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竹材的構造是怎樣的?

竹材內部的細微特征、細胞排列及組成成分。構造特點影響竹材的物理、化學及力學性質,對竹材幹燥、防護和溶液滲透,以及竹材切削、篾編、膠合、壓縮等加工技術都有很大關系,同時在竹類分類上亦有重要意義。竹材構造分宏觀、微觀及超微3種。

竹材宏觀構造

在肉眼或擴大鏡下所見到的竹材特征。包括竹青、竹肉、竹黃。竹青是竹壁的外側部分,組織緊密,質地堅韌,表面光滑,覆有蠟層,綠色或黃色,有的竹種還具條紋及斑點(如黃金間碧玉竹及斑竹);竹黃在竹壁內側,組織疏松,質地脆弱,呈黃色;竹肉位於竹青及竹黃之間,由維管束及基本組織構成。竹壁維管束顏色較深,在橫切面上呈麻點狀,縱切面呈絲狀或線狀、平行排列;通過竹節時出現彎曲、分枝、聯結,並形成節隔維管束。竹壁外側維管束小而密,基本組織數量少;內側維管束大而稀,基本組織數量多。竹材密度及力學強度是竹壁外側大於內側。

竹材微觀構造

在顯微鏡下見到的竹材特征。竹材節間構造自外至內分表皮層、皮下層、皮層、基本組織、維管束、髓環及髓(見圖)。

表皮層

竹壁最外的壹層細胞,由長形細胞、栓質細胞、矽質細胞及氣孔器構成。長形細胞數量最多,呈長方柱形,縱行排列整齊。栓質細胞和矽質細胞形狀短小,常成對結合,散生於長形細胞行列之中。每平方毫米竹稈表皮上有數個至十幾個氣孔。

皮下層

由壹至二層小形柱狀細胞構成,胞壁較厚。叢生竹皮下層胞壁較薄,和皮層細胞無明顯區別。

皮層

由數層至十幾層細胞構成,比皮下層細胞稍大。皮層寬窄因竹種及竹稈部位不同而有差異。大稈竹種皮層細胞列數多於小稈竹種。同壹竹種竹稈,基部皮層細胞列數多於梢部。如毛竹竹稈基部皮層細胞為10~12列,中部為5~6列,上部為2~3列。幼嫩竹稈皮層細胞含葉綠體,故稈面呈綠色。

基本組織

為壹些多角形薄壁細胞,胞壁隨竹稈年齡增大而逐漸加厚,具單紋孔。細胞大小不壹,壹般長度50~300微米,直徑30~60微米。

維管束

散生於基本組織中,其大小和密度與竹稈部位、竹稈粗度及竹種有關。維管束橫斷面積壹般為0.1~0.5平方毫米,每平方毫米竹材約有5~7個維管束。同壹竹稈自下而上、自內而外,維管束橫斷面積逐漸減小,密度逐漸增大。同壹竹種稈粗的維管束密度比稈細的小。維管束由韌皮部、木質部及其四周的纖維群所構成。韌皮中有篩管、伴胞及小形薄壁細胞。木質部有木質化的導管及木薄壁細胞。導管為環紋、螺紋、網紋或梯紋型,壹般長度300~1200微米,直徑15~200微米。纖維的大小和含量與竹稈部位和竹種有關。多數竹種纖維長2.1~2.7毫米,寬14~19微米,長寬比為119~172。竹稈纖維,在竹稈中段最長最粗,下段次之,上段最短最細;在竹壁中部最長最粗,內部次之,外部最短最細。纖維的長寬比,在竹稈上段最大,向下逐漸減小;在竹壁外部最大,向內逐漸減小。

髓環(竹黃主要成分)

為數層及十數層橫向整齊排列的磚形細胞。胞壁木化增厚或較薄,與髓細胞無明顯區別(如孝順竹、禦江箬竹)。

為壹些大形薄壁細胞,壹般成膜狀(竹衣、笛膜),有的成片狀(如短穗竹)或海綿狀(如矢竹、綠竹)。髓破壞後留下的空隙即竹稈中空部分稱為髓腔。

不同竹種竹材上述各種組織的組成比例不同,33種竹種竹材的平均值為:纖維40.8%,導管6.1%,篩管及薄壁組織52.8%。散生竹與叢生竹在竹材構造上,有明顯的區別。散生竹竹材的皮下層和皮層細胞的形狀差異顯著,基本組織細胞較粗而長,維管束中的纖維群沒有被薄壁組織分隔的現象,原生木質部多為薄壁組織所填充。叢生竹竹材的皮下層和皮層細胞無顯著區別,基本組織細胞短而細,維管束纖維群常有被薄壁組織分隔的現象,原生木質部皆成空腔,沒有填充物。

竹材超微構造

壹般光學顯微鏡不能觀察到的竹材細胞壁的精細結構。只有借助電子顯微鏡和X射線衍射分析等方法才能對它進行觀察研究。竹材細胞壁的主要成分為纖維素、半纖維素(雜多糖)和木質素。這三種物質緊密相連存在於壹個系統中,纖維素是骨架,木質素是結殼物,半纖維素是連接纖維素與木質素的物質。竹材細胞壁中的纖維素,它的基本組成是壹些長短不等的鏈狀纖維素分子,這些分子鏈有規則地聚集在壹起稱為微團,由微團組成為壹種絲狀微團系統,即微纖絲,進而聚集成不同等級的纖絲。由纖絲組成了細胞壁層。目前只能觀察到微纖絲的排列情況。竹稈各種細胞超微結構的***同特征是初生壁上微纖絲排列稀疏,交錯成網狀,此層很薄,相鄰兩細胞的初生壁與胞間層緊密相連成復合胞間層。次生壁呈寬窄交替的多層結構,寬層中微纖絲排列與細胞軸向近於平行,而窄層中微纖絲的排列近於垂直。各種細胞的特征如下:

纖維

存在於維管束鞘中,其細胞壁呈現寬窄交替的多層厚壁狀,緊連初生壁的第壹層次生壁其微纖絲走向與細胞軸成50°,從外層向內層各寬層中微纖絲排列由陡向斜,大致從2°~5°到10°~20°;與此相反,各窄層中微纖絲排列幾乎是平行的,與細胞軸約成85°~90°。不存在典型的三生壁。某些竹種細胞內壁上有瘤層。在縱向壁上紋孔稀少,紋孔膜呈交錯的網狀結構。

薄壁細胞

圍繞維管束的基本組織,由垂直伸長和近似正方體的兩種薄壁細胞所組成。長薄壁細胞的次生壁具有寬窄交替的多層結構,層數多至15個。寬層(約0.2微米)微纖絲排列略呈弓形,埋於窄層(約0.04微米)中而呈魚骨狀。短的薄壁細胞為非木質化細胞。兩種薄壁細胞均有瘤層。

導管分子

它們的次生壁由兩個不同部分的環狀組成:壹個寬約0.2微米,微纖絲排列成平螺旋狀,與細胞軸約成90°~95°;另壹個寬約2.2微米,微纖絲排列成30°~90°。部分竹種有瘤層。細胞縱向壁上有大量的具緣紋孔,紋孔膜結構均勻,微纖絲排列成交錯的網狀結構。

篩管分子

篩管上的微纖絲圍繞著細胞中心平行排列,且垂直於細胞軸。

纖維細胞壁的多層結構與木質化的多層薄壁細胞壁的結合,使竹稈具有很高的抗拉與抗彎強度。寬窄層微纖絲的交替排列對消除各向異性有利。

見木材構造、木材細胞壁構造。