黃廣華,陳瑞英

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

0 引言

闊葉黃檀(Dalbergialatifolia)屬于紅木中的黑酸枝木,是豆科(Leguminosae)黃檀屬(Dalbergia)的樹種[1]。紅木因其良好的色澤、紋理、材質(zhì)和資源的稀缺性,古往今來,一直被世人所推崇[2]。對紅木的種類進(jìn)行識(shí)別,有助于保護(hù)消費(fèi)者的利益和規(guī)范紅木市場秩序。許多專家、學(xué)者都對紅酸枝木材[3-6]、雞翅木[7-8]和降香黃檀[9]等紅木,以及黃槿木、楠木[10-14]等名貴木材構(gòu)造、細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行了廣泛的研究。對于闊葉黃檀的研究有:陳思禹等[15]把闊葉黃檀與毛欖仁木材進(jìn)行比較;張蓉等[16]把闊葉黃檀與硬木軍刀豆進(jìn)行比較;盧翠香等[17]把闊葉黃檀與刀狀黑黃檀、黑黃檀進(jìn)行比較。這些研究結(jié)果均表明,闊葉黃檀木射線以2～3列為主,單列甚少;軸向薄壁組織發(fā)達(dá),為翼狀、聚翼狀和波浪形帶狀。闊葉黃檀木射線和軸向薄壁組織這兩者與其他木材區(qū)別最明顯;同時(shí)還有木材顏色、花紋、密度及管孔等局部差異。這些都對闊葉黃檀木材的宏觀和微觀構(gòu)造進(jìn)行了比較研究,有利于對闊葉黃檀的識(shí)別,但均主要停留在組織系統(tǒng)層面,未對其細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、組織比量和接觸角等深入探討。秦志永等[18]、魏鑫等[19]通過對交趾黃檀、巴里黃檀、奧氏黃檀和刀狀黑黃檀表面潤濕性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,4種紅木表面潤濕性能與樹種、切面和紋理方向相關(guān),其中刀狀黑黃檀潤濕性能最好;通過木材接觸角的研究,進(jìn)一步了解木材表界面潤濕特性,為調(diào)控木材表界面結(jié)構(gòu)、改善木材膠結(jié)和涂飾等加工性能提供理論依據(jù)。而對闊葉黃檀接觸角及潤濕特性未見報(bào)道。本研究進(jìn)一步深入到闊葉黃檀細(xì)胞特征構(gòu)造,同時(shí)進(jìn)行了組織比量和接觸角的研究,為更加全面識(shí)別和合理利用闊葉黃檀木材提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)闊葉黃檀木材產(chǎn)于印度,由福建省莆田市仙游縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局提供,樹干通直,胸徑650 mm,在試材基部、中部和梢部生長正常部位截取厚度50～80 mm圓盤各一個(gè),共3塊。

1.2 試驗(yàn)主要儀器與設(shè)備

本試驗(yàn)中所用到的主要儀器設(shè)備有顯微鏡、鼓風(fēng)干燥箱和恒溫水浴鍋等,見表1。

表1 試驗(yàn)主要儀器設(shè)備Tab.1 Main instruments and equipments

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 宏觀、微觀構(gòu)造

每組試驗(yàn)項(xiàng)目均以每個(gè)圓盤上正常生長輪稍寬方向(朝南)為基準(zhǔn),取自東、南、西、北4個(gè)方向的心材4塊。用于觀察試材宏觀構(gòu)造的尺寸為:縱向20 mm×徑向20 mm×弦向20 mm,共12塊;用于制作切片的尺寸為:縱向10 mm×徑向10 mm×弦向20 mm,每塊每個(gè)切面做切片5片,共60片;三切面切片制作:試樣軟化—試樣清洗—切片—染色—脫水—透明—樹膠封固。用于細(xì)胞離析[13]的試樣,12塊試樣中,每個(gè)試樣劈成1/2火柴梗大小10根,共120根,通過試樣軟化—細(xì)胞離析—制作臨時(shí)切片120片。通過顯微鏡及圖像處理系統(tǒng)采集圖樣,對其微觀特征進(jìn)行記載、測定、比較和分析。借助PhotoShop進(jìn)行圖像拼接,利用圖像測量分析軟件(MI Advance 3.0)對隨機(jī)選取的80～100個(gè)不同細(xì)胞圖像進(jìn)行處理并測量、計(jì)算闊葉黃檀細(xì)胞幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。

1.3.2 組織比量

木材組織比量是研究木材特性的重要手段,主要研究木材顯微構(gòu)造的數(shù)量特征[20],把木材解剖特征與各類細(xì)胞的數(shù)量聯(lián)系起來。在拼接好的圖片上,用PhotoShop分別測定導(dǎo)管、軸向薄壁組織、木纖維、木射線和結(jié)晶細(xì)胞面積所占整體面積中的百分比,即為此類細(xì)胞的組織比量。

1.3.3 表面接觸角

用于測定木材表面接觸角(θ)的試樣尺寸為:縱向20 mm×徑向10 mm×弦向3 mm,共12塊,在溫度20 ℃±2 ℃、相對濕度57%±2%的恒定環(huán)境下,氣干平衡15 d以調(diào)整含水率,表面砂光潔凈備用,每塊試樣選取弦切面4個(gè)角進(jìn)行測試,共測試48個(gè)點(diǎn)。在靜滴接觸角測量儀上,將蒸餾水滴加到弦切面形成座滴,測量座滴θ(每相隔4 s測一次,共10次),得出θ的變化規(guī)律[19]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 闊葉黃檀木材宏觀構(gòu)造

闊葉黃檀木材宏觀構(gòu)造如圖1所示。闊葉黃檀生長輪略明顯;心材顏色變化大,黃褐色、紅至黑褐色,有明顯紫黑色或黑色條紋或青色調(diào);管孔在橫切面上呈分散形分布,肉眼下可見,屬散孔材,其管孔內(nèi)含樹膠(淺至深褐色);軸向薄壁組織較明顯,其形態(tài)有波浪形帶狀、斷續(xù)窄帶狀、翼狀和聚翼狀;木射線屬于細(xì)木射線,在放大鏡下可見;波痕在肉眼下略可見,放大鏡下明顯;木材紋理交錯(cuò),結(jié)構(gòu)較細(xì)。

圖1 闊葉黃檀木材三切面宏觀構(gòu)造(C-橫切面,R-徑切面,T-弦切面)Fig.1 Three section macrostructure of D. latifolia (C-Cross section, R-Radial section, T-Tangential section)

2.2 闊葉黃檀木材微觀構(gòu)造

闊葉黃檀木材微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。散孔材,橫切面上導(dǎo)管管孔呈分散狀排列,單位面積(mm2)管孔個(gè)數(shù)5.5～9.5 個(gè),平均約7.2 個(gè),管孔主要為單管孔,少數(shù)徑列復(fù)管孔(集中在2～4 個(gè)),管孔團(tuán)相對較少,管孔形狀以卵圓形、圓形為主,徑列復(fù)管孔中間部分呈扁平形,兩端為圓形,管孔內(nèi)富含樹膠,顏色淺色至深褐色(圖2(a)(b));縱切面上,導(dǎo)管單穿孔,呈圓柱形,導(dǎo)管間具緣紋孔互列式,附物紋孔,呈橢圓形;導(dǎo)管細(xì)胞側(cè)壁上的具緣紋孔(圖2(c)—(f))顯著,不具穿孔的導(dǎo)管狀管胞分布在局部晚材中。木纖維細(xì)胞在橫切面上呈多角形居多,少數(shù)扁平形,壁薄至略厚,疊生;縱切面上,木纖維壁薄至略厚,呈紡錘形,兩端尖削(圖2(b)(e))。木射線多由橫臥射線細(xì)胞組成,疊生,射線組織同形單列或多列,以2～3 列為主,多列射線高 4～17 個(gè)細(xì)胞(7～8 個(gè)為主),寬 2～3 個(gè)細(xì)胞(圖2(c)(d))。橫切面上,軸向薄壁組織呈波浪形,分布類型為翼狀、聚翼狀、斷續(xù)的窄帶狀、傍管型環(huán)管束狀,寬 2～4個(gè)細(xì)胞,以 2～3個(gè)為主;在縱切面呈長方形或近似長方形(圖中(a)—(c)),含有少量分室含晶細(xì)胞。

圖2 闊葉黃檀三切面(C-橫切面,R-徑切面,T-弦切面)Fig.2 Three section of D. latifolia (C-Cross section, R-Radial section, T-Tangential section)

2.3 闊葉黃檀木材細(xì)胞形態(tài)

闊葉黃檀木材各細(xì)胞形態(tài)如圖3所示。

圖3 闊葉黃檀主要細(xì)胞種類的形態(tài)(400×)Fig.3 Morphology of main cell type of D. latifolia (400×)

2.3.1 闊葉黃檀木材導(dǎo)管細(xì)胞

闊葉黃檀木材的導(dǎo)管細(xì)胞形態(tài)及幾何參數(shù)見表2和圖3(a):圓柱形(圖3(a)中A、B):數(shù)量比例最大占50.08%;紡錘形(圖3(a)中C):占18.19%;鼓形(圖3(a)中D、E):占17.31%;矩形(圖3(a)中F、G):占14.42%。長度、寬度最大為鼓形,平均192.54 μm和284.87 μm,長度、寬度最小為圓柱形(圖3(a)中A、B),平均169.63 μm和144.90 μm;長寬比最大為紡錘形(圖3(a)中C),平均2.13,長寬比最小為鼓形(圖3(a)中D、E),平均0.68。

表2 導(dǎo)管細(xì)胞幾何形態(tài)Tab.2 Geometry morphological of vessel cells

2.3.2 闊葉黃檀木材木纖維細(xì)胞

闊葉黃檀木材的木纖維如圖3(b)所示,少數(shù)端部樹枝狀分歧,多數(shù)為韌型纖維,呈兩端部尖削的細(xì)長紡錘形;在橫切面上大多呈多角形與橢圓形,少數(shù)為扁長形。

木纖維細(xì)胞幾何形態(tài)特征長度、寬度、長寬比、壁厚、腔徑和壁腔比見表3:其中壁腔比0.25～1.76,平均0.75,壁薄至略厚,疊生。

表3 木纖維細(xì)胞幾何形態(tài)Tab.3 Geometry morphological of wood fiber cells

2.3.3 闊葉黃檀木材木射線細(xì)胞

圖3中(c)為闊葉黃檀木材的木射線細(xì)胞,木射線細(xì)胞為橫臥射線細(xì)胞,單位長度木射線根數(shù)為 11.13 根/mm。木射線類型多數(shù)同形 2～3 列、少數(shù)同形單列。其細(xì)胞幾何形態(tài)特征見表4,其平均長度、寬度和高度分別為:75.42、13.14、18.03 μm,長寬比5.74。

表4 木射線細(xì)胞幾何形態(tài)Tab.4 Geometry morphological of xylem wood ray cells

2.3.4 闊葉黃檀木材軸向薄壁細(xì)胞

闊葉黃檀木材的軸向薄壁細(xì)胞如圖3(d)所示。由圖3(d)可知,細(xì)胞形態(tài)有A:部分端部略分支形、B:兩端尖削的紡錘形、C:末端稍膨大形。軸向薄壁細(xì)胞幾何形態(tài)特征見表5。由表5可知,細(xì)胞平均長度和寬度分別為97.94、22.11μm,長寬比4.43。

表5 軸向薄壁細(xì)胞幾何形態(tài)Tab.5 Geometry morphological of axial parenchyma cells

闊葉黃檀軸向薄壁細(xì)胞的紋孔特征如圖4所示,圖4(a)細(xì)胞壁表面粗糙度小,圖4(b)細(xì)胞壁表面粗糙度大。細(xì)胞壁上分布著明顯小而少的單紋孔(4圖(a)A、B)以及稍凸起狀的結(jié)構(gòu)(4圖(a)C、D)。軸向薄壁細(xì)胞壁上既有普通單紋孔(4圖(b)A),又有頗大的單紋孔(4圖(b)B、C);同時(shí),細(xì)胞壁外表面不光滑,凹凸不平,這是由于在2個(gè)紋孔的凸起之間形成比較厚的凹坑形態(tài)。

圖4 闊葉黃檀軸向薄壁細(xì)胞紋孔(400×)Fig.4 Axial parenchyma cell of D. latifolia (400×)

2.3.5 闊葉黃檀木材結(jié)晶細(xì)胞

圖3(e)中F為闊葉黃檀木材的結(jié)晶細(xì)胞:結(jié)晶細(xì)胞總體含量較少,在橫切面上不易觀察到,偶見分室含晶細(xì)胞,是由軸向薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來。室內(nèi)晶體顆粒為3～5顆。

2.3.6 闊葉黃檀木材組織比量

表6為闊葉黃檀木材各類細(xì)胞組織比量,從表6可知,闊葉黃檀細(xì)胞組織比量最大為木纖維71.10%;最小為分室結(jié)晶細(xì)胞 0.11%。從大到小的順序?yàn)?木纖維細(xì)胞、木射線細(xì)胞、導(dǎo)管細(xì)胞、軸向薄壁細(xì)胞、結(jié)晶細(xì)胞。

表6 各類細(xì)胞組織比量Tab.6 Tissue percentages of all kinds of cells %

2.4 闊葉黃檀木材表面接觸角

表7為闊葉黃檀木材的表面接觸角(θ), 木材的θ決定于材質(zhì)特性,即表面自由能,同時(shí)還與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān),而孔隙率和孔隙特征與表觀密度以及紋理、粗糙度等表面狀態(tài)有關(guān)[18-19]。

表面接觸角θ在0°～ 90°時(shí),固體表面是親水表面。由表7可知, 0 s 時(shí)θ為 58.45°,4 s 時(shí)θ為 46.15°,θ下降了 21.04%;而40 s 時(shí)θ為 40.43°,后面36 s只下降了 12.39%;從1 s 到 4 s,θ急劇減小,而后的 36 s 內(nèi)θ平穩(wěn)地減小。整個(gè)40 s 內(nèi)表面接觸角下降了18.02°,θ下降了30.83%。

3 結(jié)論

1)宏觀結(jié)構(gòu):闊葉黃檀心材為黃褐色、紅至黑褐色,有明顯紫黑色或黑色條紋或青色調(diào);管孔在橫切面上呈分散形分布,屬散孔材;軸向薄壁組織豐富,其形態(tài)有斷續(xù)窄帶狀、翼狀和聚翼狀;木射線與波痕肉眼下均略明顯,紋理交錯(cuò),結(jié)構(gòu)細(xì)。木纖維細(xì)胞壁薄至略厚,疊生,在橫切面上大多呈多角形與橢圓形等。

2)微觀結(jié)構(gòu)及細(xì)胞形態(tài):闊葉黃檀導(dǎo)管細(xì)胞主要為單管孔,少數(shù)徑列復(fù)管孔,導(dǎo)管分子疊生,管間紋孔附物紋孔,含樹膠。導(dǎo)管細(xì)胞形態(tài)各異,圓柱形最多,其細(xì)胞長寬比1.17;木纖維壁薄至略厚,疊生,細(xì)胞長寬比為38.28,壁腔比為0.75;木射線細(xì)胞為橫臥射線細(xì)胞,射線組織同形單列或多列,寬度細(xì)胞2～3個(gè),高度細(xì)胞4～17個(gè),細(xì)胞長寬比為5.74。軸向薄壁組織豐富,主要為翼狀、聚翼狀、斷續(xù)的窄帶狀、傍管型環(huán)管束狀;有少量分室含晶細(xì)胞;細(xì)胞壁上具單紋孔,細(xì)胞壁外表面凹凸不平;薄壁細(xì)胞長度與寬度分別為97.94 μm和22.11 μm;長寬比為4.43。結(jié)晶細(xì)胞含量較少,偶見分室含晶細(xì)胞,均由軸向薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來。

3)闊葉黃檀細(xì)胞組織比量最大為木纖維(71.10%);最小為結(jié)晶細(xì)胞(0.11%)。由大到小的順序?yàn)?木纖維細(xì)胞、木射線細(xì)胞、導(dǎo)管細(xì)胞、軸向薄壁細(xì)胞、結(jié)晶細(xì)胞。

4)闊葉黃檀木材試驗(yàn)顯示表面接觸角變化18.02°,屬于親水性材料,可為闊葉黃檀木材的膠結(jié)、表面濕潤和涂飾加工等木制品加工工藝提供參考。

在后續(xù)的研究中將對其他黑酸枝、紅酸枝等紅木及易混淆的其他樹種木材進(jìn)行比較,新增研究手段、方法以及擴(kuò)大特征項(xiàng)目對其他相似樹種木材依次展開研究,然后進(jìn)行對比分析。這樣更有利于對相關(guān)木材的識(shí)別和利用。