速生杉木密化材绝干密度与空隙率相关性

黄广华，陈瑞英，魏 萍

(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;3. 福建农林大学 图书馆，福州 350002)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方特产的速生用材针叶树种，其生长速度快，纹理美观，易加工，不翘不裂，抗蛀耐腐，是建筑、装饰装修、家具制造等工农业生产和木材加工企业的优良材料。［1］截止2011 年，福建有361 万hm2人工林中，杉木为173 万hm2，占47.9%。全省每年有大约几万hm2的杉木林需要间伐，因此每年将产生大量的杉木间伐小径材，年间伐量约占木材生产量的7.2%。［2，3］但杉木间伐材材质结构疏松、物理力学性质较差，强度与硬度低、尺寸不稳定，传统的木材加工方法已经不能完全满足木材使用的要求;如何合理有效利用速生林杉木这一原料资源是亟待解决的问题，对扩大速生材的利用，缓解木材供需矛盾具有深远的意义。［4，5］

目前关于密化材的密实化工艺、材质变化、尺寸稳定性、阔叶材中巨尾桉、杨木的密实化结构等课题的研究取得了一定的进展，提高了速生材的使用价值。［6－10］为了探讨针叶材密实化后其内部结构的变化，通过对速生杉木密化材绝干密度与孔隙率相关性的研究，对素材和压缩率20－60%的杉木处理材的空隙率的测定计算:得出压缩密化对木材空隙率、密度以及不同细胞的影响程度，为木材的压缩密化性能改良提供理论指导。

1 材料制备与试验方法

1.1 材料的制备

试材为速生林杉木，采自福建农林大学西芹教学林场，原木直径80－120mm，树龄10－14 年。要求干形通直圆满，没有腐朽、死节等缺陷，按照《木材物理力学试材采集方法》GB/T1927－2009［11］进行树种采集、试样制作和物理力学测定。依照正交试验的要求，按弦向和径向对木材进行锯解，边长为20mm 的小立方体试件用于木材密度的测定，长宽为190 mm ×93mm 的试件用于压缩密化试验，选用厚度为13mm 的模具和厚度规，［12］因压缩用的模具和厚度规已经确定，所以根据:压缩率=压后厚度/压前厚度，得压前厚度=压后厚度/压缩率。按照压缩率的不同，取弦切板5 块，径切板5 块，共10 块，在各试件的横切面上制取6 个切片(共60片)，从中挑选30 个进行空隙率试验测定。

1.2 试验的方法

1.2.1 杉木压缩密化处理

杉木的压缩密化参见魏萍［12］杉木压缩密化的研究，通过正交实验，得出最佳的工艺条件为:压缩率为60－70%，压后的厚度为13mm，压前含水率为40%，热压温度为220℃。为了分析压缩密化对木材结构影响，以最佳压缩密化工艺参数为基础，按压缩率为20%－60%进行调整，为使木材内应力尽量均匀，采用分段热压，以利于压缩密化。［13］热压压力一般为30－40Mpa，热压时间为25－30min，［12］以上压板接触模具为准。为保证压缩密化后尺寸稳定性，冷却至常温再卸压。

1.2.2 杉木密度以及空隙率的测定

式中，ρ0w(g/cm3)—木材的实质密度;木材的实质密度取1. 53 (g/cm3)［14］，则(1)式可简化为:

把ρ0值代入(2)式，就可以得到理论空隙率C0;用数码显微镜观察切片，测量出空隙面积和总面积，用空隙面积除以总面积，乘以单位高度，就是测定空隙率C1。

式中，D (%)—木材的密实度，C (%)—木材的空隙率。

针对不同的压缩率，令理论密实度为D1、测定密实度为D3、理论细胞壁在素材体积中比率为D2、测定细胞壁在素材体积中比率为D4，处理材的体积占素材体积比率k0=1－k (k 为压缩率);则D2=D1×k0，D4=D3×k0。分析D2与D4变化的趋势，考察管胞等杉木细胞胞壁在密实化中的变化。

1.2.3 杉木微观结构的测定

在扫描电镜(型号:XL30 ESEM－TMP)下观察素材和各处理材管胞的细胞壁、细胞腔等超微观结构的变化，分析压缩密化对杉木细胞的影响。对杉木素材、压缩率为20%－60%的处理材分别进行切片，用数码显微镜(型号:DMB－223P－5)观察切片，结合图形测定软件测定各种被压缩的木材细胞空隙的面积，换算成对应的木材的密实度，寻求:木材压缩率和细胞空隙率的关系、理论和测定空隙率之间的关系、胞壁密实度前后变化关系;用多元回归分析，建立其数学模型，从而定量地分析木材的绝干密度和压缩率以及测定空隙率之间的关系。

2 试验结果与讨论

2.1 杉木木材压缩率与空隙率

表1 是杉木素材和处理材的密度和空隙率的测定结果，测量的准确指数均小于5%。

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

从表1 中可以看出，处理材空隙率伴随着木材压缩率增加而逐渐减小，从开始到压缩率60%，理论空隙率减小了23.52%，测定空隙率减小了22.12%。由于采用的数码显微镜(型号:DMB－223P－5)放大倍数为×400，薄壁细胞的胞腔相对较小，无法测定，所以，薄壁细胞的空隙未被测量，理论空隙率(C0)和相应的测定空隙率，即管胞空隙率(C1)的比值在1.10－1.17 之间，即C1﹤C0。

唐晓淑研究表明，木材在压缩密化过程中，半纤维素和木质素发生了热分解，木质素的热分解尤为活跃。随着压缩率的增加，压力增大，压缩时间也相应延长，使得木材细胞壁成分热降解程度更剧烈，木材压缩加剧，木材空隙率的减小更为明显。［15］

陈瑞英等［16］利用数码显微镜对杉木素材和压缩密化处理材进行研究，观察发现杉木素材晚材率低，管胞腔大而壁薄。当试材压缩时，早材部位的细胞开始就被压缩，并且产生的变形量较大，而晚材的变形相对于早材而言非常微小，其压缩变形甚至可以忽略，因此，在大的压缩变形的范围里，反映的是杉木早材被压缩密化的结果。随着试材压缩率的不断增大，晚材管胞也逐渐参与压缩。由此可知杉木木材在压缩过程中，细胞参与的顺序:早材管胞→晚材管胞。

2.2 杉木木材压缩率与细胞壁

杉木木材压缩率与细胞壁实质的关系如表2 所示，可以发现，随着木材压缩率的增加，杉木木材理论细胞壁和测定细胞壁分别占素材的体积比率(D2和D4)有相同的变化趋势，均随着木材压缩率的增加而降低，依理论空隙率计算值，从素材到压缩率30%，以及30%－60%，D2分别下降0.03%和3.75%。依测定空隙率计算值，从素材到压缩率30%，以及30%－60%，D4分别下降了0.39%和7.92%。结果表明，木材在压缩密化时，首先被挤压的是细胞腔，压缩密化的前期阶段，细胞壁受到的挤压较小，随着压缩率不断增加，尤其在压缩率大于40%时，木材细胞壁的挤压程度逐渐增大。唐晓淑［15］对杉木压缩密化处理材进行红外吸收光谱图分析:在3400cm－1处的OH 伸缩震动和1638cm－1处的HOH 变角的总体吸收伴随着热处理逐渐减少，这是因为在热压时的脱水过程导致分子间氢键的重新排列，原来与水分子形成氢键的基团，由于重新和新的基团形成氢键缔合而造成木材内部结晶度的增大，即压缩过程中，在木材细胞壁中纤维素的无定形区内，其微纤丝的排列更加规整而有序，使得纤维素的结晶度有一定的提高。这使得在压密化过程除了细胞腔的空隙外，细胞壁也逐渐参与了压缩，细胞腔的压缩远大于细胞壁，随着纤维素结晶度的提高，细胞壁更加密实，结构相对完好。

表2 杉木细胞壁的实质比率(%)Table.2 Volume ratio of the total cell wall of Cunninghamia lanceolata (%)

k0:处理材占素材比率;C0:理论空隙度;D1:理论密实度;D2:理论细胞壁占素材体积比率;C1:测定空隙度;D3:测定密实度;D4:测定细胞壁占素材体积比率;D2=D1×k0，D4=D3×k0。

图1 杉木超微观结构Figure.1 Microscopic structure of Cunninghamia lanceolata

2.3 杉木绝干密度、测定空隙率与压缩率的数学模型

通过多元回归分析的方法，运用spss 19 数据统计分析软件，建立数学模型，以分析杉木绝干密度与测定空隙率、压缩率之间的关系，得出:

式中，ρ0(g/cm3)为绝干密度;C1(%)为测定空隙率;k (%)为压缩率。

表3 回归分析结果1Table.3 The result of regression analysis 1

a. 预测变量(常量)，测定管胞空隙率，压缩率。

b. 因变量:绝干密度

其中:R2=0.988。

通过多元回归分析的方法，建立数学模型，以进一步分析木材理论空隙率与测定空隙率、压缩率之间的关系，得出:

式中，C0(%)为理论空隙率;C1(%)为测定空隙率;k (%)为压缩率。

表4 回归分析结果2Table.4 The result of regression Analysis 2

a. 预测变量(常量)，测定管胞空隙率，压缩率。

b. 因变量:理论空隙率

其中:R2=0.988。

由表3 和表4 可知，拟合优度为98.8%，说明(4)、(5)两个回归方程都高度显著。把(2)式C=100 × (1－0.6356ρ0)代入(5)式，可得:

比较(4)、(6)式，由不同方法导出的绝干密度与测定空隙率、压缩率之间关系数学模型的公式基本相似。通过这个数学模型公式，当速生杉木要通过压密化提高材质时，只要知道木材的测定空隙率和压缩率，即可知道压缩后的绝干密度。进而为通过木材密实化改良材质，建立一个良好的理论基础。

3 结论

速生林杉木由于树木生长快树龄短径级小，材质较差，产品附加值低，对其进行压缩密化处理，是拓宽其使用范围，提高产品附加值，实现速生林木材高效增值利用的有效途径。经过压缩密化处理，杉木木材细胞的细胞腔变窄，细胞壁结构未受到明显破坏，基本保持原有的完整性。

速生林杉木素材管胞腔大壁薄，当木材热压时，早材部位的管胞首先被压缩，产生较大的变形，随着压缩率的增大，晚材管胞逐渐参与压缩。杉木木材在压缩过程中，细胞参与的顺序:早材管胞→晚材管胞。

利用多元回归分析，建立数学模型，通过直接与间接导出杉木木材的绝干密度ρ0与压缩率k、测定空隙率C1的关系式分别为ρ0=－0.003C1+0.723k + 0.134 和ρ0=－0.00263C1+ 0.723k +0.133。两式高度一致，为木材的压缩密化探索，提供良好的理论依据。

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