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(guó)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(guó)主要的速生用材樹(shù)種，生長(zhǎng)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(guó)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(mǎn)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(lái)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(guó)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(cè)定。本試驗(yàn)的楊木來(lái)自福建省南平市順昌縣大干鎮(zhèn)，原木直徑200-300 mm，樹(shù)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(cè)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(zhǎng)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(cè)量。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

鋼板模具（長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)定空隙度的關(guān)系。通過(guò)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)定密實(shí)度分別為D1和D3。設(shè)定理論和測(cè)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(xiàn)，間接說(shuō)明導(dǎo)管、木纖維等細(xì)胞的細(xì)胞壁在壓縮密化過(guò)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(cè)量結(jié)果。測(cè)量準(zhǔn)確指數(shù)最大4.52%＜5%，說(shuō)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(cè)定空隙度（P1）與壓縮率的關(guān)系見(jiàn)表2和圖1：從素材到壓縮率60%，理論空隙度和測(cè)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(cè)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(cè)定過(guò)程中，薄壁細(xì)胞以及各種細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙無(wú)法測(cè)定。研究表明[6-7]，木材在熱壓處理的過(guò)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(kāi)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(jiàn)速生楊木在壓縮過(guò)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(jiàn)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(cè)定細(xì)胞壁占素材體積比率(D4)的變化趨勢(shì)相同。從素材到壓縮率30%，按照測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)X一射線(xiàn)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(cè)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(guò)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(shì)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(shì)可以說(shuō)明楊木單板在軟化壓縮處理過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)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(cè)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(guò)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(guò)程中，木纖維空隙度減小程度明顯小于導(dǎo)管?？梢?jiàn)速生楊木壓縮的細(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(cè)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(guò)該方程就可以得出壓縮率與測(cè)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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