南高山竹区,毛竹主要分布在长江-南岭竹区。众多竹种类中,我们选择的是毛竹--其颜色、纤维结构、密度、强度最适合生产各种竹板材。其主要位于北纬25︿30°之间,这个地区的气候年平均温度15-20℃,1月份平均温度4-8℃,年降水量1200-2000mm最适宜毛竹生长。中国的毛竹面积约400万公顷,竹产量占到世界的一半以上,其中浙江、福建、江西、湖南四省面积约占全国的80%。
竹材特性
      毛竹又称楠竹,系草本植物,它的繁殖主要依赖毛竹根部竹鞭上的芽,每年3月由芽生长发育成竹笋再成长成新竹,4-5月新竹生长旺盛,每日可长80-100cm左右,四年即可成材。而大量埋在地底下的竹鞭(每1公顷竹林,0-10cm土层中根系的总长为24620km)。当成熟的毛竹采伐后,又重新发芽长笋、成竹,实现自身的持续生长。 四年成材的毛竹,具有良好的物理力学性能,可与高密度的阔叶材相媲美。静曲强度、弹性模量、强度是一般木材的2倍。竹材密度约为0.789g/cm3,顺向抗拉强度达到201.7Mpa,抗压强度74.2Mpa。
      竹材的密度因竹龄(成熟的密度较大)、部位(梢段或秆壁外缘密度较大)和竹种而异,平均约0.64克/厘米3。竹材的干缩率低于木材,弦向干缩率最大,径向次之,纵向最小;干燥时失水快而不匀,容易径裂;气干竹材吸水性强。顺纹抗拉强度较高,平均约为木材的2倍,单位重量的抗拉强度约为钢材的3~4倍,顺纹抗剪强度低于木材。强度从竹秆基部向上逐渐提高,并因竹种、年龄和立地条件而异。
      竹子在地球的纬度分布范围为北纬46度—南纬47度,包括热带和亚热带的广大地区。其生长的海拔可高达4000米,主要分布在喜马拉雅山区和中国的部分地区。竹子具有很强的环境适应性,有落叶类和常绿类。
      竹材的化学成分为:纤维素40%~60%,半纤维素14%~25%或更多,木质素16%~34%,有随年龄增长的趋势。
竹材的使用领域
      竹材的利用在中国已有数千年的历史,比如原始的简单制作的竹椅、竹床、竹筐等等,竹材的利用一直处在这种低水平、小规模的分散状态。经进近十多年来的不断开发使用,竹材的利用已发展成为一种新兴的产业。高品质的竹地板、竹家具板材、竹装饰板材、竹钢琴应运而生。
      竹材的利用有原竹利用和加工利用两类。原竹利用时是把大竹用作建筑材料,运输竹筏,输液管道;中、小竹材制作文具、乐器、农具、竹编等。加工利用有多种用途,如竹材层压板可制造机械耐磨零件等;竹木复合板曾制成第一架竹材单翼高级教练机;竹材人造板可作工程材料。此外竹黄还可制成多种工艺美术品。竹材也是造纸、制纤维板和醋酸纤维、硝化纤维的重要原料。竹炭表面硬度高于木炭,可用于冶炼工业和制取活性炭。
      专家估计,全球每年的竹藤贸易额约为50-70亿美元,与其他同类商品相当,如香蕉(50亿美元),棉花(60亿美元),小麦(130亿美元),热带木材(140亿美元)。后者还包括由必要的竹藤原料制成的加工产品(贸易额为60亿美元)。
(1)竹材集成材:
      上世纪90年代初开始用实体竹材生产的竹地板,是我国集成材的代表产品,质硬耐磨,纹理细腻,光洁清新,防滑隔潮,深受欢迎。现有竹地板生产厂80多家,年产量约400万平方米,其生产量和出口量均居我国竹制品龙头地位。每平方米竹地板出厂价130至150元,需用毛竹料4根,竹料40至50元,附加值高,仍有发展潜力。但还可以成型加工成其它式样或增大幅面,用作建筑的大梁、柱子和框架,用作结构性装饰、制造家具或其它方面。同时,应注意适应环保要求,减少甲醛系脂使用,发展无游离甲醛的竹材集成材。
(2)竹材饰面材料及装饰材料:
      竹材强度大、韧性好、刚性好,色泽较浅易漂白、易染色。用原竹切成微薄竹片,以木质胶合板、中密度纤维板、刨花板为基材,进行贴面加工,可替代大径级阔叶林木材的使用,生产出具有各种装饰效果的板材。竹材加工成微薄竹片后,附加值可提高3倍以上,如果将竹材加工拼接成各种装饰挂件的基材,其经济效益更加可观。
(3)竹材人造板:
      产品包括有竹编胶合板,刨花、纤维或再加覆膜的板材、竹木复合板等。竹编胶合板主要用于建筑用水泥模板,据预测,今后10年内钢框竹胶模板所需竹编胶合板将达4000万平方米,我国各种竹编胶合板现有生产能力仅1500至2000万平方米。竹木复合板材,以竹材物理力学性能好、表面装饰性好的特点,与速生丰产木材质轻、力学性能差的特点结合,可取长补短,科研单位正在进行竹纤维与农业剩余物制造复合人造板材,均可望成为很有市场前景的产品。
(4)竹炭:
      竹炭是新兴的环保材料,除作为燃料、水净化、土壤改良、住宅调湿及花卉果蔬保鲜等方面的用途外,有关科研单位正在对烧制工艺和产品开发加大科研力度,积极开展竹炭抗电磁辐射能力、空气净化能力、水分调节能力等的评价和应用研究。我国竹炭业近几年有较快发展,日本国内虽有约300家烧炭厂,但每年仍需从我国的浙江等省进口竹炭近4000吨。竹炭生产工艺简单,建厂规模较小,所用竹料为小径竹、老竹、竹梢、竹根及竹材加工的剩余物等,竹料每吨不过数百元,出炭率约为16%,6吨竹料可烧制1吨炭,每吨炭价格约为1至1.8万元,产品附加值较高。烧制过程中还可提取一定数量的竹醋液,增加创收。
(5)生物能源开发:
      德国联邦能源研究所的专家贝山姆博士在会上提出,以再生能源来缓解非再生能源的使用压力,是全球化趋势,竹子是可再生的制造生物能源的最好原料之一,用快速热解或气化、炭化等方法,即可得到竹制品燃油,并出示了他与德国大众汽车公司合作研制的汽车燃料竹油样品。他说,这种油含有多种化学物质,除作为燃料外,还可用于制药、化工等其它工业。下一步的研究方向是降低竹油的制取成本,以使其具备推广使用价值。
竹材霉菌
      竹材霉变源于霉菌在其表面的生长和繁殖。不同地区竹材霉菌种类及危害程度有所不同,只有了解其生长特性及影响因素,才能选择有效的途径与合适的防霉剂进行防霉处理。
      竹材细胞壁组成物质含量与木材中的阔叶材相似,非细胞壁物质含量较阔叶材高,如淀粉、还原糖、蛋白质、脂肪、矿物质等,能给许多种类的细菌、真菌和蛀虫提供充足的营养物质,使竹材及其制品在贮运、加工和使用过程中,极易发生霉变。菌腐和虫蛀为害,影响其质量,降低甚至完全失去使用价值。
      为害竹材的真菌种类繁多,在真菌门的5个亚门中,就有接合菌亚门、子囊菌亚门。担于菌亚门和半知菌亚门等4个亚门的许多种真菌对竹材产生为害.仅主要产生霉变为害的常见霉菌就有毛霉、青霉、木霉、曲霉、枝泡霉等。
      竹材霉变真菌多以非细胞壁物质为养分,对细胞为害轻微,基本不影响竹材的强度.但有色的菌丝、泡于和菌丝分泌的色素,会在竹材表面形成蓝、褐、灰色霉斑.甚至造成相当深度的染色,即使用漂白剂处理或表面刨削也难除净,使竹材失去其天然纹理和色泽,大大降低竹材及竹制品的价值。竹材腐朽真菌还能分泌纤维素、半纤维素水解酶系。因此,竹腐真菌能通过降解纤维素、半纤维素,甚至是木质素等细胞壁物质来获取营养物质,使竹细胞被摧毁,机械强度降低甚至完全失去使用价值。
      虽然竹蛀虫主要吸取非细胞壁物质为养分,但它们在蛀食时并无这种选择,蛀食的是整个细胞组织,形成许多蛀道,使竹材机械强度受损,降低竹材、竹制品的使用价值,严重时,竹材大部甚至几乎全部被蛀损,竹黄和竹青也到处是成虫蛀入和蛀出的孔道,而完全失去使用价值。
      我国地域辽阔,各地气候条件不尽相同,竹种多,霉菌种群亦有差异。
      吴开云等研究认为,有15种霉菌可引起毛竹材霉变,其中有10 种为重要致霉菌,它们是:
链格孢菌(Alternaria alternate);
黄曲霉(Aspergillus flavus);
桔青霉(Penicilliumtrinum);
产黄青霉(P.chrysogenum);
绳状青霉(P.funiculosum);
球毛壳菌(Chaetomium globosum), Fusarium pallidoroseum;
弯角镰孢(F.camptoceras);
冻土毛霉(Mucor hiemalis)。
      吴光金等研究了湖南益阳、常德采毛竹、水竹上的霉菌,经鉴定有20种,其中常发霉菌有12种:
黄青霉;
顶青霉(P.coryloPhilum);
微紫青霉(P.janthinellum);
绿霉(P.digitatum);
扩张青霉(P.expansum);
黑根霉(Rhizopus nigricans);
黑曲霉(Aspergillus niger);
黄曲霉(Aspergillus flavus);
粉红单端孢霉(Trichothecium roseum);
乳酸镰孢霉(Fusarium lLactis);
爪哇镰孢霉(F.javanicum);
串珠镰孢霉(F.moniliforme)。
赵桂华等从霉变的毛竹、刚竹上分离鉴定了6 种真菌:
茎点霉菌(Phoma necatrix);
葡萄生交链孢菌(Alternaria viticola);
局限曲霉(A.restrictus);
石楠壳球孢(sphaeropsi siphotinae);
黑盘孢菌(Melanconum SP.);
大茎点霉菌(Macrophoma fabae)。
      王文久等研究了云南昌宁、安宁两地竹材霉腐真菌,共鉴定了52种:
      接合菌亚门3种;子囊菌亚门3种;半知菌亚门29 种;担子菌亚门17种。
      霉菌多隶属于半知菌亚门丝孢纲(Hyphomycetes),其中最典型:
死孢科(Hyphomycetaceae)的青霉属(Penicillium Link);
曲霉属[Aspergillus(Mich);
木霉属(Trichoderma Pers)等属。
日本在在竹材上记载过10 种青霉:
桔青霉;
圆弧青霉(P.cyclopium);
扩展青霉;
常见青霉(P.frequentans);
微紫青霉;
草酸青霉(P.stoloniferum);
桧状青霉(P.piceum);
红色青霉(P.rubrum);
葡枝青霉(P.stoloniferum);
变幻青霉(P.variabile)。
竹材霉菌生理特性研究
      翁月霞、吴开云等研究认为,对竹材霉变起决定作用的因素是环境湿度,当环境相对湿度低于75%时,基本不发生霉变;当相对湿度高于95%时非常有利于霉菌的繁殖,造成霉变迅速发展。此外温度对竹材霉变也起重要作用,当环境温度低于15℃或高于35℃时,霉菌的生长缓慢,霉菌生长最适温度在20-30℃之间。
吴光金等对竹材部分霉菌的生物学特性进行了研究,认为镰刀菌在相对湿度41%时孢子即可萌发,顶青霉、黄青霉、粉红单端孢霉在相对湿度63%时孢子开始萌发,而丝孢酵母在相对湿度70%时孢子才萌发,随着湿度增高孢子萌发率递增,相对湿度为93%时,最适合各菌孢子萌发。温度的影响为:镰刀菌在的最适温度为20℃~30℃,顶青霉、黄青霉、粉红单端孢霉的最适温度为15℃~30℃,当温度为35℃时都不能生长。
      冉隆贤等对竹材上5种常见霉菌即黑曲霉、黄曲霉、指状青霉、桔青霉和黑根霉的生物学特性,竹材可溶性总糖和淀粉含量对霉菌生长的影响,以及5 种霉菌淀粉酶、纤维素酶活性与霉烂竹材的顺纹抗压强度的相关性进行了研究,结果表明在温度为25℃~30℃,相对湿度93%以上,霉菌孢子萌发和生长最快,而在5℃以下,或相对湿度低于65%时,5 种霉菌孢子均不萌发,菌落不生长;最适生长pH 值在4-6 之间;5 种霉菌都都能利用淀粉或可溶性糖作为碳源,但只有黑曲霉能在以纤维素作碳源的培养基上生长;竹材中可溶性总糖和淀粉含量与霉菌生长呈显著正相关,5种霉菌均有淀粉酶活性,仅黑曲霉有纤维素酶活性。霉菌的淀粉酶活性与霉烂竹材的顺纹抗压强度呈负相关。
竹材不同于木材的解剖特性
      竹材的解剖特征有其自身的特点,其节间细胞组织全部纵向排列,不像木材那样有径向分布的薄壁细胞和射线细胞,因此,处理剂及水分不能沿射线方向渗入。竹茎成熟后,由于胶状物质的沉积及侵填体的聚积,导管和筛管几乎不再具有横向渗透性。竹材的表面覆盖着富含硅和蜡质的坚硬薄层,所以防腐剂难以从径向渗入。由于上述结构的差异,竹材比木材更难处理。从纵向看,竹材的组织是由薄壁细胞和维管束(导管和厚壁纤维)组成,首尾相连的导管使得新鲜的竹材中纵向流动非常迅速。但维管束在竹秆里分布不均匀,在竹秆的外围部分维管束小而多,在中央部分维管束大而少。离导管越远,渗透的水平也越低,这一特性又造成防腐剂在竹材中分布的不均匀性。导管仅占竹秆体积的10%,所以防腐剂渗透到导管周围的其它组织的能力很弱。防腐剂未渗透到的薄壁组织则极易成为真菌早期侵袭的突破口。
由于竹材和木材的解剖构造存在很大差异,因此,不能机械地套用木材的防腐处理方法。(待续)

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