速生杉木密化材絕干密度與空隙率相關(guān)性

黃廣華，陳瑞英，魏 萍

(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;3. 福建農(nóng)林大學(xué) 圖書館，福州 350002)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國南方特產(chǎn)的速生用材針葉樹種，其生長速度快，紋理美觀，易加工，不翹不裂，抗蛀耐腐，是建筑、裝飾裝修、家具制造等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和木材加工企業(yè)的優(yōu)良材料。［1］截止2011 年，福建有361 萬hm2人工林中，杉木為173 萬hm2，占47.9%。全省每年有大約幾萬hm2的杉木林需要間伐，因此每年將產(chǎn)生大量的杉木間伐小徑材，年間伐量約占木材生產(chǎn)量的7.2%。［2，3］但杉木間伐材材質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、物理力學(xué)性質(zhì)較差，強(qiáng)度與硬度低、尺寸不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的木材加工方法已經(jīng)不能完全滿足木材使用的要求;如何合理有效利用速生林杉木這一原料資源是亟待解決的問題，對擴(kuò)大速生材的利用，緩解木材供需矛盾具有深遠(yuǎn)的意義。［4，5］

目前關(guān)于密化材的密實(shí)化工藝、材質(zhì)變化、尺寸穩(wěn)定性、闊葉材中巨尾桉、楊木的密實(shí)化結(jié)構(gòu)等課題的研究取得了一定的進(jìn)展，提高了速生材的使用價(jià)值。［6－10］為了探討針葉材密實(shí)化后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，通過對速生杉木密化材絕干密度與孔隙率相關(guān)性的研究，對素材和壓縮率20－60%的杉木處理材的空隙率的測定計(jì)算:得出壓縮密化對木材空隙率、密度以及不同細(xì)胞的影響程度，為木材的壓縮密化性能改良提供理論指導(dǎo)。

1 材料制備與試驗(yàn)方法

1.1 材料的制備

試材為速生林杉木，采自福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場，原木直徑80－120mm，樹齡10－14 年。要求干形通直圓滿，沒有腐朽、死節(jié)等缺陷，按照《木材物理力學(xué)試材采集方法》GB/T1927－2009［11］進(jìn)行樹種采集、試樣制作和物理力學(xué)測定。依照正交試驗(yàn)的要求，按弦向和徑向?qū)δ静倪M(jìn)行鋸解，邊長為20mm 的小立方體試件用于木材密度的測定，長寬為190 mm ×93mm 的試件用于壓縮密化試驗(yàn)，選用厚度為13mm 的模具和厚度規(guī)，［12］因壓縮用的模具和厚度規(guī)已經(jīng)確定，所以根據(jù):壓縮率=壓后厚度/壓前厚度，得壓前厚度=壓后厚度/壓縮率。按照壓縮率的不同，取弦切板5 塊，徑切板5 塊，共10 塊，在各試件的橫切面上制取6 個(gè)切片(共60片)，從中挑選30 個(gè)進(jìn)行空隙率試驗(yàn)測定。

1.2 試驗(yàn)的方法

1.2.1 杉木壓縮密化處理

杉木的壓縮密化參見魏萍［12］杉木壓縮密化的研究，通過正交實(shí)驗(yàn)，得出最佳的工藝條件為:壓縮率為60－70%，壓后的厚度為13mm，壓前含水率為40%，熱壓溫度為220℃。為了分析壓縮密化對木材結(jié)構(gòu)影響，以最佳壓縮密化工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，按壓縮率為20%－60%進(jìn)行調(diào)整，為使木材內(nèi)應(yīng)力盡量均勻，采用分段熱壓，以利于壓縮密化。［13］熱壓壓力一般為30－40Mpa，熱壓時(shí)間為25－30min，［12］以上壓板接觸模具為準(zhǔn)。為保證壓縮密化后尺寸穩(wěn)定性，冷卻至常溫再卸壓。

1.2.2 杉木密度以及空隙率的測定

式中，ρ0w(g/cm3)—木材的實(shí)質(zhì)密度;木材的實(shí)質(zhì)密度取1. 53 (g/cm3)［14］，則(1)式可簡化為:

把ρ0值代入(2)式，就可以得到理論空隙率C0;用數(shù)碼顯微鏡觀察切片，測量出空隙面積和總面積，用空隙面積除以總面積，乘以單位高度，就是測定空隙率C1。

式中，D (%)—木材的密實(shí)度，C (%)—木材的空隙率。

針對不同的壓縮率，令理論密實(shí)度為D1、測定密實(shí)度為D3、理論細(xì)胞壁在素材體積中比率為D2、測定細(xì)胞壁在素材體積中比率為D4，處理材的體積占素材體積比率k0=1－k (k 為壓縮率);則D2=D1×k0，D4=D3×k0。分析D2與D4變化的趨勢，考察管胞等杉木細(xì)胞胞壁在密實(shí)化中的變化。

1.2.3 杉木微觀結(jié)構(gòu)的測定

在掃描電鏡(型號:XL30 ESEM－TMP)下觀察素材和各處理材管胞的細(xì)胞壁、細(xì)胞腔等超微觀結(jié)構(gòu)的變化，分析壓縮密化對杉木細(xì)胞的影響。對杉木素材、壓縮率為20%－60%的處理材分別進(jìn)行切片，用數(shù)碼顯微鏡(型號:DMB－223P－5)觀察切片，結(jié)合圖形測定軟件測定各種被壓縮的木材細(xì)胞空隙的面積，換算成對應(yīng)的木材的密實(shí)度，尋求:木材壓縮率和細(xì)胞空隙率的關(guān)系、理論和測定空隙率之間的關(guān)系、胞壁密實(shí)度前后變化關(guān)系;用多元回歸分析，建立其數(shù)學(xué)模型，從而定量地分析木材的絕干密度和壓縮率以及測定空隙率之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 杉木木材壓縮率與空隙率

表1 是杉木素材和處理材的密度和空隙率的測定結(jié)果，測量的準(zhǔn)確指數(shù)均小于5%。

表1 杉木密度和空隙率Table.1 Density and porosity of Cunninghamia lanceolata

從表1 中可以看出，處理材空隙率伴隨著木材壓縮率增加而逐漸減小，從開始到壓縮率60%，理論空隙率減小了23.52%，測定空隙率減小了22.12%。由于采用的數(shù)碼顯微鏡(型號:DMB－223P－5)放大倍數(shù)為×400，薄壁細(xì)胞的胞腔相對較小，無法測定，所以，薄壁細(xì)胞的空隙未被測量，理論空隙率(C0)和相應(yīng)的測定空隙率，即管胞空隙率(C1)的比值在1.10－1.17 之間，即C1﹤C0。

唐曉淑研究表明，木材在壓縮密化過程中，半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生了熱分解，木質(zhì)素的熱分解尤為活躍。隨著壓縮率的增加，壓力增大，壓縮時(shí)間也相應(yīng)延長，使得木材細(xì)胞壁成分熱降解程度更劇烈，木材壓縮加劇，木材空隙率的減小更為明顯。［15］

陳瑞英等［16］利用數(shù)碼顯微鏡對杉木素材和壓縮密化處理材進(jìn)行研究，觀察發(fā)現(xiàn)杉木素材晚材率低，管胞腔大而壁薄。當(dāng)試材壓縮時(shí)，早材部位的細(xì)胞開始就被壓縮，并且產(chǎn)生的變形量較大，而晚材的變形相對于早材而言非常微小，其壓縮變形甚至可以忽略，因此，在大的壓縮變形的范圍里，反映的是杉木早材被壓縮密化的結(jié)果。隨著試材壓縮率的不斷增大，晚材管胞也逐漸參與壓縮。由此可知杉木木材在壓縮過程中，細(xì)胞參與的順序:早材管胞→晚材管胞。

2.2 杉木木材壓縮率與細(xì)胞壁

杉木木材壓縮率與細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)的關(guān)系如表2 所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著木材壓縮率的增加，杉木木材理論細(xì)胞壁和測定細(xì)胞壁分別占素材的體積比率(D2和D4)有相同的變化趨勢，均隨著木材壓縮率的增加而降低，依理論空隙率計(jì)算值，從素材到壓縮率30%，以及30%－60%，D2分別下降0.03%和3.75%。依測定空隙率計(jì)算值，從素材到壓縮率30%，以及30%－60%，D4分別下降了0.39%和7.92%。結(jié)果表明，木材在壓縮密化時(shí)，首先被擠壓的是細(xì)胞腔，壓縮密化的前期階段，細(xì)胞壁受到的擠壓較小，隨著壓縮率不斷增加，尤其在壓縮率大于40%時(shí)，木材細(xì)胞壁的擠壓程度逐漸增大。唐曉淑［15］對杉木壓縮密化處理材進(jìn)行紅外吸收光譜圖分析:在3400cm－1處的OH 伸縮震動和1638cm－1處的HOH 變角的總體吸收伴隨著熱處理逐漸減少，這是因?yàn)樵跓釅簳r(shí)的脫水過程導(dǎo)致分子間氫鍵的重新排列，原來與水分子形成氫鍵的基團(tuán)，由于重新和新的基團(tuán)形成氫鍵締合而造成木材內(nèi)部結(jié)晶度的增大，即壓縮過程中，在木材細(xì)胞壁中纖維素的無定形區(qū)內(nèi)，其微纖絲的排列更加規(guī)整而有序，使得纖維素的結(jié)晶度有一定的提高。這使得在壓密化過程除了細(xì)胞腔的空隙外，細(xì)胞壁也逐漸參與了壓縮，細(xì)胞腔的壓縮遠(yuǎn)大于細(xì)胞壁，隨著纖維素結(jié)晶度的提高，細(xì)胞壁更加密實(shí)，結(jié)構(gòu)相對完好。

表2 杉木細(xì)胞壁的實(shí)質(zhì)比率(%)Table.2 Volume ratio of the total cell wall of Cunninghamia lanceolata (%)

k0:處理材占素材比率;C0:理論空隙度;D1:理論密實(shí)度;D2:理論細(xì)胞壁占素材體積比率;C1:測定空隙度;D3:測定密實(shí)度;D4:測定細(xì)胞壁占素材體積比率;D2=D1×k0，D4=D3×k0。

圖1 杉木超微觀結(jié)構(gòu)Figure.1 Microscopic structure of Cunninghamia lanceolata

2.3 杉木絕干密度、測定空隙率與壓縮率的數(shù)學(xué)模型

通過多元回歸分析的方法，運(yùn)用spss 19 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，建立數(shù)學(xué)模型，以分析杉木絕干密度與測定空隙率、壓縮率之間的關(guān)系，得出:

式中，ρ0(g/cm3)為絕干密度;C1(%)為測定空隙率;k (%)為壓縮率。

表3 回歸分析結(jié)果1Table.3 The result of regression analysis 1

a. 預(yù)測變量(常量)，測定管胞空隙率，壓縮率。

b. 因變量:絕干密度

其中:R2=0.988。

通過多元回歸分析的方法，建立數(shù)學(xué)模型，以進(jìn)一步分析木材理論空隙率與測定空隙率、壓縮率之間的關(guān)系，得出:

式中，C0(%)為理論空隙率;C1(%)為測定空隙率;k (%)為壓縮率。

表4 回歸分析結(jié)果2Table.4 The result of regression Analysis 2

a. 預(yù)測變量(常量)，測定管胞空隙率，壓縮率。

b. 因變量:理論空隙率

其中:R2=0.988。

由表3 和表4 可知，擬合優(yōu)度為98.8%，說明(4)、(5)兩個(gè)回歸方程都高度顯著。把(2)式C=100 × (1－0.6356ρ0)代入(5)式，可得:

比較(4)、(6)式，由不同方法導(dǎo)出的絕干密度與測定空隙率、壓縮率之間關(guān)系數(shù)學(xué)模型的公式基本相似。通過這個(gè)數(shù)學(xué)模型公式，當(dāng)速生杉木要通過壓密化提高材質(zhì)時(shí)，只要知道木材的測定空隙率和壓縮率，即可知道壓縮后的絕干密度。進(jìn)而為通過木材密實(shí)化改良材質(zhì)，建立一個(gè)良好的理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

速生林杉木由于樹木生長快樹齡短徑級小，材質(zhì)較差，產(chǎn)品附加值低，對其進(jìn)行壓縮密化處理，是拓寬其使用范圍，提高產(chǎn)品附加值，實(shí)現(xiàn)速生林木材高效增值利用的有效途徑。經(jīng)過壓縮密化處理，杉木木材細(xì)胞的細(xì)胞腔變窄，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)未受到明顯破壞，基本保持原有的完整性。

速生林杉木素材管胞腔大壁薄，當(dāng)木材熱壓時(shí)，早材部位的管胞首先被壓縮，產(chǎn)生較大的變形，隨著壓縮率的增大，晚材管胞逐漸參與壓縮。杉木木材在壓縮過程中，細(xì)胞參與的順序:早材管胞→晚材管胞。

利用多元回歸分析，建立數(shù)學(xué)模型，通過直接與間接導(dǎo)出杉木木材的絕干密度ρ0與壓縮率k、測定空隙率C1的關(guān)系式分別為ρ0=－0.003C1+0.723k + 0.134 和ρ0=－0.00263C1+ 0.723k +0.133。兩式高度一致，為木材的壓縮密化探索，提供良好的理論依據(jù)。

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