竹材保护学

**章绪论 竹类植物是地球上生长速度*快的植物之一，是森林资源的重要组成部分，被公认为 21世纪*具开发潜力的植物。竹类植物物种多样、资源丰富、取之不尽、用之不竭，集生态价值与持续利用于一体。竹材是天然可再生高分子材料，具有韧性好、强度高、色泽高雅、原料丰富等诸多优点，是建筑材、家具材、装饰材、造纸材、纺织品材、工艺品材、碳材和食材等优良的原材料，具有良好的发展前景 （图 1-1）。伴随着人类的文明与进步，利用竹材为人类造福，已经具有悠久的发展历史。竹材与木材一样，在使用过程中必须进行保护和维护，才能保持一定的寿命。竹材保护是指在保持竹材的天然物理特性、高强度比、易加工性质等优点及性能的前提下，通过一系列的物理、化学处理手段，克服竹材尺寸稳定性差、各向异性、易燃、易霉、易腐、易变色等缺点。竹材保护学是指采取科学的改性方法、手段、工艺或技术，对竹材或竹制品进行保护使其避免可能遭受的破坏或有害的影响，并赋予竹材特定功能的一门新兴学科。竹材保护学不仅研究竹材保护的方法、手段、发展现状，同时也对竹材保护技术的历史沿革进行分析，总结经验和不足，对竹类植物培育、加工利用、资源增值增效和延长产品生命周期等具有重要意义。 图 1-1 常见工业利用竹种 **节竹材资源现状 一、竹材资源 竹子，单子叶植物纲（ Monocotyledoneae）禾本科（ Gramineae）竹亚科（ Bam-busoideae）植物，分为散生竹、丛生竹和混生竹。全世界有 88属 1642种，其中草本竹类 100多种（ Vorontsova，2018），竹林面积 3200多万公顷，主要分布于北纬 46°至南纬 47°各大陆的热带、亚热带及暖温带地区，按地理分布可分为亚太竹区、美洲竹区和非洲竹区三大竹区（刘贤淼和费本华， 2017）。其中美洲有 18属 270多种，竹林面积约 160万 hm2，且主要分布在南美洲，巴西*多，北美洲少量；非洲有 14属约 50种，埃塞俄比亚*多；亚洲是竹子分布的中心，也是世界竹产区之一，特别是东南亚季风带区域，竹林面积约占世界竹林总面积的 1/3，竹种资源约占世界竹种资源总数的 55%，约 50属 900多种。主要的产竹国家包括中国、印度、缅甸、泰国、孟加拉国、越南、印度尼西亚、马来西亚、菲律宾等（图 1-2）。 我国竹子有 48属 837种，分别约占世界竹属的 55%和竹种的 51%，而竹种数位列世界第二的日本只有 13属 230余种（ Vorontsova，2018）。中国特有竹子包含 10属 48种。中国是世界上竹子种类*丰富、分布*广的国家，根据第九次全国森林资源清查结果，我国竹林面积为 641万 hm2，约占我国森林面积的 3%，其中毛竹林面积为 468万 hm2，约占竹林面积的 73%（李玉敏和冯鹏飞， 2019）。竹子主要集中分布于四川、浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、广东，以及西部地区的广西、贵州、重庆、云南等省（自治区、直辖市），其中以长江以南地区的福建、浙江、江西、湖南 4省*多，约占全国竹林总面积的 70%（图 1-3）。毛竹是我国栽培历史悠久、面积*广、经济价值*高的竹种，通常 4年便可达到材性相对稳定的状态。 图 1-2 世界竹资源分布（仿自国际竹藤组织） 由于气候条件、土质特点、地形变化及竹种特性的差异，我国竹类分布具有明显的区域性。以黄河以南至南岭以北地区为北方散生竹区，包括甘肃东南部、四川北部、陕西南部、河南、湖北、安徽、江苏及山东南部、河北南部等地区。该区域内以刚竹属等的竹种为主，还包括苦竹属、箭竹属、巴山木竹属、赤竹属、业平竹属等的一些竹种。以武夷山系、南岭山系、贵州南部、湖南、江西、浙江、安徽南部以及福建北部为江南混生竹区，该地区是我国竹子资源*丰富、面积*大的地区。江南混生竹区中散生竹和丛生竹在分布上呈点、面混合的特点，散生竹有刚竹属、箬竹属、苦竹属、大节竹属等，丛生竹类有簕竹属、箣竹属等。同时，江南混生竹区也是我国人工竹林面积*大、竹产量*高的地区，是毛竹分布的中心区域，竹产业较为发达。以两广南岭、福建戴云山脉、广西南部为华南丛生竹区，包括台湾、广东、广西、福建、云南等地区。该区域是我国丛生竹集中分布区，主要包括箣竹属、牡竹属、泰竹属、单枝竹属等。琼滇热带攀缘竹区包括海南中部和南部、云南南部和西部、西藏南部等，该地区水热资源丰富，竹类植物秆细枝长，该区的攀缘性丛生竹类主要有藤竹属、竹属及箣竹属（吴继林和郭起荣， 2017）。 图 1-3 中国竹资源分布（来自第九次全国森林资源清查数据） 二、竹材利用 竹子由竹叶、竹秆、竹兜、竹鞭及竹笋等构成，竹材利用通常是利用竹子茎秆或竹兜部分制作用具、工艺品等。竹制品、竹文化伴随着农耕文明，与人类生活息息相关。 1954年，我国考古学家在西安半坡村发掘了距今约 6000年的仰韶文化遗址，其中出土的陶器上可辨认出“竹”字符号。在距今约 7000年的浙江余姚市河姆渡遗址内也发现了竹类器物，这是我国古代对竹子利用的确切证据，说明我国人民认识和利用竹子的历史至少可追溯到新石器时代。我国商代已知道竹子的各种用途，如竹简保存了东汉以前的大批珍贵文献。早在公元 9世纪我国就开始用竹造纸，比欧洲早约千年，而在竹纸出现以前，制纸工具也离不开竹子。 竹材利用不仅历史悠久，应用领域也极其广泛，伴随着人类经济、社会、文化同步发展。常见的竹材利用形式有加工单元利用、圆竹利用、炭化利用和化学利用等多种类型，包括建筑、家具、装饰、造纸、纺织、碳材料、食品等多个领域，开发的应用产品有万余种。加工单元利用是指圆竹破篾或制成丝状之后，进行一次、二次或多次加工，制作半成品或成品。加工单元一般有竹篾、竹条、竹丝等形态，半成品一般有竹集成材、竹层积材、竹重组材、展平材等多种工程材料（图 1-4，图 1-5）。再由半成品制造建筑物、家具、地板等终端产品。充分发挥竹材圆形结构，直接开发原态产品，是竹产业未来的发展方向，如弧形原态重组材。圆竹利用是充分利用竹材体圆、中空，以及具有良好生物力学结构、竹壁梯度结构等特点，把圆竹预处理后直接加工制作成竹产品，常用于建筑、家具、装饰、工艺品、乐器等，应用历史悠久、范围广泛。竹材利用的缺点是易开裂、易虫蛀，使用时必须提前预处理，后期也必须定期维护。近年来，发展竹制品越来越受到行业重视，研发竹材标准材体系十分重要。竹材也是造纸、纤维板、纺织工业和醋酸纤维、硝化纤维的重要原料，还可以加工制造竹炭、活性炭、竹醋液、黄酮，也可以加工成竹丝、竹篾，制造编织品等（图 1-4）。 图 1-4 竹材原料的基本单元 图 1-5 竹材加工利用板材类型 第二节竹材保护现状 竹材的微观构造主要由基本组织和维管束组成，基本组织约占 52%，维管束约占 48%。竹材的主要细胞组成为纤维细胞、薄壁细胞和导管，主要化学组成为纤维素、半纤维素和木质素，同时含有淀粉、糖类、蛋白质、脂肪等物质，其结构特点和化学成分使得竹材容易受到菌、虫的侵蚀而发生霉变、腐烂等现象（ Liese and Kumar，2003）。竹材作为天然生物质材料，有诸多优点，同时在应用中也有不少缺陷，如竹材会因为周围温湿度变化以及微生物等的存在发生劣化，尺寸稳定性差、易腐朽霉变、易燃、易开裂等，导致其产品性能差，附加值低。因此，对竹材进行性能改良，改善竹材的这些缺陷，是实现竹材高效利用的重要手段（雷得定等， 2009）。通过一系列改性技术，对竹材进行物理化学处理，使处理后的竹材在尺寸稳定性、抗变色、阻燃、耐腐、抗霉变等方面有较大程度的改善，同时兼具某些特殊的功能，可以有效地提高竹材的利用率，延长竹材的使用寿命，对提高竹材的附加值具有重要意义（林金国和徐永吉， 2003）。由此可见，竹材防腐防霉技术的研究和推广应用是竹材工业化利用以及竹资源可持续利用的重要环节。 白蚁蛀蚀是竹材保护过程中常见的危害类型，往往使竹建筑、竹家具的外观、寿命和功能受到影响，故常常采用长效防虫蛀技术来防治。真菌是危害竹材的主要菌类之一，对竹材产生危害的真菌主要是变色菌、霉菌和腐朽菌。竹材变色菌和霉菌多以非细胞壁物质为养分，这类真菌的危害轻微，基本不影响竹材的机械强度，但有色的菌丝、孢子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（图 1-6）。竹材腐朽菌还能分泌纤维素、半纤维素水解酶系，从而降解纤维素、半纤维素甚至木质素等细胞壁物质来获取营养物质。它们蛀食的是整个细胞组织，并形成许多蛀道，使竹材机械强度受损，降低竹材、竹制品的使用价值，严重时，竹材大部分甚至几乎全部被蛀损，从而完全失去使用价值。 竹材保护通常采用物理法、化学法或物理-化学相结合的方法对竹材进行改性处理，通过填充、改变部分基团，甚至与细胞壁组分发生化学反应来改善竹材耐久性、尺寸稳定性、阻燃性及力学性能（谢延军等， 2012）。热处理是通过高温加热（ 160～ 260℃）的物理化学方法使细胞壁物质在高温条件下热解或发生分