速生杨木压缩密化结构探究

黄广华，陈瑞英

（1.漳州职业技术学院 建筑工程系，福建 漳州363000; 2.福建农林大学 材料工程学院，福建 福州350002)

随着森林资源的日益匮乏，天然林资源保护工程的全面实施，我国木材供需结构性矛盾不断加剧，如何提高速生材的物理力学性能和利用率，是木材工业面临的一个亟待解决的重要课题。杨木作为我国主要的速生用材树种，生长快、品种多、分布广、适应性强，一般 10 a 左右即可成材，在全国已经得到有效推广。但其变异性大、硬度小、材质松软等缺陷，使用范围受到极大限制。对其进行改性处理，可以提高密度、强度等物理力学性能，满足木材工业生产的需要[1]。对木材改良的方法很多，采用化学方法也能起到一定的效果，但改性药剂会给人体和环境带来潜在危害。因而相对于化学改性，物理改性日益受到研究者的关注[2-3]。木材压缩密化处理就是其中有效的方法之一[4-5]。

1 试验材料、设备与方法

1.1 试验材料

按照国家标准 GB1927-1943-91进行试样采集与制作、物理力学性能测定。本试验的杨木来自福建省南平市顺昌县大干镇，原木直径200-300 mm，树龄8-10 a。根据正交试验将试材锯解成径切板和弦切板，密度测定的试件尺寸：20 mm×20 mm×20 mm，压缩密化处理的试件尺寸：宽度93 mm，长度190 mm，厚度根据压后厚度和压缩率换算得出。分别选取不同压缩率的处理材10块，其中径切板和弦切板各5块，在各试件横切面的不同位置制取5个切片，共50片，从中选取30-35个切片进行观察和测量。

1.2 主要试验设备

钢板模具（长宽为400×200 mm，厚度分别为3、8、10 mm）、厚度规（尺寸与模具厚度匹配）、QD100单层试验热压机、JXB-D体视显微镜、DMB-223P-5数码显微镜、XL30 ESEM-TMP环境扫描电子显微镜等。

1.3 试验方法

1.3.1 杨木压缩密化与微观结构的观察测定

以速生杨木最佳压缩密化工艺条件为基础[6]，将压缩率调整为20%、30%、40%、50% 和60%，热压压力为30-40 MPa。对素材和不同压缩率的处理材进行显微切片，并将切片在数码显微镜下进行观察，测定参与压缩的相关木材细胞空隙面积，分别计算出压缩率 20-60%的木材密实度以及相对于素材不同细胞的细胞壁密实度；探讨木材绝干密度、空隙度、压缩率之间的关系；建立数学模型，定量分析木材绝干密度与压缩率及测定空隙度的关系。通过扫描电镜，观察各种细胞微观结构的变化，分析压缩密化对木材各种主要细胞的影响。

1.3.2 杨木密度及空隙度测定

木材密度按照《GB 1943- 91：木材物理力学性质试验方法》进行测定，木材空隙度P（%）：

式中，ρ0（g/cm3）为木材绝干密度；ρ0w（g/cm3）为木材实质密度。木材实质密度为1.53 g/cm3。（1）式简化为：

已知绝干密度，代入公式（2），求得理论空隙度P0；在数码显微镜下对切片进行观察，测量空隙面积与总面积之比，取单位高度，计算出体积空隙度，即为测定空隙度P1。

根据密实度和空隙度的关系：D=1-P （D为密实度），通过空隙度算出密实度；在不同压缩率下，令理论密实度和测定密实度分别为D1和D3。设定理论和测定细胞壁占素材体积比率分别为D2和D4，处理材体积占素材的体积比率 r0=1- r（r为压缩率）；则 D2=D1×r0，D4=D3×r0。分析细胞壁实质比率中 D2和D4曲线，间接说明导管、木纤维等细胞的细胞壁在压缩密化过程中的变化。

2 结果与讨论

2.1 杨木压缩率和空隙度

表1为速生杨木素材与处理材各物理量的测量结果。测量准确指数最大4.52%＜5%，说明各组变数的均值准确可靠。

表1 速生杨木密度和空隙度★

ρ0 30 0.53±0.80 0.15 7.47 2.73压缩率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压缩率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压缩率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压缩率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

速生杨木主要细胞空隙度、理论空隙度（P0）、测定空隙度（P1）与压缩率的关系见表2和图1：从素材到压缩率60%，理论空隙度和测定空隙度分别下降了30.51%和28.29%，即随着压缩率的增大，处理材的空隙度都有不同程度的下降。在不同压缩率下，理论空隙度都大于相应的测定空隙度，其比值在1.07-1.13之间。这是由于在本实验测定过程中，薄壁细胞以及各种细胞之间的细胞间隙无法测定。研究表明[6-7]，木材在热压处理的过程中，细胞壁成分发生了化学变化。随着压缩率的增加，压缩时间、温度和压力相应增加，木材细胞腔变形加剧，木材空隙度的减小更为明显。

速生杨木属散孔材，由于杨木木纤维和导管细胞壁结构差异（木纤维的胞壁厚度大于导管），使其压缩难易程度不同，从素材开始到压缩率 30%，木纤维和导管空隙度分别下降了 3.72 %和 9.50%；压缩率30%-60%，木纤维和导管空隙度分别下降了7.13 %和9.94 %。试验表明，木纤维空隙度减小程度明显小于导管。由此可见速生杨木在压缩过程中，细胞参与的顺序：首先压缩的是薄壁细胞，其次导管细胞，最后压缩的是木纤维细胞。

表2 速生杨木主要细胞的空隙度★

2.2 杨木压缩密化与细胞壁实质

木材压缩密化与细胞壁之间的关系见表 3和图 2：速生杨木理论细胞壁占素材体积比率(D2)和测定细胞壁占素材体积比率(D4)的变化趋势相同。从素材到压缩率30%，按照测定空隙度和理论空隙度计算值，D4分别降低了0.60%和0.50%；而压缩率从30%到60%，按照测定空隙度和理论空隙度计算值，D4分别降低了7.32%和2.93%。本试验表明，木材压缩密化过程中，前期压缩率小，主要是木材细胞腔被压缩，细胞壁基本不参与；随着压缩率的增加，特别是当压缩率大于40%时，细胞壁逐步参与压缩。

柴宇博[8]通过X一射线衍射法对杨木素材和压缩密化处理材的相对结晶度进行测量，结果显示素材和处理材的相对结晶度分别为66.77%和68.08%。压缩密化处理使木材半纤维素的降解加剧，木质素相对含量和羟基数量明显增加，氢键结合增强，非结晶区微纤丝有序化程度和相对结晶度提高，结晶区增加。张杰[9]通过红外光谱图分析：对比杨木素材和处理材，发现波数在1738 Pm-1附近P=O的吸收峰的变化趋势相对比较明显。波数1050 Pm-1附近P-O吸收峰有一些变化。红外吸收光谱中P=O、P-O伸缩振动的变化趋势可以说明杨木单板在软化压缩处理过程中纤维素和半纤维素有可能发生了化学反应。分子间形成氢键结合，组成更为复杂的网状结构。使得处理材物理力学性质有所提高。

图3为速生杨木电子显微镜观察的结果。通过电镜微观分析可知，压缩密化处理使木材细胞腔受到挤压，胞腔变小，细胞壁较少受到破坏，只是发生褶缩和变形，仍然保持原有的完整性。

图1 速生杨木空隙度与压缩率关系

图2 速生杨木细胞壁实质比率

图3 速生杨木超微观结构

表3 速生杨木细胞壁实质比率1)

2.3 杨木绝干密度、测定空隙度与压缩率的数学模型

对速生杨木绝干密度、测定空隙度与压缩率的试验结果进一步分析，利用多元回归分析建立数学模型。其关系式：

式中，ρ0为绝干密度；P1/%为测定空隙度；r /%为压缩率。

表4 回归分析结果1

对木材理论空隙度与测定空隙度及压缩率，利用多元回归分析建立数学模型。其关系式：

式中，P0/%为理论空隙度；P1/%为测定空隙度；r /%为压缩率。

表5 回归分析结果2

从表4、5可知，P＜0.01，拟合优度是98.8 %，说明这两个回归方程皆高度显著。结合公式（2）、（4）可得：

对比（3）、（5）式，由不同方法得出的绝干密度、测定空隙度与压缩率的数学模型公式基本一致。由木材绝干密度可计算出压缩率和空隙度的关系。从而为木材的压缩密化提供良好的理论依据。

3 试验结论

速生杨木压缩密化过程，细胞壁发生褶缩和变形，较少受到破坏，仍然保持原有的完整性。而空隙度减小的主要原因是细胞腔受到挤压变形。

速生杨木属散孔材，木纤维的胞壁厚度大于导管，压缩过程中，木纤维空隙度减小程度明显小于导管。可见速生杨木压缩的细胞参与顺序：首先压缩的是薄壁细胞，其次导管细胞，最后压缩的是木纤维细胞。

利用多元回归分析直接和间接导出木材绝干密度（ρ0）与测定空隙度（P1）、压缩率（r）的关系式分别为ρ0= -0.018P1-0.072 r + 1.640 和ρ0= -0.027 P1-0.072 r + 1.641。两式基本一致，根据木材的绝干密度，通过该方程就可以得出压缩率与测定密实度的关系，为速生杨木的压缩密化性能改良提供了良好的理论依据。

[1]王新爱,朱玮,汪玉秀.杨木材性的化学改良技术[J].西北林学院学报,2001,l6(1):76-81.

[2]陈泽君,王勇,马芳,范友华等.高温热处理对人工林杨木物理力学性能和尺寸稳定性的影响[J].中南林业科技大学学报,2012,32(6):142-145.

[3]Pao Y J,Lu J X,Huang R F.InPreased dimensional stability of Phinese fir through steam-heat treatment[J].European Journal of Wood and Wood products,2011,25:1-4.

[4]陈瑞英,胡国楠.速生杨木压缩密化研究[J].福建农林大学学报:自然科学版,2005,34(3):324-329.

[5]黄广华,陈瑞英.人工林巨尾桉木材压缩密化结构[J].福建农林大学学报:自然科学版,2009,41(5):497-501.

[6]胡国楠.速生杨木压缩密化研究[D].福州:福建农林大学,2005.

[7]王艳伟,黄荣凤. 木材密实化的研究进展[J].林业机械与木工设备,2011,39(8):13-16

[8]柴宇博.人工林木材压缩密化处理技术及性能评价[D].北京:中国林业科学研究院,2007.

[9]张杰.杨木单板压密化的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2006.