歐陽白 李 珠 蔣佳荔

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室 北京 100091)

楸(Catalpabungei)為紫葳科(Bignoniaceae)梓樹屬(Catalpa)落葉喬木，其樹干高大、通直圓滿、材質(zhì)優(yōu)良，主要用于生產(chǎn)家具、門窗、地板和樂器等。為加工出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，學(xué)界已開展了宏觀尺度下楸木干縮/濕脹性質(zhì)的初步研究(劉盛全等， 2008； 麻文俊等， 2013； 吳瑋， 2015)，但研究結(jié)果局限于獲取無疵試樣的干縮率和濕脹率等參數(shù)上，尚缺乏在生長輪尺度上對楸木吸濕過程中濕脹特性的深入探討。

木材的絕大多數(shù)細(xì)胞和組織平行于樹干，沿軸向呈近似同心環(huán)狀排列，因此可將木材視為具有3個對稱軸(軸向L、徑向R和弦向T，其中徑向和弦向常統(tǒng)稱為橫向)的正交異向性材料(Bodigetal.， 1993)。木材的濕脹行為也具有正交異向性，木材細(xì)胞的軸向濕脹率很小，比橫向濕脹率約小一個數(shù)量級，如相同條件下歐洲云杉(Piceaabies)管胞的軸向濕脹應(yīng)變?yōu)?.014 μm，而橫向濕脹應(yīng)變?yōu)?.170 μm(Joffreetal.， 2016)。針對木材濕脹正交異向性，目前主要集中在木材橫切面上徑向與弦向之間濕脹的差異研究(Pangetal.， 2005； Bonarskietal.， 2015； Joffreetal.， 2016)，由于早材與晚材的密度、壁層構(gòu)造、化學(xué)成分、微纖絲角等不同(Bertaudetal.， 2004； Chauhanetal.， 2004； Dongetal.， 2010； Pateraetal.， 2013； 2018； Joffreetal.， 2016)，且二者在徑向和弦向上分別以串、并聯(lián)的方式連接，因此當(dāng)木材細(xì)胞壁中的水分增加時，早材與晚材的濕脹行為存在差異，并會發(fā)生彼此間的相互作用(Maetal.， 2006； Deromeetal.， 2011； Rafsanjanietal.， 2012a； 2012b)。

利用落射熒光顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡、環(huán)境掃描電子顯微鏡和X射線斷層掃描顯微鏡等技術(shù)，可將木材的濕脹行為研究從宏觀尺度(無疵試樣)拓展到介觀(生長輪)和微觀(細(xì)胞壁)尺度(Pangetal.， 2005； Maetal.， 2006； Taguchietal.， 2010； Joffreetal.， 2016； Pateraetal.， 2018)。那么，針對同一生長輪內(nèi)早材和晚材的濕脹行為，研究對象有2類： 一是包含早材和晚材組織的生長輪； 二是同一生長輪內(nèi)的獨(dú)立早材和獨(dú)立晚材。對歐洲云杉的研究結(jié)果表明，同一生長輪內(nèi)晚材比早材的徑向濕脹率大，早、晚材的弦向濕脹率無明顯差異(Pateraetal.， 2018)； 早、晚材的差異濕脹(弦向/徑向)分別為2.50和1.32(Lanvermannetal.， 2014)。Pang等(2005)指出，輻射松(Pinusradiata)徑向和弦向濕脹率均表現(xiàn)為獨(dú)立早材小于獨(dú)立晚材； Taguchi等(2010； 2011)認(rèn)為，魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.microsperma)獨(dú)立早材與獨(dú)立晚材的弦向濕脹行為相似，但徑向濕脹行為存在明顯差異： 獨(dú)立早材的濕脹率隨含水率增加而減小，獨(dú)立晚材的濕脹率則隨含水率增加呈或增加、或不變、或減小的不規(guī)則現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象隨著細(xì)胞數(shù)量增加而愈加明顯。

生長輪尺度上的早材和晚材濕脹行為是木材-水分關(guān)系研究的熱點(diǎn)之一，但當(dāng)前已開展的研究存在一定局限性，如研究對象多為針葉材，少有針對闊葉材的研究； 無法實時、同步、準(zhǔn)確獲取含水率與尺寸變化的對應(yīng)數(shù)據(jù)，缺乏“早材和晚材濕脹應(yīng)變”與“含水率變化”是否同步的研究。鑒于此，本研究以闊葉材楸木為研究對象，采用動態(tài)水分吸附分析儀聯(lián)用白光顯微鏡成像技術(shù)，開展基于生長輪的早/晚材濕脹行為可視化研究，以期從生長輪尺度上揭示早/晚材的徑向、弦向濕脹行為規(guī)律及其相互作用機(jī)理，闡明“濕脹行為”與“平衡含水率”之間是否存在滯后現(xiàn)象。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以44年生楸木心材部位的第32生長輪為試驗材料，試樣鋸解和制備方法如圖1所示。利用X射線剖面密度儀(德國EWS，DENSE-LAB)測得第32生長輪早材和晚材的全干密度分別為0.33和0.48 g·cm-3。使用滑走切片機(jī)分別制備生長輪試樣(growth ring，ELW)、早材試樣(earlywood，EW)和晚材試樣(latewood，LW)，其中，生長輪試樣尺寸為4 mm(L)×4 mm(T)× 8 mm(R)、早材試樣尺寸為4 mm(L)× 4 mm(T)× 2.5 mm(R)、晚材試樣尺寸為4 mm(L)× 4 mm(T)× 5 mm(R)。每種試樣3個，質(zhì)量均為(50±1)mg。在恒定室溫(25 ℃)狀態(tài)下，將制備好的試樣置于裝有五氧化二磷(P2O5)的干燥器中干燥，直至試樣質(zhì)量不再發(fā)生變化。

圖1 試樣鋸解示意Fig. 1 Sketch map of sample sawing

1.2 試驗方法

1.2.1 水分吸著等溫線測量 采用動態(tài)水分吸附分析儀(英國Surface Measurement Systems，DVS Resolution)測量水分吸著等溫線。溫度設(shè)置為(25±0.1)℃，相對濕度(relative humidity，RH)范圍為0%～90%，以10%相對濕度為梯度增量。每隔20 s測量1次試樣質(zhì)量。在每個恒定的相對濕度梯度，測試過程分為水分吸著階段和平衡含水率恒定階段： 在水分吸著階段，當(dāng)試樣質(zhì)量變化每10 min小于0.002%時，認(rèn)為試樣達(dá)到含水率平衡態(tài)，階段結(jié)束點(diǎn)設(shè)為T1，該階段測量生長輪、早材和晚材的徑向和弦向濕脹應(yīng)變量； 在平衡含水率恒定階段，以試樣達(dá)到含水率平衡態(tài)的時間點(diǎn)(T1)開始，相對濕度不變繼續(xù)恒定360 min，階段結(jié)束點(diǎn)設(shè)為T2，該階段分別測量T1和T2時間點(diǎn)所對應(yīng)的試樣濕脹應(yīng)變量。

1.2.2 濕脹應(yīng)變量測量 在水分吸著等溫線測量期間，采用動態(tài)水分吸附分析儀聯(lián)用白光顯微鏡成像技術(shù)(臺灣AnMo Electronics Corporation，Dino X Lite Digital Microscope)同步測量生長輪、早材和晚材的徑、弦向濕脹應(yīng)變量，每隔1 min拍攝1張圖像，像素為1 280×960。通過比對圖像中試樣尺寸變化，計算得到相應(yīng)的濕脹應(yīng)變，同時建立試樣含水率變化與尺寸變化之間的同步對應(yīng)關(guān)系。

1.2.3 圖像信息轉(zhuǎn)換為濕脹應(yīng)變量 早材試樣定義為獨(dú)立早材EW(圖2a)，晚材試樣定義為獨(dú)立晚材LW(圖2b)，生長輪試樣定義為生長輪ELW(圖2c)，生長輪試樣內(nèi)的早材組織定義為生長輪內(nèi)早材ELW-E(圖2c)，生長輪試樣內(nèi)的晚材組織定義為生長輪內(nèi)晚材ELW-L(圖2c)。

圖2 試樣濕脹應(yīng)變的測量區(qū)域示意Fig. 2 Sketch map of measurement area of sample swelling

采用Adobe Photoshop(Adobe Systems Incorporated)和AutoCAD(Autodesk)對水分吸著階段和平衡含水率恒定階段采集的系列圖集進(jìn)行降噪和測量處理，將圖像信息轉(zhuǎn)換為濕脹應(yīng)變量數(shù)據(jù)： 首先，在輪界線附近找到4個管孔，放大至像素塊可見； 然后，在像素塊的明顯分界處作標(biāo)記點(diǎn)，記錄4個標(biāo)記點(diǎn)的位置(圖3)； 最后，測量4個標(biāo)記點(diǎn)間的距離，即得出試樣徑向和弦向濕脹應(yīng)變。通過下式計算試樣徑向和弦向濕脹率：

圖3 圖像處理示意Fig. 3 Sketch map of image processing

(1)

式中：εRH為試樣在任一相對濕度環(huán)境中(徑向/弦向)的濕脹率，%；lRH為試樣在任一相對濕度環(huán)境中達(dá)到平衡含水率時(徑向/弦向)的尺寸，μm；l0為絕干試樣(徑向/弦向)的尺寸，μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 早材和晚材的水分吸著等溫線

圖4所示為獨(dú)立早材EW(圖4a)、獨(dú)立晚材LW(圖4b)和生長輪ELW(圖4c)的水分吸著等溫線。從3個重復(fù)試樣之間的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性上看，EW之間存在一定差異，最大差值為3.33%； 而LW和ELW的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性比較一致，最大差值僅分別為0.34%和0.45%。由于楸木早材導(dǎo)管直徑約為晚材的10倍，早材導(dǎo)管內(nèi)通常含有大量侵填體，侵填體的存在很大程度上降低了早材細(xì)胞壁的水分吸著能力，且早材導(dǎo)管內(nèi)的侵填體含量與分布存在差異(Lietal., 2019)，從而使得不同早材試樣之間的平衡含水率也呈現(xiàn)差異(圖4a)。對于楸木晚材，導(dǎo)管直徑較小，僅有少數(shù)導(dǎo)管內(nèi)含有侵填體(吳瑋， 2015)，且晚材率高達(dá)76.9%，因此與EW相比，LW和ELW的水分吸著等溫線受侵填體的影響較小，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好(圖4b、c)。

圖4 獨(dú)立早材、獨(dú)立晚材和生長輪的水分吸著等溫線(25±0.1 ℃)Fig. 4 The sorption isotherm of earlywood, latewood and the growth ring

圖4d所示為EW、LW和ELW之間的水分吸著等溫線平均值。在相對濕度0%～90%的水分吸著過程中，EW、LW和ELW之間的平衡含水率差值呈先增大后減小的變化趨勢； 在任一相對濕度水平下，三者之間的平衡含水率差值小于0.66%，LW的平衡含水率最高，EW的平衡含水率最低。推測是因為在同一生長輪內(nèi)，晚材的纖維素含量往往略高于早材，而木質(zhì)素含量略低于早材(Bertaudetal.， 2004)，木材中無定形纖維素的吸濕性顯著高于木質(zhì)素(Kollmannetal.， 1968； 周海珍等， 2017)。當(dāng)相對濕度從50%升至90%時，EW與LW之間的平衡含水率差值從0.65%下降至0.03%。推測是由于早材微納米孔數(shù)量較多，在高濕條件下形成了更多的毛細(xì)管凝結(jié)水。Pang等(2005)對輻射松早材和晚材的吸著等溫線研究也發(fā)現(xiàn)了類似情況。

2.2 早材和晚材的徑向濕脹行為

圖5所示為獨(dú)立早材(EW)、獨(dú)立晚材(LW)、生長輪內(nèi)早材(ELW-E)、生長輪內(nèi)晚材(ELW-L)和生長輪(ELW)徑向濕脹應(yīng)變量隨相對濕度的變化情況?？梢钥闯觯瑹o論獨(dú)立試樣亦或生長輪試樣的內(nèi)部組織，晚材的濕脹應(yīng)變量均大于早材，生長輪的濕脹應(yīng)變量介于二者之間，且早材與晚材之間徑向濕脹應(yīng)變量的差值隨相對濕度增加而增大。在90%相對濕度條件下，LW的徑向濕脹應(yīng)變量約為EW的1.6倍，ELW-L的徑向濕脹應(yīng)變量約為ELW-E的1.7倍。晚材的徑向濕脹應(yīng)變量明顯高于早材主要有2方面原因：一方面是因為相同條件下晚材的平衡含水率高于早材，即吸著點(diǎn)多，細(xì)胞壁無定形區(qū)能容納更多的吸著水分子進(jìn)入，從而引起晚材的濕脹應(yīng)變量更大(Bertaudetal.， 2004)； 另一方面可歸因于木射線細(xì)胞對早材細(xì)胞的徑向濕脹具有抑制作用(Maetal.， 2006； Pateraetal.， 2013)，由于早材細(xì)胞壁薄、剛度低，早材和晚材中木射線細(xì)胞的組織比率相近，因此相比于晚材，橫向排列的木射線細(xì)胞在早材徑向濕脹中呈現(xiàn)更顯著的抑制作用(Murataetal.， 2001； Crameretal.， 2005； Pateraetal.， 2018)。

圖5 獨(dú)立早材、獨(dú)立晚材和生長輪的徑向濕脹率Fig. 5 The radial swelling dimensional change of EW, LW and ELW獨(dú)立早材EW； △獨(dú)立晚材LW； ●生長輪內(nèi)早材ELW-E； ▲生長輪內(nèi)晚材ELW-L； ×生長輪ELW.下同The same below.

從圖5還可看出，在相對濕度0%～90%范圍內(nèi)，ELW-E的徑向濕脹應(yīng)變量略高于EW，說明生長輪內(nèi)晚材發(fā)生徑向濕脹時帶動著生長輪內(nèi)早材發(fā)生徑向濕脹。比較ELW-L與LW的徑向濕脹應(yīng)變量，當(dāng)相對濕度小于70%時，前者略小于后者，說明生長輪內(nèi)晚材的徑向濕脹受生長輪內(nèi)早材的抑制； 當(dāng)相對濕度大于70%時，前者反超后者，說明高濕條件下生長輪內(nèi)早材對生長輪內(nèi)晚材的徑向濕脹有促進(jìn)作用。此外，ELW的濕脹應(yīng)變量略低于ELW-L，但明顯高于ELW-E，說明楸木生長輪的徑向濕脹行為是生長輪內(nèi)早材和生長輪內(nèi)晚材發(fā)生共同濕脹的凈效果，晚材的濕脹行為占主導(dǎo)(Maetal.， 2006； Pateraetal.， 2018)。

2.3 早材和晚材的弦向濕脹行為

圖6所示為獨(dú)立早材(EW)、獨(dú)立晚材(LW)、生長輪內(nèi)早材(ELW-E)、生長輪內(nèi)晚材(ELW-L)和生長輪(ELW)弦向濕脹應(yīng)變量隨相對濕度的變化情況?？梢钥闯觯琇W的弦向濕脹應(yīng)變量大于EW，ELW的弦向濕脹應(yīng)變量介于二者之間，且LW與EW之間弦向濕脹應(yīng)變量的差值隨相對濕度增加而增大。在90%相對濕度條件下，LW的弦向濕脹應(yīng)變量約為EW的1.3倍，ELW-L的弦向濕脹應(yīng)變量與ELW-E相近。這是因為在ELW-E與ELW-L的交界處，存在弦向的拉伸/壓縮應(yīng)力區(qū)域，濕脹應(yīng)變量高的ELW-L帶動著濕脹應(yīng)變量低的ELW-E一起發(fā)生濕脹，從而使得二者濕脹應(yīng)變量基本一致(Maetal.， 2006； Pateraetal.， 2018)。

圖6 獨(dú)立早材、獨(dú)立晚材和生長輪的弦向濕脹率Fig. 6 The tangential swelling dimensional change of EW, LW and ELW

從圖6還可看出，在90%相對濕度條件下，ELW-E的弦向濕脹應(yīng)變量約為EW的1.3倍，EWL-L的弦向濕脹應(yīng)變量與LW基本一致。這一現(xiàn)象說明ELW-E發(fā)生弦向濕脹時，被迫與ELW-L同步，達(dá)到與之相適應(yīng)的濕脹應(yīng)變量(Rafsanjanietal.， 2012a； 2012b)。ELW的弦向濕脹應(yīng)變量也約為EW的1.3倍，但與ELW-E、ELW-L、LW的弦向濕脹應(yīng)變量無明顯差異。綜上可知，楸木生長輪的弦向濕脹行為主要取決于晚材(Lanvermannetal.， 2014)。

2.4 早材和晚材的徑、弦向差異濕脹

圖7所示為獨(dú)立早材(EW)、獨(dú)立晚材(LW)、生長輪內(nèi)早材(ELW-E)、生長輪內(nèi)晚材(ELW-L)和生長輪(ELW)徑、弦向差異濕脹隨相對濕度的變化情況。可以看出，一方面，ELW、ELW-L、LW均表現(xiàn)出相似的差異濕脹(約為1.30)，且隨相對濕度增加稍有增大，這主要是因為隨著含水率增加，弦向濕脹的變化速率比徑向濕脹更大(Chauhanetal.， 2004)； 另一方面，ELW-E與EW的差異濕脹取決于相對濕度水平，當(dāng)相對濕度大于40%時，二者的差異濕脹均明顯增大，推測是因為此時細(xì)胞壁中開始形成多分子層的吸著水分子，微纖絲之間水層變厚引起細(xì)胞壁的徑、弦向差異濕脹進(jìn)一步增大(Pateraetal.， 2013)； 當(dāng)相對濕度為90%時，EW的差異濕脹為1.83，ELW-E的差異濕脹為2.28。無論是獨(dú)立早材還是生長輪內(nèi)早材，均表現(xiàn)出比晚材更高的徑、弦向差異濕脹，分析其原因： 1) 早材細(xì)胞壁S1和S3層的厚度百分比高于晚材，且早材細(xì)胞壁的徑、弦向差異濕脹由S1和S3層主導(dǎo)，而晚材細(xì)胞壁則S2層起主導(dǎo)作用(Fengeletal.， 1973； Sahlbergetal.， 1997)，Rafsanjani等(2014)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)S1和S3層比S2層的剛度大時，其徑、弦向差異濕脹大； 2) 木射線可抑制壁薄、腔大的早材細(xì)胞徑向濕脹，而壁厚、腔小的晚材細(xì)胞徑向濕脹則幾乎不受木射線影響(Rafsanjanietal.， 2012a)； 此外，細(xì)胞壁厚薄、排列和形狀等也均會對木材徑、弦向差異濕脹產(chǎn)生影響(Salmén， 2015)。

圖7 獨(dú)立早材、獨(dú)立晚材和生長輪的徑、弦向濕脹差異Fig. 7 The ratio of tangential to radial swelling for EW, LW and ELW

相比于獨(dú)立早材，生長輪內(nèi)早材的徑、弦向差異濕脹更大，推測是因為生長輪內(nèi)早材的弦向濕脹受晚材影響，被迫達(dá)到與生長輪內(nèi)晚材弦向濕脹應(yīng)變量一致，使得生長輪內(nèi)早材的弦向濕脹大于不受外力影響的獨(dú)立早材，從而表現(xiàn)出更高的徑、弦向差異濕脹(Crameretal.， 2005)。

2.5 早材和晚材的“含水率平衡態(tài)”與“徑、弦向濕脹應(yīng)變平衡態(tài)”

表1所示為獨(dú)立早材(EW)、獨(dú)立晚材(LW)和生長輪(ELW)在水分吸著階段結(jié)束時(T1)和平衡含水率恒定階段結(jié)束時(T2)的濕脹應(yīng)變量?？梢钥闯觯氨３趾势胶鈶B(tài)360 min”產(chǎn)生的徑、弦向濕脹應(yīng)變量均比“剛達(dá)到含水率平衡態(tài)”低4個數(shù)量級，可忽略不計。這一結(jié)果表明，EW、LW與ELW達(dá)到“含水率平衡態(tài)”的時間點(diǎn)與達(dá)到“徑、弦向濕脹應(yīng)變平衡態(tài)”的時間點(diǎn)是一致的，沒有發(fā)現(xiàn)滯后現(xiàn)象，也就是說“細(xì)胞壁的尺寸變化”對于“水分進(jìn)入細(xì)胞壁無定形區(qū)的響應(yīng)”是及時的(Thithanhetal.， 2015； Joffreetal.， 2016)。

表1 水分吸著階段(T1)和平衡含水率恒定階段(T2)的徑、弦向濕脹應(yīng)變與含水率變化①Tab.1 The radial and tangential swelling strain and EMC of the water vapor sorption period(T1)and the EMC constant period(T2)

3 結(jié)論

1) 在水分吸著階段任一相對濕度水平，晚材的平衡含水率均高于早材。當(dāng)相對濕度小于50%時，二者之間的差值逐漸增大； 當(dāng)相對濕度大于50%時，二者之間的差值逐漸減小。生長輪平衡含水率介于二者之間。

2) 徑向濕脹： 晚材明顯大于早材，且主導(dǎo)生長輪的徑向濕脹行為； 弦向濕脹： 由濕脹應(yīng)變量更高的晚材帶動早材一起發(fā)生弦向濕脹，從而主導(dǎo)生長輪的弦向濕脹行為； 徑、弦向差異濕脹： 晚材小于早材，且這一趨勢在相對濕度大于40%時更為明顯。

3) 在水分吸著階段，生長輪、獨(dú)立早材和獨(dú)立晚材三者的“徑、弦向濕脹應(yīng)變”與 “含水率平衡態(tài)”具有同步性，不存在時間滯后現(xiàn)象。