尾葉桉與尾巨桉木材超微構造對水分移動途徑的影響

經過“東葉桉樹示范林”（e.urophysa）和“西格斯urophysa”的培育，100多年來，來自印度尼西亞和巴西的兩種桉樹生長良好的桉樹類型1。目前在廣西和華南地區已得到較大面積的推廣種植。引種實踐表明,尾葉桉和尾巨桉生長迅速,適應性強,木材產量高,種間材性差異大。材性研究結果表明,尾葉桉和尾巨桉木材密度高至中等,材質均勻性差,抽提物含量高等;適宜于紙漿造紙［2］。而在作為實體木材進行加工時,干燥處理較為困難,特別是桉木的皺縮［3．4．5］。皺縮的發生不僅使木材的強度大幅度減少;木材利用率降低［6］。嚴重的皺縮還使木材產生內裂(蜂窩裂),甚至使木材報廢［6］。因此,干燥技術成為制約桉樹以實體木材形式進行加工利用的主要障礙［8］。澳大利亞、南非和巴西等國率先開展了桉木干燥技術的研究,并在桉木皺縮形成機理和防止桉木發生皺縮方面取得了一些實用技術,但因桉樹木材種類繁多,各種桉木的構造和材細胞皺縮形成過程的研究結果,自由水移動過程對皺縮的形成起重要作用［9］。因此在研究木材的皺縮特性性之間有很大的差異。引種后材性變異更大［6］,特別是近幾年引種的尾巨桉和尾葉桉在澳大利亞也無成熟的干燥和加工技術。所以應分別研究各種引種桉木的材性及其干燥和加工技術［10．11］。本文根據前人的研究結果［12］,將研究重點放在木材中自由水的移動途徑。根據自由水移動途徑的研究結果,確定木材細胞皺縮的基本條件。這是研制無皺縮干燥工藝的基礎。為了進一步探明尾葉桉和尾巨桉木材產生皺縮的原因,證實皺縮機理,本試驗用掃描電子顯微鏡觀察并研究了尾葉桉和尾巨桉木材的構造與干燥皺縮的關系,從木材細胞皺縮的自身基本條件分析皺縮機理,研究干燥介質的溫度和濕度對木材皺縮特性的影響,干燥溫度和木材含水率對木材強度和對應毛細管最小半徑的影響。1材料和測試方法1.1測試材料1.2導電金屬薄膜電子顯微鏡掃描掃描電鏡試樣制作:將尾葉桉和尾巨桉氣干木材用切片刀切取表面平整的橫切面、弦切面和徑切面試樣三塊,規格為4mm×4mm×2mm,將此試片用雙面膠布粘于電鏡載物臺上,先抽真空,再放入離子噴射儀內,用鉑離子噴射一層導電金屬薄膜,再置于S530掃描電子顯微鏡下進行觀察。木材皺縮發生條件的確定是基于毛細管張力和干燥應力是木材皺縮動力的皺縮機理,通過計算毛細管張力確定有效毛細管半徑。2結果與分析2.1尾巨桉結構組成機制2.1.1尾葉桉尾葉桉的主要組成分子包括導管、木纖維、環管管胞、木射線薄壁細胞、軸向薄壁細胞。尾葉桉為散孔材,多為單管孔。導管具單一穿孔(版圖13),底壁傾斜。管孔橢圓型。軸向薄壁組織較少見。多分布于輪界處。紋孔:管間紋孔:導管上紋孔分布較密,為圓形或橢圓型,平均長徑為7~8μm,短徑為4~5μm,邊材的紋孔較心材稍大而多,分布密集,呈對列,紋孔上多有沉積物,版圖5,9,12上可見管間紋孔上的附物,附物呈顆粒狀沉積在紋孔口,其上有水分通道,有的較大,有的較小。導管與木射線間的紋孔:導管與木射線間的紋孔較管間紋孔大、分布又多,呈對列,為圓形或橢圓型,平均長徑為8~9μm,短徑為5~6μm,邊材的紋孔較心材稍大而多,紋孔上多有沉積物,版圖4上可見管間紋孔上的附物,附物呈顆粒狀沉積在紋孔口,其上有水分通道,有的較大,有的較小。附物的直觀形態與管間紋孔上的相似。導管與木纖維間的紋孔:導管與木纖維間的紋孔偶見,其上也有附物。版圖7可看到導管與木纖維間的少量紋孔。木射線與木射線間的紋孔:版圖6,11可見木射線與木射線間的紋孔,量少,也小。導管中的侵填體:由版圖2、版圖3,可見尾葉桉導管內含有大量的侵填體,以心材為最多;邊材中少見(版圖10)。侵填體有多種類型,有絮片狀(版圖2),和實體狀(版圖3),實體狀侵填體上有孔,充滿整個導管腔。侵填體是相鄰導管的木射線或軸向薄壁組織通過導管側壁上的紋孔進入導管腔中的生成物,侵填體的存在部分或全部堵塞了導管腔,阻擋了導管內自由水的移動,增加了水分移動的阻力,并使在干燥前期木材中自由水移動慢而困難。理論分析認為,由于導管中的侵填體在堵塞導管腔的同時,也堵塞了導管側壁上的紋孔,使有效水分移動途徑的孔徑減小,水分移動時產生的張力增加,產生皺縮的動力增加。所以,普遍認為,侵填體的存在對皺縮的產生有促進作用。木射線中的沉積物:木射線是木材中橫向分布的細胞,可以加快水分在橫向的傳導速度。當木材以鋸材形式干燥時,木材橫向水分移動速度直接決定木材干燥的速度和干燥質量。掃描電鏡觀測結果顯示,尾葉桉中木射線多為單列,平均16個細胞高,少量雙列,平均10個細胞高,木射線細胞內含有大量的沉積物(版圖1,8),有的以整體形式存在(版圖1),有的以顆粒狀存在(版圖8),沉積物的存在堵塞了橫向水分移動的途徑,使自由水移動困難。2.1.2尾巨桉尾巨桉的主要組成分子包括導管、木纖維、環管管胞、木射線薄壁細胞、軸向薄壁細胞等。尾巨桉為散孔材,多為單管孔。導管具單一穿孔,底壁傾斜。管孔橢圓型。軸向薄壁組織較少見。多分布于輪界處。紋孔:管間紋孔:導管上紋孔分布較密,為圓形或橢圓型,平均長徑為9~10μm,短徑為6~8μm,邊材的紋孔較心材稍大而多,分布密集,呈對列,紋孔口上多有沉積物,版圖16,18上可見管間紋孔上的附物,附物呈顆粒狀沉積在紋孔口,其上有裂隙,大小不一,形成水分移動的通道。尾巨桉管間紋孔口中的沉積物與尾葉桉基本相似。導管與木射線間的紋孔:導管與木射線間的紋孔較管間紋孔大、分布又多,呈對列或少有互列(版圖15),為圓形或橢圓型,平均長徑為10~11μm,短徑為8~9μm,邊材的紋孔較心材稍大且多,紋孔上多有沉積物,版圖16,18上可見管間紋孔上的附物,附物呈顆粒狀沉積在紋孔口,其上有水分通道,有的較大,有的較小。沉積物的形態與管間紋孔上的相同,也與尾葉桉上的相同,但比尾葉桉上的少。導管與木纖維間的紋孔:導管與木纖維間的紋孔未見。木射線與木射線間的紋孔:版圖17可見木射線與木射線間的紋孔,量少,也小。但比尾葉桉多。導管中的侵填體:版圖14可見尾巨桉導管內含有一層薄的侵填體,侵填體存在于整個導管內,其上無孔,因此這層侵填體將覆蓋導管壁上的紋孔,堵塞氣水通道,使水分移動困難。木射線:尾巨桉中木射線的數量較多,可見木射線分布較密,木射線同型單列,平均16個細胞高。木射線細胞內壁偶見沉積物(版圖17),這些侵填體影響影響木材在橫向的水分移動。并使木材的抽提物含量增加。通過對尾葉桉和尾巨桉木材超微構造的觀察和研究,認為尾葉桉木材細胞上紋孔口中存在的沉積物和導管中存在的侵填體嚴重影響木材內部水分移動,使水分移動通徑的有效孔徑減小,產生皺縮的動力增加,發生皺縮的可能性增加;尾巨桉木材中,導管中的薄膜狀侵填體也起到和尾巨桉木材中侵填體同樣的作用。尾葉桉和尾巨桉木材含水率和溫度對木材細胞皺縮條件的影響尾葉桉和尾巨桉木材的氣干密度分別為0.786g/cm3和0.663g/cm3［1］,在常溫氣干狀態下木材橫紋局部抗壓強度分別為8.62MPa和7.25MPa,木材的含水率和溫度對木材的強度有很大的影響,根據木材細胞的皺縮機理［9］,當作用在木材細胞上的毛細管張力大于木材細胞的橫紋抗壓強度時,木材細胞才能發生皺縮,而且在木材的干燥過程中,由于木材發生干縮,木材中毛細管直徑在減少;含水率在降低,木材的強度在增加,毛細管張力也在增加,這樣細胞發生皺縮的條件就不一樣。根據計算結果,得出桉木木材不同溫度和含水率狀態下的橫紋局部抗壓強度,計算結果見表2、表3。根據表2和表3的計算結果,根據皺縮機理,計算木材發生皺縮的條件,結果見表4。尾葉桉和尾巨桉木材物理力學性能基本數據:(含水率w=15%,溫度T=20°)局部抗壓強度:尾葉桉P局部=8.62MPa密度ρ15=0.786g/cm3體積干縮系數Vs=0.611%尾巨桉P局部=7.25MPa密度ρ15=0.663g/cm3體積干縮系數Vs=0.516%木材密度和含水率之間的關系［13］ρw=ρ15/[1+0.01(1-vs)(15-w)]尾葉桉ρ20=0.803g/cm3ρ30=0.844g/cm3式中:σ2和σ1分別代表溫度為T2和T1時的抗壓強度,n為曲線的斜率。尾葉桉n=6.37×0.803=5.12×10－1kgf/cm2℃尾巨桉n=6.37×0.677=4.31×10－1kgf/cm2℃木材的強度與含水率之間的關系［13］σw=σ15/[1-(15-w)*0.045]皺縮機理認為毛細管張力和干燥應力是木材細胞發生皺縮的主要動力,在干燥前期以毛細管張力為主,在干燥后期以干燥應力為主,毛細管張力和干燥應力對細胞皺縮的貢獻率分別為3/4和1/4(王喜明2001)。根據毛細管張力的計算公式P=2σ/r,式中P為毛細管張力,σ為水的表面張力,r為毛細管半徑,可知,毛細管張力的大小與水的表面張力成正比,與毛細管半徑成反比。在木材的干燥過程中,由于干燥室內的溫度在不斷變化,因此,木材中自由水的表面張力會隨著干燥溫度的升高而降低,如僅從這一點看,毛細管張力會減小,原來具備同樣大小毛細管的細胞不會發生皺縮,但隨著干燥溫度的升高,木材的抗壓強度會減少,其減少的幅度比表面張力大。因此總體上,毛細管的直徑會隨著干燥溫度的升高而增加,即產生皺縮的細胞會增多,這就是為什么干燥溫度越高,木材越容易產生皺縮的原因。表4可見,當干燥溫度為20℃時,毛細管半徑小于0.028μm的尾葉桉木材細胞和毛細管半徑小于0.034μm的尾巨桉木材細胞能夠產生皺縮,當溫度為100℃時,毛細管半徑增加至0.113μm(尾葉桉)和0.135μm(尾巨桉),毛細管半徑小于此兩值的對應樹種的木材細胞都具備了皺縮的條件,可見皺縮細胞增加了。上述計算結果表明在相同的干燥溫度和干燥應力下,尾葉桉和尾巨桉相比,尾巨桉木材更易發生皺縮。如;當干燥溫度為80℃時,尾葉桉對應的皺縮毛細管半徑為0.060μm,此值與尾巨桉在干燥溫度為70℃時的皺縮毛細管半徑相當。3尾葉桉、尾巨桉木材細胞時開展開展技術研究尾葉桉木材中木纖維紋孔數量較少,內含較多的沉積物,易發生皺縮;木射線中存在大量沉積物,導致木射線細胞腔中的自由水含量少,飽水性差;導管中存在大量的侵填體,使木材容易發生皺縮。尾巨桉木材中木纖維構造與尾葉桉類似,因此易發生皺縮;木射線薄壁細胞中少見沉積物,導管內有侵填體,堵塞了紋孔,使木材內部水分傳導困難,木材細胞容易發生皺縮。根據計算結果進行理論分析認為,由于尾葉桉比尾巨桉木材的密度大,強度高,尾葉桉木材細胞發生皺縮需要的壓力大;對兩種木材水分移動途徑的構造觀察研究認為,尾葉桉中自由水移動途徑的暢通性比尾巨桉差。綜合木材的強度、密度等物理力學指標和水分移動性能,認為尾巨桉比尾葉桉易發生皺縮。根據計算得到當干燥