竹材及竹制品环境学特性研究现状

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-10-21 08:16 热度：

　　摘要：室内环境的居住质量直接影响着人类的生活，关系着人类的生存与健康，因此，对于居住环境的研究越来越受到关注。木材长久以来被用于装饰室内环境，制作室内家具，以此提高居住环境的舒适性。随着人类居住环境日益严重，木材资源日益匮乏，资源丰富的竹材作为木材的替代品，正被广泛应用于建筑、家居、室内装饰等生活环境中，竹材对家居环境的影响日益显著。围绕竹材及竹制品与居室环境的关系，从竹材及竹制品的3个感觉环境学特性、对室内环境的调控作用、对生物体影响等方面阐述了竹材及竹制品的优越环境学特性，并展望了竹材环境学特性的未来研究方向。通过国内外研究现状的分析，笔者认为今后应以竹材结构为基础，探索出结构与环境学特性的相关性，指导竹制品结构设计，构建竹制品环境学物理量与心理量的相关模型，并通过多学科交叉重点研究出竹材及竹制品的环境学特性对生物体特别是人的生理、心理的影响及作用机理。从而寻找适合人类可持续发展的室内居住环境方案，通过不断拓宽木质环境学的研究内涵，不断挖掘及发挥竹、木材的友好环境学特性，为人类更好的生活品质提供科学基础。

　　关键词：竹材;竹制品;环境学;感觉特性;调节特性

　　人类处于室内环境的时间长达生命的2/3，室内环境的居住质量直接影响着人类的工作与学习，关系着人类的生存与健康，越来越成为不可忽视的课题[1]。由于木材具有大自然赋予的独特美感以及优越的材料特性，人类自古以来就喜欢用其装饰室内环境、制作室内家具，由此提高居住环境的舒适性。但近年来森林资源匮乏，木材短缺，利用木材做家居材料受到一定的限制。而我国竹材资源比较丰富，现有39属837种，拥有竹林面积641.16万hm2，占世界竹林面积的20%，分布地区遍及我国的17个省[2-3]。与木材相比，竹材生长迅速，一次种植，永续利用，且在机械性能等方面有着更为优异特性。在家具制造和室内装修领域，常因竹材颜色清新淡雅、花纹美丽独特、柔韧易弯曲、抗压性能优异的特点，而被大量应用，竹材对家居环境的影响日益凸显。图1　竹材材色及宏微观结构Fig.1　Bamboocolorandmicra-andmicro-structures

　　随着当今室内居住环境的恶化，“病态建筑综合征”的不断出现，居住环境引起人类普遍关注，木质环境学同时引起世界各国高度重视，正成为全球科研领域的一个热点。木质材料环境学主要是研究木材及木质材料(包括竹材)物理化学性质与人的感觉特性之间相互关系的科学[4]。20世纪70年代中期，由日本学者首先开始了有关木材-人类-环境之间相互关系的研究，及至80年代末期和90年代初期，这方面的研究逐渐被认可并发展壮大，最终形成“木质环境学”研究领域。木质环境学的研究定位于探索木材、木质材料作为居住和装饰用材给予居住者的感觉特性、心理作用以及健康影响，运用一些客观的物理量和主观的评价量来反映这种影响的好坏和程度，评价木质材料所营造环境空间的可居住性及对人类生活舒适性的贡献[5]。与木材相似，对竹材环境学特性的研究工作也应该集中在3个方面：一是研究竹材及其制品的感觉特性;二是研究竹材及其制品对环境空间物理条件的影响及可居住性;三是研究由竹材构成的室内环境对生物及人体心理、生理、生长、发育的影响作用[4]。目前国内外对竹材及其家居制品的环境学特性研究还极少。

　　1　竹材及竹制品的感觉特性研究

　　1.1　视觉特性

　　视觉特性是由材料表面视觉物理量来衡量的。竹材表面视觉物理量由竹材颜色、光泽度、纹理等与人类视觉相关并可定量测定表征的物理量组成，与视觉心理量有密切关系，主要由竹材的构造决定的(图1)。对于竹材的材色来说，主要是竹材组成成分中的发色团和助色团与竹材中某些碳氢化合物相结合后，对可见光中不同波长光波的吸收和反射的结果。目前，颜色的表征有两种方法，竹材表面颜色是反映竹材表面视觉和心理感觉的重要特征，直接关系到竹制品及其室内环境的质量评定。而竹材表面所呈现的光泽，则是由光在竹材表面发生正反射引起的，而正反射光与入射光总量的比值即为光泽度[7]。与木材相似，竹材表面光泽度的强弱与竹材表面平整度、竹材构造特征(各向异性)、抽提物和沉积物、光线入射(反射)角度、竹材切面的方向等因素相关[8-9]。至于竹材的纹理，是竹子天然生长而形成的图案，因维管束、纤维鞘、基本组织、导管、筛管等构造分子在不同切面上呈现的不同图案。

　　妹尾等[10]对以竹片为主要材料的空心结构货架进行了感官评价，较好地肯定了竹子的视觉特性，并得出竹材是进行空心结构家具设计的较好材料。李晖等[11]研究了竹丝装饰材的视觉物理量和心理量，结果表明竹材材色属于暖色调，不同的竹丝表面材色与取材位置对竹丝装饰材的色度学数值影响显著，平行光泽度测量值大于垂直光泽度;竹丝装饰材给人温暖、天然、舒适、古典的感觉。藤平等[12]对竹地板材料做了调查，发现竹地板材料通过利用表面的硬度感及竹节和层叠的花纹设计，竹材被大量作为内部装饰材料。由于竹材颜色对于竹制品加工过程中的质量影响较大，曾传华等[13]则利用颜色矩和灰度共生矩阵法来描述竹材颜色和纹理特征，实现了借助机器视觉技术进行竹条表面颜色等级的分类识别。另外，刘青春等[14]在分析竹材美学要素与设计应用时，定性阐述了竹材结构对竹材颜色、纹理、光泽等影响，以期为设计提供新的切入点。贺雪梅等[15]在探讨竹材在现在茶具设计中的应用时，也只定性地描述了竹材的色彩、纹理以及光泽度等视觉特性给予人类的视觉享受。

　　1.2　触觉特性

　　竹材的触觉特性主要指手或身体等感觉器官接触竹材后产生的复合感受，常以冷暖感、粗滑感、软硬感等3个物理量来综合评价这种材料的接触感觉性[3，16]。由于这些感觉特性又与人的心理和环境学的品质相关，所以可以将其称为竹材的触觉环境学特性。竹材表面的冷暖感主要是由其导热系数大小决定的，也就是与竹材本身的孔隙率紧密相关。而竹材的粗滑感则取决于其表面的粗糙度，而粗糙度主要受加工工艺(刨削、砂光、涂饰等表面加工的好坏，很大程度影响表面的粗滑感)和竹材构造(纵向生长的导管、薄壁细胞、纤维、筛管等)影响[17]。竹材的软硬感则由竹材的硬度决定的，而硬度除了与漆膜的硬度和抗冲击性相关外，还与竹材本身的强度紧密相关。

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　　Zhang等[18]借助语意学解析法(semanticdif⁃ferential，SD)研究了竹集成材、竹展平板、竹塑复合材料板以及木材等8种试样的触觉特性，得出了材料的触觉心理量(表1)及材料特性与触觉特性有显著相关性，并通过主成分分析触觉感知得出4个属性，进一步得出了不同竹质板材的触觉性能。Shimojo等[19]在构建一个测定触觉特性的系统时，引入竹条及编织竹作为实验对象，通过调查受验者对包括竹材在内的触觉感受，判断触觉软件的准确性。

　　1.3　听觉特性

　　与木材相似，竹材也具有良好的振动性能和音响品质。木质材料的听觉环境学特性包括了材料的振动特性、传声特性和木质材料的建筑声学性质，其中传声特性是与音乐声学及材料性质相关的材料振动声学和音响品质，而建筑声学性质则包括了声阻抗、吸声、隔声和混响等[5]。

　　竹材作为乐器材，主要是制作成管乐器。Cot⁃tingham[20]和Faaborg等[21]均研究了竹子在亚洲自由簧片乐器上的吸声性能，测量了抑制竹管振动引起的管道输入阻抗的变化。王栢村等[22]探讨了竹制打击乐器的声音特性，从而改良了乐器的制造工艺。另外，王思敏等[23]研究了本色和炭化两种竹地板的声学振动特性，结果表明炭化侧拼地板具有较优的声学振动品质。他们还利用共振法研究了竹青到竹黄的振动特性，发现竹青部分声速大，而竹黄部分声速小[24]。对于竹材的隔音性能，莊純合等[25]通过探讨以孟宗竹积层壁板作为轻量隔墙时的隔音性能，并加入玻璃纤维棉和发泡棉等吸音材料进行改善隔音效果，以此应用在建筑环境中，从而提供良好的居住性。Karlinasari等[26]研究了作为隔音板的竹刨花板的声学性能，结果表明低密度竹刨花板的吸声性能比中密度好。江泽慧等[27]基于竹材声学振动特性研究少的基础上，围绕木竹材的声学振动特性，介绍了木竹材声学振动特性的定量评价方法，并系统阐述了构造与加工方式对木竹材振动特性的影响，进而提出了木竹材声学特性功能性改良的主要方法。

　　综上所述，国内外学者对于竹材及其制品的感觉特性研究极少。对于视觉特性的研究，也只是极少数涉及颜色和光泽度，对于纹理的研究几乎未见报道，而纹理不仅与材料本身相关，还会对人体带来一定的视觉心理感受，是不可忽略的视觉物理量。至于触觉特性的研究，就更少了。材料触觉的作用，很容易引起人的生理和心理精神的变化，所以对于竹材触觉特性的专题研究也是必不可少的。目前，对竹材听觉特性的研究相对前两者较多，主要是由于竹乐器历史悠久，而其听觉特性决定了乐器的制作工艺。总而言之，竹材及其制品的环境学特性还需进一步的研究，以此开发出竹材及其制品的更优感觉环境学特性，为良好的居住环境提供更多且优的理论数据基础。

　　2　竹材及竹制品对室内环境的调节特性

　　2.1　对居室温度的调节作用

　　居室温度的变化主要由材料的隔热保温性和调温性决定的。保温是针对冬季室内温度高于外界气温的情况;隔热刚好相反，针对夏季室内温度低于外界气温的情况。无论是保温还是隔热，对于材料调节特性的要求是一致的[5]。材料的保温隔热性与其自身的热阻和导热系数相关，而一般导热系数低于0.2的材料称为保温隔热材料，所以竹材(0.29kJ/(m·h·℃))也属于保温隔热材料[5，28-29]。竹材的导热系数比木材的导热系数(柳杉的导热系数为0.35kJ/(m·h·℃))略低，同时具有一定的容积比热(159kJ/(m3·℃))，减缓了热量的传递，起到缓解室内温度变化的作用[28];再加上竹秆空心，竹节把空腔又分隔为若干封闭的气室，进一步提高了原竹的隔热性能。另外，材料对室内温度的调节作用还跟其墙体的厚度相关：当墙体材料的厚度很小时，室温变化不大;当墙体材料厚度大于50mm时，包括竹材在内的木质材料的室温变动最为明显，所以竹材等木质材料是一种非常优良的居室温度调节材料，适合作为建筑和室内装饰材料[5]。

　　目前，国内外一些学者针对竹材的保温隔热性能做了相关研究，而对于调温方面还未见报道。吴舒辞等[30]研究了毛竹材的热力学特性，得出了毛竹材的热扩散率、比热、密度以及导热系数，以此与木材的热力学特性对比[5]，可以明显地发现竹材也是一种优良的隔热保温材料。李念平等[31]通过对竹结构墙体(竹胶合板)的传热特性进行研究，分析了墙体温度分布规律，得出竹结构建筑具有良好的隔热保温性能(图2a)。刘小雪等[32]在研究原竹作为屋面材料的隔热效果时(图2b)，提出了3种原竹隔热屋面结构设计方法，并得出无论哪一种均能改善屋面的隔热性能。Huang等[33]评价竹子在建筑围护结构中应用时，发现与木材相比，竹材具有较好的蓄热和抗蒸汽性能，但传热性能较差，并得出竹材适合应用于热带和温带地区的轻型建筑上(图2c)。通过对前人的研究分析，无论竹材、原竹，还是竹胶合板都表现出良好的隔热保温的效果，是非常适合作为夏热冬暖地区房屋的建造材料的。

　　2.2　对居室湿度的调节作用

　　在不同的自然气候条件下，过高或过低的相对湿度都不能创造出一个舒适的室内环境。通常通过采用具有湿度调节功能的材料来装饰室内环境，使室内保持在一个相对舒适的湿度环境内，而木质材料的调湿效果则与室内用材率有关。若室内木质材料的使用量较少，则其调湿效果较差，所以室内适宜的木质材料拥有量是木质材料调湿性能评价的重要参数[34]。室内的环境湿度是除温度外，与人体健康密切相关的另一个重要因子[35]，而这里提到的湿度，指的是室内的相对湿度。

　　与木材相似，作为木质材料的竹材同样具备吸放湿特性。竹材通过自身的吸放湿特性从而对环境的湿度进行调节的功能被称为竹材的调湿作用[5]。藤平[12]通过对竹地板的吸放湿性等做出的研究，发现竹地板比杉木材料更难吸放湿，以此说明竹材比木材的调湿性弱。黄祖坚等[28]研究了竹材的6种代表性产品的热湿物理量(图3)，结果表明，竹材的湿储存和湿传递性质低，普遍小于木材，有利于阻隔水汽对构造和建筑内部热湿环境的影响。但总的来说，与木材相比，竹材对室内环境的调湿性能相对来说较差。另外，Sánchez等[36]在研究竹纤维和植物树脂复合板材的物理力学性能时，也提到与其他天然纤维比较，竹纤维与生物基胶复合板的吸水性和膨胀率较弱，但可以提高材料的尺寸稳定性。

　　3　竹材及竹制品对生物体的影响研究

　　竹材在内的木质材料组成的内装环境不但对居室的温度、湿度有调节作用，而且对动物及人体的生长发育有一定的影响。近年来，木质环境学的研究已将热学、声学、光学等基础科学与医学、生物学、心理学等结合起来，综合评价室内环境对生物体的影响[5]。美国社会心理学家Schachter曾提出，情绪的产生是由环境(材料)、人的心理、人的生理三因素共同决定的，环境的刺激往往会引起生理和心理精神层面的变化[37]。而人体对于环境的反馈则主要从视觉、触觉、嗅觉等生理方面表现的[5]。

　　目前，国内外对于竹材及其制品对生物体的影响研究，除了文学描述外，系统的定性定量研究还未见相关报道，但已有研究表明竹林及竹炭产品对人体存在积极的影响。Hassan等[38]研究发现竹类植物的视觉刺激可引起成年人的生理心理放松效应;刘文芳等[39]研究了竹炭远红外发射率影响因素时，发现竹炭红外吸收峰范围正好处于对人体极有利的远红外波长范围内。另有研究表明，木质环境中木材使用率增加时，环境的舒适感便会随之提高;还发现木造住宅的小孩出生率较高，人的平均年龄也较高，人患癌症引起的死亡率也会降低[40]。从这方面也可说明同为木质材料的竹材，同样也具备有利于人类生存、健康的优越特性。

　　4　研究展望

　　随着环境恶化、人类健康受到严重威胁，木质环境学的研究越来越受到人们的关注。特别是随着森林资源过度开发，木材日益短缺，竹材因其生长快速和良好的力学性能，正受到愈来愈多的关注，已逐渐被应用在建筑、家具以及室内装饰等领域;因此，大力开展竹材及其制品的环境学特性研究，对于改善人类的生活和健康具有重要意义。目前竹材的环境学特性研究还相对薄弱，未来应该从广度和深度上加强系统研究：

　　1)探析竹材及竹制品的宏微观构造因子对其感觉物理量的影响规律，并基于这种影响规律来指导适合人类的竹制品产品结构设计;

　　2)加强对竹材及竹制品的基本性质和感觉物理量的数字化研究;

　　3)重点研究竹材及竹制品的环境学特性对生物体特别是人体的生理、心理的影响及作用机理;

　　4)着重研究实际居住条件下木质环境学的特征，但单一竹材元素的室内装饰，往往受众窄，故而研究如何有效的将竹材与木材、塑料、金属、陶瓷等混合使用，从而营造出人类舒适、健康的生活环境;

　　5)注重交叉学科运用，利用前沿科学技术(如无线的EEG(脑电图仪)系统技术、无线的ECG(心电图仪)技术)综合研究与评价竹材及其制品的环境学特性，以此寻找适合人类可持续发展的室内居住环境方案，从而通过不断拓宽木质环境学的研究内涵，不断挖掘及发挥竹、木材的友好环境学特性，为人类更好的生活品质提供理论基础。——论文作者：连彩萍，吴智慧

文章名称：竹材及竹制品环境学特性研究现状

文章地址：http://www.sciqk.com/lwfw/nylw/12047.html