速生楊木壓縮密化結(jié)構(gòu)探究

黃廣華，陳瑞英

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 漳州363000; 2.福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，福建 福州350002)

隨著森林資源的日益匱乏，天然林資源保護(hù)工程的全面實(shí)施，我國木材供需結(jié)構(gòu)性矛盾不斷加劇，如何提高速生材的物理力學(xué)性能和利用率，是木材工業(yè)面臨的一個(gè)亟待解決的重要課題。楊木作為我國主要的速生用材樹種，生長快、品種多、分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)，一般 10 a 左右即可成材，在全國已經(jīng)得到有效推廣。但其變異性大、硬度小、材質(zhì)松軟等缺陷，使用范圍受到極大限制。對(duì)其進(jìn)行改性處理，可以提高密度、強(qiáng)度等物理力學(xué)性能，滿足木材工業(yè)生產(chǎn)的需要[1]。對(duì)木材改良的方法很多，采用化學(xué)方法也能起到一定的效果，但改性藥劑會(huì)給人體和環(huán)境帶來潛在危害。因而相對(duì)于化學(xué)改性，物理改性日益受到研究者的關(guān)注[2-3]。木材壓縮密化處理就是其中有效的方法之一[4-5]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB1927-1943-91進(jìn)行試樣采集與制作、物理力學(xué)性能測定。本試驗(yàn)的楊木來自福建省南平市順昌縣大干鎮(zhèn)，原木直徑200-300 mm，樹齡8-10 a。根據(jù)正交試驗(yàn)將試材鋸解成徑切板和弦切板，密度測定的試件尺寸：20 mm×20 mm×20 mm，壓縮密化處理的試件尺寸：寬度93 mm，長度190 mm，厚度根據(jù)壓后厚度和壓縮率換算得出。分別選取不同壓縮率的處理材10塊，其中徑切板和弦切板各5塊，在各試件橫切面的不同位置制取5個(gè)切片，共50片，從中選取30-35個(gè)切片進(jìn)行觀察和測量。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

鋼板模具（長寬為400×200 mm，厚度分別為3、8、10 mm）、厚度規(guī)（尺寸與模具厚度匹配）、QD100單層試驗(yàn)熱壓機(jī)、JXB-D體視顯微鏡、DMB-223P-5數(shù)碼顯微鏡、XL30 ESEM-TMP環(huán)境掃描電子顯微鏡等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 楊木壓縮密化與微觀結(jié)構(gòu)的觀察測定

以速生楊木最佳壓縮密化工藝條件為基礎(chǔ)[6]，將壓縮率調(diào)整為20%、30%、40%、50% 和60%，熱壓壓力為30-40 MPa。對(duì)素材和不同壓縮率的處理材進(jìn)行顯微切片，并將切片在數(shù)碼顯微鏡下進(jìn)行觀察，測定參與壓縮的相關(guān)木材細(xì)胞空隙面積，分別計(jì)算出壓縮率 20-60%的木材密實(shí)度以及相對(duì)于素材不同細(xì)胞的細(xì)胞壁密實(shí)度；探討木材絕干密度、空隙度、壓縮率之間的關(guān)系；建立數(shù)學(xué)模型，定量分析木材絕干密度與壓縮率及測定空隙度的關(guān)系。通過掃描電鏡，觀察各種細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化，分析壓縮密化對(duì)木材各種主要細(xì)胞的影響。

1.3.2 楊木密度及空隙度測定

木材密度按照《GB 1943- 91：木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定，木材空隙度P（%）：

式中，ρ0（g/cm3）為木材絕干密度；ρ0w（g/cm3）為木材實(shí)質(zhì)密度。木材實(shí)質(zhì)密度為1.53 g/cm3。（1）式簡化為：

已知絕干密度，代入公式（2），求得理論空隙度P0；在數(shù)碼顯微鏡下對(duì)切片進(jìn)行觀察，測量空隙面積與總面積之比，取單位高度，計(jì)算出體積空隙度，即為測定空隙度P1。

根據(jù)密實(shí)度和空隙度的關(guān)系：D=1-P （D為密實(shí)度），通過空隙度算出密實(shí)度；在不同壓縮率下，令理論密實(shí)度和測定密實(shí)度分別為D1和D3。設(shè)定理論和測定細(xì)胞壁占素材體積比率分別為D2和D4，處理材體積占素材的體積比率 r0=1- r（r為壓縮率）；則 D2=D1×r0，D4=D3×r0。分析細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)比率中 D2和D4曲線，間接說明導(dǎo)管、木纖維等細(xì)胞的細(xì)胞壁在壓縮密化過程中的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 楊木壓縮率和空隙度

表1為速生楊木素材與處理材各物理量的測量結(jié)果。測量準(zhǔn)確指數(shù)最大4.52%＜5%，說明各組變數(shù)的均值準(zhǔn)確可靠。

表1 速生楊木密度和空隙度★

ρ0 30 0.53±0.80 0.15 7.47 2.73壓縮率30% P1 30 61.07±0.03 0.01 4.62 1.69 ρ1 30 0.46±0.07 0.01 12.64 4.62 P0 70.76 1.16 ρ0 30 0.57±0.08 0.01 10.93 3.99壓縮率40% P1 30 59.50±0.01 0.002 1.92 0.70 ρ1 29 0.50±0.20 0.04 13.09 4.78 P0 68.22 1.15 ρ0 30 0.64±0.04 0.01 6.36 2.32壓縮率50% P1 30 57.04±0.04 0.008 9.23 3.37 ρ1 30 0.56±0.04 0.01 6.42 2.34 P0 64.41 1.13 ρ0 30 0.76±0.16 0.03 11.80 4.31壓縮率60%ρ1 30 0.69±0.17 0.03 12.37 4.52 P0 56.14 1.12 P1 30 50.17±1.3 0.24 8.08 2.94

速生楊木主要細(xì)胞空隙度、理論空隙度（P0）、測定空隙度（P1）與壓縮率的關(guān)系見表2和圖1：從素材到壓縮率60%，理論空隙度和測定空隙度分別下降了30.51%和28.29%，即隨著壓縮率的增大，處理材的空隙度都有不同程度的下降。在不同壓縮率下，理論空隙度都大于相應(yīng)的測定空隙度，其比值在1.07-1.13之間。這是由于在本實(shí)驗(yàn)測定過程中，薄壁細(xì)胞以及各種細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙無法測定。研究表明[6-7]，木材在熱壓處理的過程中，細(xì)胞壁成分發(fā)生了化學(xué)變化。隨著壓縮率的增加，壓縮時(shí)間、溫度和壓力相應(yīng)增加，木材細(xì)胞腔變形加劇，木材空隙度的減小更為明顯。

速生楊木屬散孔材，由于楊木木纖維和導(dǎo)管細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)差異（木纖維的胞壁厚度大于導(dǎo)管），使其壓縮難易程度不同，從素材開始到壓縮率 30%，木纖維和導(dǎo)管空隙度分別下降了 3.72 %和 9.50%；壓縮率30%-60%，木纖維和導(dǎo)管空隙度分別下降了7.13 %和9.94 %。試驗(yàn)表明，木纖維空隙度減小程度明顯小于導(dǎo)管。由此可見速生楊木在壓縮過程中，細(xì)胞參與的順序：首先壓縮的是薄壁細(xì)胞，其次導(dǎo)管細(xì)胞，最后壓縮的是木纖維細(xì)胞。

表2 速生楊木主要細(xì)胞的空隙度★

2.2 楊木壓縮密化與細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)

木材壓縮密化與細(xì)胞壁之間的關(guān)系見表 3和圖 2：速生楊木理論細(xì)胞壁占素材體積比率(D2)和測定細(xì)胞壁占素材體積比率(D4)的變化趨勢相同。從素材到壓縮率30%，按照測定空隙度和理論空隙度計(jì)算值，D4分別降低了0.60%和0.50%；而壓縮率從30%到60%，按照測定空隙度和理論空隙度計(jì)算值，D4分別降低了7.32%和2.93%。本試驗(yàn)表明，木材壓縮密化過程中，前期壓縮率小，主要是木材細(xì)胞腔被壓縮，細(xì)胞壁基本不參與；隨著壓縮率的增加，特別是當(dāng)壓縮率大于40%時(shí)，細(xì)胞壁逐步參與壓縮。

柴宇博[8]通過X一射線衍射法對(duì)楊木素材和壓縮密化處理材的相對(duì)結(jié)晶度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示素材和處理材的相對(duì)結(jié)晶度分別為66.77%和68.08%。壓縮密化處理使木材半纖維素的降解加劇，木質(zhì)素相對(duì)含量和羥基數(shù)量明顯增加，氫鍵結(jié)合增強(qiáng)，非結(jié)晶區(qū)微纖絲有序化程度和相對(duì)結(jié)晶度提高，結(jié)晶區(qū)增加。張杰[9]通過紅外光譜圖分析：對(duì)比楊木素材和處理材，發(fā)現(xiàn)波數(shù)在1738 Pm-1附近P=O的吸收峰的變化趨勢相對(duì)比較明顯。波數(shù)1050 Pm-1附近P-O吸收峰有一些變化。紅外吸收光譜中P=O、P-O伸縮振動(dòng)的變化趨勢可以說明楊木單板在軟化壓縮處理過程中纖維素和半纖維素有可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。分子間形成氫鍵結(jié)合，組成更為復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。使得處理材物理力學(xué)性質(zhì)有所提高。

圖3為速生楊木電子顯微鏡觀察的結(jié)果。通過電鏡微觀分析可知，壓縮密化處理使木材細(xì)胞腔受到擠壓，胞腔變小，細(xì)胞壁較少受到破壞，只是發(fā)生褶縮和變形，仍然保持原有的完整性。

圖1 速生楊木空隙度與壓縮率關(guān)系

圖2 速生楊木細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)比率

圖3 速生楊木超微觀結(jié)構(gòu)

表3 速生楊木細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)比率1)

2.3 楊木絕干密度、測定空隙度與壓縮率的數(shù)學(xué)模型

對(duì)速生楊木絕干密度、測定空隙度與壓縮率的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析，利用多元回歸分析建立數(shù)學(xué)模型。其關(guān)系式：

式中，ρ0為絕干密度；P1/%為測定空隙度；r /%為壓縮率。

表4 回歸分析結(jié)果1

對(duì)木材理論空隙度與測定空隙度及壓縮率，利用多元回歸分析建立數(shù)學(xué)模型。其關(guān)系式：

式中，P0/%為理論空隙度；P1/%為測定空隙度；r /%為壓縮率。

表5 回歸分析結(jié)果2

從表4、5可知，P＜0.01，擬合優(yōu)度是98.8 %，說明這兩個(gè)回歸方程皆高度顯著。結(jié)合公式（2）、（4）可得：

對(duì)比（3）、（5）式，由不同方法得出的絕干密度、測定空隙度與壓縮率的數(shù)學(xué)模型公式基本一致。由木材絕干密度可計(jì)算出壓縮率和空隙度的關(guān)系。從而為木材的壓縮密化提供良好的理論依據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)論

速生楊木壓縮密化過程，細(xì)胞壁發(fā)生褶縮和變形，較少受到破壞，仍然保持原有的完整性。而空隙度減小的主要原因是細(xì)胞腔受到擠壓變形。

速生楊木屬散孔材，木纖維的胞壁厚度大于導(dǎo)管，壓縮過程中，木纖維空隙度減小程度明顯小于導(dǎo)管?？梢娝偕鷹钅緣嚎s的細(xì)胞參與順序：首先壓縮的是薄壁細(xì)胞，其次導(dǎo)管細(xì)胞，最后壓縮的是木纖維細(xì)胞。

利用多元回歸分析直接和間接導(dǎo)出木材絕干密度（ρ0）與測定空隙度（P1）、壓縮率（r）的關(guān)系式分別為ρ0= -0.018P1-0.072 r + 1.640 和ρ0= -0.027 P1-0.072 r + 1.641。兩式基本一致，根據(jù)木材的絕干密度，通過該方程就可以得出壓縮率與測定密實(shí)度的關(guān)系，為速生楊木的壓縮密化性能改良提供了良好的理論依據(jù)。

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