مروری بر خواص بامبو
مروری بر خواص بامبو
مریم شجری
دانشجوی دکتری مهندسی تکنولوژی نساجی
گروه فرش ایده آل، شرکت بوستان ترمه
چکیده
با توجه به افزایش آلودگیهای زیست محیطی و تاثیر منفی مواد شیمیایی بر بدن انسان، استفاده از مواد طبیعی در صنایع مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته است و جایگزین کردن مواد طبیعی با مواد شیمیایی از دغدغههای مهم محققان در صنعت به شمار میرود. در این میان استفاده از گیاهانی مانند بامبو که علاوه بر زیست تخریب پذیر بودن موجب بروز ویژگیهای مطلوب دیگری نیز بر روی نمونه هستند از اهمیت بالایی برخوردار است؛ بدیهی است که آشنایی با ساختار این گیاه میتواند تاثیر بسزایی در نحوه بکارگیری آن در صنعت باشد. در این مطالعه جهت بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی بامبو، نمونههایی از بامبو در سنهای مختلف (۱، ۳ و ۵ سال) و از قسمتهای مختلف ساقه مورد بررسی قرار گرفت که نتایج نشان داد خواص فیزیکی و مکانیکی بامبو، با سن و ارتفاع ساقه ارتباط دارد. به طور مثال هر چه سن بامبو کمتر باشد؛ میزان استحکام نیز کاهش میابد از طرف دیگر با افزایش سن بامبو و ضخیم شدن دیواره سلولی، میانگین وزن مخصوص و خواص خمشی افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: بامبو- مواد طبیعی- زیست تخریب پذیری- میزان سن و طول بامبو
مقدمه
در دنیای امروز موضوع آلودگی محیط زیست و کاهش سوختهای فسیلی موجب شده که دانشمندان و محققان تلاش کنند تا بتوانند مواد طبیعی را جایگزین مواد مصنوعی نمایند. در همین راستا مطالعات گستردهای بر روی گیاهانی که میتوان از آنها در صنعت استفاده نمود مانند: ساقه برنج، ساقه نیشکر، گیاه بامبو، پوسته و ساقه ذرت و غیره انجام گرفت که از میان آنها گیاه بامبو به دلیل شرایط رشد و ویژگیهای ساختاری، مورد توجه بیشتری قرار گرفت. بامبو که از نظر گیاهشناسی به عنوان یک گیاه و نه یک درخت دستهبندی میشود، در میان گیاهان، سریعترین رشد را داشته و طول آن میتواند در عرض یک روز حدود یک یارد (۹۱۴۴/۰ متر) و یا بیشتر افزایش یابد. بامبو خیلی سریع و در حدود چهار سال آماده برداشت میشود که بعد از برداشت، احتیاجی به کاشت مجدد ندارد چون ریشههای آن دوباره جوانه زده و گیاه جدیدی رشد میکند. بامبو بصورت طبیعی رشد کرده و نیازی به تراکتور و آفتکشها و کودهای سمّی ندارد. ساختار مقطع عرضی ساقه بامبو از تعداد زیادی رشتههای آوندی که در بافت زمینهای پارانشیم[۱] قرار گرفتهاند تشکیل شده است. بافت ساقه از دو نوع سلول پارانشیم و رشتههای آوندی به وجود آمده است. سلول‌های پارانشیم دیواره نازکی داشته و توسط حفرههای متعددی به یکدیگر متصل شدهاند. حفرهها بطور برجستهای روی دیوارههای طولی قرار گرفتهاند. دیوارههای افقی به ندرت حفره دارند. همانطور که در شکل ۱ مشاهده میشود، اندازه رشتههای آوندی در لایه داخلی و میانی بزرگ، اما در لایه خارجی کوچکتر و متراکمتر است.
وزن مخصوص (SG) مقیاسی برای دانسیته ماده است که برابر با نسبت دانسیته آن ماده به دانسیته آب میباشد. وزن مخصوص بامبو بسته به ساختار آناتومیکی آن بین ۴/۰ تا ۸/۰ متغیر است. رطوبت محتوی بامبو بصورت عمودی و از پایین تا بالای آن و بصورت افقی از لایه خارجی تا لایههای داخلی متغیر است. بامبو محتوی رطوبت بالایی دارد. بامبوی سبز ممکن است %۱۰۰ رطوبت داشته باشد (بر اساس وزن خشک) که این مقدار برای داخلی‌ترین لایهها میتواند تا %۱۵۰ و برای لایههای خارجی تا %۷۰ باشد. تغییرات عمودی رطوبت در این گیاه از بالا (%۸۲) به پایین (%۱۱۰) کم است. نقطه اشباع الیاف بامبو حدود %۲۲-۲۰ است. قابلیت تر شدن، توانایی یک مایع در تشکیل یک لایه چسبنده روی سطح است که به دلیل غلبه جاذبه مولکولی بین مایع و سطح بر نیروی چسبندگی مایع ایجاد میشود. قابلیت تر شدن بامبو تأثیر قابل توجهی روی چسبندگی و دیگر خواص آن دارد. مطالعات متعدد نشان داده است که قابلیت تر شدن محاسبه شده بر اساس اندازهگیری زاویه تماس ارتباط زیادی با قابلیت چسبزنی[۲] چوب و کامپوزیتهای چوبی دارد. ساقه بامبو از حدود %۵۰ پارانشیم، %۴۰ الیاف و %۱۰ مجراهای آوندی تشکیل شده است. الیاف حدود %۷۰-۶۰ از کل وزن بافت ساقه را تشکیل میدهند. آنها بلند بوده و انتهای باریکی دارند. نسبت طول به عرض بین ۱۵۰:۱ و ۲۵۰:۱ متغیر است.
جدول۱. میزان طول الیاف در بین گونه‌های مختلف بامبو
افزایش سن ساقه بامبو روی خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی، و در نتیجه فرآوری و استفاده از آن تأثیر میگذارد. خواص فیزیکی و مکانیکی بامبو با سن و ارتفاع ساقه ارتباط دارد. بطور کلی، وزن مخصوص و دیگر خواص بامبو از بالا به پایین ساقه کاهش مییابد. افزایش وزن بصورت تجمعی است و ارتباط مستقیمی با سن دارد. گزارش شده که خواص استحکامی با افزایش سن کاهش مییابند .بیشترین مقادیر در مورد ساقههای با سن ۳-۶ سال به دست آمد. بیشترین مقادیر استحکام در مورد ساقههای Bambusa nutans، در سن ۳-۴ سال میباشد.
در این مطالعه دو نمونه ساقه بامبو برای هر گروه سنّی (۱، ۳ و ۵ سال) برداشت شده است. یک شیوه برای دستهبندی کردن موقعیت طولی بامبو انتخاب شده (شکل ۲) که با شروع از میانگره دوم از پایین تا ۳۱ اُمین میانگره، بخشهایی با طول ۱۰ میانگره انتخاب شدند. کل ساقه به سه بخش با طول یکسان تقسیم شد (پایین، وسط، بالا). میانگرههای دوم و سوم از هر بخش برای تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی انتخاب شدند.
شکل۱. سطح مقطع ساقه بامبو (بزرگنمایی ×۱۰)
شکل ۲. دیاگرام شماتیک تکنیک نمونهگیری از ساقه بامبو
تراکم رشتههای آوندی در جدول ۲ آمده است. رشتههای آوندی بطور یکنواخت در سطح مقطع بامبو توزیع نشدهاند. اگرچه تعداد کل رشتههای آوندی با افزایش ارتفاع ساقه کاهش مییابد، اما تراکم رشتههای آوندی در بخش بالایی بیشترین مقدار را دارد. بالاترین تراکم رشتههای آوندی مروبوط به بخش بالایی بامبوی ۳ ساله با مقدار ۴۶۷ رشته در cm میباشد. برای Phyllostachys edulis، ۸۰-۵۰ درصد رشتههای آوندی در یک سوم خارجی دیواره، ۳۵-۱۰ درصد، در قسمت میانی و تنها ۲۰-۱۰ درصد در یک سوم داخلی دیواره قرار گرفتهاند. رشتههای آوندی بطور یکنواخت در سطح مقطع بامبو توزیع نشدهاند. اگرچه تعداد کل رشتههای آوندی با افزایش ارتفاع ساقه کاهش مییابد، اما تراکم رشتههای آوندی در بخش بالایی بیشترین مقدار را دارد.
جدول۲. تراکم رشته های آوندی بامبو در سنین مختلف. (واحد: تعداد رشته در یک cm)
شکل ۳ مورفولوژی الیاف بامبوی جدا شده را نشان میدهد. شکل۴ توزیع طول الیاف بامبوی ۱، ۳ و ۵ ساله را نشان میدهد. محدوده طول الیاف بامبو بین mm 1/3-6/1 میباشد.
شکل ۳: تصویر الیاف بامبوی جدا شده زیر میکروسکوپ (بزرگنمایی ×۲۰)
شکل ۴. توزیع طولی الیاف بامبو (mm)
مقادیر وزن مخصوص در جدول ۲ آمده است. بطور میانگین، وزن مخصوص بامبوی ۱ ساله در مقایسه با مقادیر آن برای ساقههای ۳ و ۵ ساله بسیار کمتر است. اما تفاوت کمی بین وزن مخصوص بامبوهای ۳ و ۵ ساله وجود دارد. بطور کلی پذیرفته شده است که افزایش دانسیته ساقه به دلیل ضخیم شدن دیواره سلولی است. میانگین وزن مخصوص از سال اول تا سوم حدود %۵۸ افزایش داشته، که نشان دهنده آن است که ضخیم شدن دیواره سلولی اغلب در دو سال اول اتفاق میافتد.
جدول ۳. وزن مخصوص بامبو (بر اساس وزن و حجم خشک در محتوی رطوبت %۱۲)
دادههای وزن مخصوص و خواص خمشی بامبو در جدول ۴ آمده است. اثر موقعیت عمودی نمونه در ساقه بامبو قابل توجه نبود، درحالیکه اثر سن روی استحکام خمشی و سختی قابل توجه بود. استحکام خمشی و سختی بامبو با افزایش سن افزایش مییابد. از آنجا که وزن مخصوص با سن تغییر میکند، مدول گسیختگی (MOR) و مدول الاستیسیته (MOE) مخصوص (MOR/SG و MOE/SG) محاسبه شدند. مقادیر MOR مخصوص برای بامبوهای ۱، ۳ و ۵ ساله به ترتیب ۲۲۱، ۲۱۶، ۲۴۲ و مقادیر MOE مخصوص برای آنها به ترتیب ۱۶۲۶۸، ۱۴۳۴۶ و ۱۷۴۱۴ بود، که نشان دهنده نزدیک بودن مقادیر MOR و MOE مخصوص آنها است. مقادیر به دست آمده نشان داد که تغییرات خواص خمشی بامبو به دلیل افزایش وزن مخصوص حین رشد و بالغ شدن آنها است. ارتباط بین وزن مخصوص و MOR و MOE بامبو در شکل ۵ نشان داده شده است.
جدول ۴. وزن مخصوص و خواص خمشی بامبو
شکل ۵. رابطه بین وزن مخصوص و خواص خمشی
بیشترین تراکم توزیع رشتههای آوندی در لایه خارجی بامبو است. وزن مخصوص و خواص خمشی بامبو با سن و ارتفاع و همچنین لایه افقی تغییر میکند. همگی این خصوصیات از ساقه ۱ ساله تا ساقه ۵ ساله افزایش مییابند. لایه خارجی وزن مخصوص و خواص خمشی بالاتری را نسبت به لایه داخلی نشان داد. وزن مخصوص در امتداد ارتفاع ساقه متغیر بود. بخش بالایی وزن مخصوص بالاتری نسبت به بخش پایینی داشت. لایه خارجی نسبت به لایه داخلی نقش تعیینکنندهتری در تقویت بامبو دارد. استحکام خمشی ارتباط مثبتی با وزن مخصوص داشت. به منظور استفاده صنعتی مؤثر از نوارهای بامبو، پیشنهاد میشود که سطح خارجی آن حذف نشود تا بتوان کامپوزیتهای با استحکام بالاتر تولید کرد.
منابع
]۱[Lakkad, S. C., & Patel, J. M. (1981). Mechanical properties of bamboo, a natural composite. Fibre Science and Technology, ۱۴(۴), ۳۱۹-۳۲۲.
]۲[Chung, K. F., & Yu, W. K. (2002). Mechanical properties of structural bamboo for bamboo scaffoldings. Engineering structures, ۲۴(۴), ۴۲۹-۴۴۲.
]۳[Fangchun, Z. (1981). Studies on physical and mechanical properties of bamboo woods. Journal of Nanjing Forestry University, ۲, ۰۰۰.