膠質(zhì)層對楊樹應(yīng)拉木生長應(yīng)力和木材材性的影響.pdf

1、本文從微觀水平到宏觀水平對應(yīng)拉木的特性進(jìn)行了深入的觀測和研究,并將之與正常木進(jìn)行比較。本研究選擇楊樹(從法國采的Populus cv.14551和從中國采的Populus deltoids cV.1-69/55)作為實驗材料,因為楊樹中很容易產(chǎn)生有膠質(zhì)纖維的應(yīng)拉木并伴有大的縱向生長應(yīng)力；另外,楊樹也是一個在全球都非常重要的速生人工林樹種。 本研究中縱向生長拉應(yīng)力被用作應(yīng)拉木嚴(yán)重程度的指標(biāo),而生長應(yīng)力水平又由生長應(yīng)變來指示。根據(jù)不

2、同研究目的,本文運(yùn)用了兩種方法來測定生長應(yīng)變： 1.為了微觀水平上的研究：應(yīng)變片法,此方法可以直接給出生長應(yīng)變值(GrowthStrain,簡稱GS); 2.為了宏觀水平上的研究：單孔法,直接測出的值稱作“生長應(yīng)力指示值”(GrowthStress Indicator,簡稱GSI),基本和生長應(yīng)變值成正比。 本文的研究內(nèi)容和意義主要有如下幾點： ·樹木生長應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理一直是林業(yè)科研工作者熱烈爭論的疑點課

3、題,本文進(jìn)一步推進(jìn)了這一討論并且嘗試了在細(xì)胞壁和組織水平上揭示生長應(yīng)力現(xiàn)象。這部分實驗使用了與傳統(tǒng)的常規(guī)切片不同的方法。在傳統(tǒng)的未包埋試樣上制得的常規(guī)切片上發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)纖維中的膠質(zhì)層呈可疑的脫離和膨脹狀態(tài)。為了能夠觀測到實木中膠質(zhì)層的實際狀態(tài)從而使得進(jìn)一步的研究結(jié)果的真實可信,本文使用了包埋過的試樣,用玻璃刀片和鉆石刀片進(jìn)行超薄切片。 ·本文對不同嚴(yán)重程度的應(yīng)拉木的解剖特征、物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成做了全面的測定和深入的分析討論,并與

4、相應(yīng)的正常木進(jìn)行比較,建立了木材特性與生長應(yīng)力水平之間的關(guān)系,為進(jìn)一步了解和合理利用應(yīng)拉木,特別是楊樹應(yīng)拉木提供了理論基礎(chǔ)。 ·由于干縮對木材的加工利用有著顯著的影響,因此本文特別對不同嚴(yán)重程度的應(yīng)拉木的橫向干縮進(jìn)行深入的研究并與正常木的干縮進(jìn)行比較。通過對細(xì)胞壁水平、組織水平以及實木水平上干縮特征的研究,提出了膠質(zhì)纖維和正常纖維的干縮模型。 楊樹的一個重要用途是用來旋切制成單板再進(jìn)一步加工利用,而在由含有應(yīng)拉木的楊木旋

5、切的單板中,起毛和翹曲是兩個主要問題。因此,本文對由不同程度的應(yīng)拉木區(qū)域旋切的單板的起毛和翹曲進(jìn)行了測定并和正常木區(qū)域的進(jìn)行對比。 通過以上幾個方面的研究,得出如下主要結(jié)論： ·進(jìn)一步證實了Clair等(2005b;2005a)的報道,在傳統(tǒng)的未包埋試樣上制得的常規(guī)切片上發(fā)現(xiàn)的膠質(zhì)層脫離和膨脹狀態(tài)是一種在切片過程中造成的人為破壞結(jié)果,并不是它的實際狀態(tài)。在立木和實木中,無論是在生材還是干燥后的木材中,膠質(zhì)層是并沒有脫離細(xì)

6、胞壁的其他層,并且不是膨脹狀態(tài),它的實際厚度比在常規(guī)切片上觀測到的要小。因此,要想研究膠質(zhì)層的真實狀態(tài)和性質(zhì),傳統(tǒng)的常規(guī)切片方法是不合適的,建議使用本實驗中所運(yùn)用的方法,即使用包埋試樣切片,并且要考慮要使用的切片到試樣端頭的距離。 ·膠質(zhì)纖維中膠質(zhì)層與S2層的粘著程度不如細(xì)胞壁中其它層(即胞問層、初生壁、S1層和S2層以及正常纖維中的S3層)之間的粘著程度,但這種粘著程度足夠強(qiáng)而不至于因干燥而分開,盡管膠質(zhì)層有很大的軸向橫向干縮

7、率。這一發(fā)現(xiàn)也確定了膠質(zhì)層對應(yīng)拉木物理和力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。 ·根據(jù)在立木中測得的GS而劃分的不同嚴(yán)重程度的應(yīng)拉木中,通過對包埋試塊端頭切制的切片上膠質(zhì)層膨脹率的測定,發(fā)現(xiàn)此膨脹率和GS呈正相關(guān)。由于端頭處膠質(zhì)層中的縱向拉應(yīng)力在試塊包埋前制備時已完全釋放,因此膠質(zhì)層縱向收縮,根據(jù)Poisson原理,膠質(zhì)層橫向膨脹。綜合以上發(fā)現(xiàn)和推測, 可以推導(dǎo)出在嚴(yán)重應(yīng)拉木膠質(zhì)纖維的膠質(zhì)層中的縱向拉應(yīng)力要比在輕微應(yīng)拉木的膠質(zhì)層中的縱向拉應(yīng)力

8、大。 ·在傾斜的立木中,傾斜樹干的上部有著最大的縱向生長應(yīng)力,沿樹干外圍到傾斜樹干下部,生長應(yīng)力呈下降分布。相應(yīng)的大多數(shù)木材性質(zhì)有著相似或相反的規(guī)律,與GSI呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。 ·在用應(yīng)變片法測定的試樣中,在GS小于610με的試樣中沒有膠質(zhì)纖維出現(xiàn),在大于816με的試樣中膠質(zhì)纖維的面積比率達(dá)到50％或更大,這意味著膠質(zhì)纖維出現(xiàn)的可能臨界點在這兩個值之間。另一個100％膠質(zhì)纖維出現(xiàn)的可能臨界點是在1540和1935με

9、之間。 ·在測定的有膠質(zhì)纖維的應(yīng)拉木試樣中,單位面積的組織中膠質(zhì)纖維越多而且其膠質(zhì)層越厚,則相應(yīng)的縱向生長應(yīng)力(和GS成比例)越大。這意味著這些因素影響著生長應(yīng)力的產(chǎn)生,其中膠質(zhì)層在產(chǎn)生高牛長應(yīng)力中起著最重要的作用,膠質(zhì)層的量對生長應(yīng)力的水平有著決定性的影響。這一結(jié)論可以推測為由下面的假說來解釋：應(yīng)拉木中的縱向生長拉應(yīng)力產(chǎn)生是由細(xì)胞壁中微纖絲的拉應(yīng)力來決定的Bamber 1978;Okuyama et al.1986;Bambe

10、r 1987;Clair et al.2006a),因為膠質(zhì)層中的木質(zhì)素含量甚微。 ·正常木纖維的胞壁厚度明顯小于應(yīng)拉木的包括膠質(zhì)層在內(nèi)的細(xì)胞壁厚度,而又顯著大于膠質(zhì)纖維中除膠質(zhì)層以外的其它層細(xì)胞壁的厚度。在應(yīng)拉木中,生長應(yīng)力隨著膠質(zhì)纖維中的膠質(zhì)層厚度的增加而增加,而其它層厚度則減小。纖維長度和直徑分別與生長應(yīng)力水平呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。生長應(yīng)力水平與纖維和導(dǎo)管的組織比量分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。 ·根據(jù)厚度的相對減小率而計算得

11、出的膠質(zhì)層干縮率(也即徑向干縮率)顯著地大于其它層細(xì)胞壁的干縮率。膠質(zhì)層以及總體細(xì)胞壁的干縮率與GS沒有顯著的相關(guān)關(guān)系,而除膠質(zhì)層之外的其他層細(xì)胞壁的干縮率則與GS有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。 ·膠質(zhì)層與GS之間沒有明顯相關(guān)關(guān)系意味著從低GS到高GS的應(yīng)拉木膠質(zhì)纖維中的膠質(zhì)層沒有質(zhì)的上的區(qū)別,這也證實了前面的推論,即膠質(zhì)層量的上的差異決定著生長應(yīng)變的變動,也即與之成比例的生長應(yīng)力的變動。 ·在干燥過程中,應(yīng)拉木膠質(zhì)纖維的胞腔增

12、大而且其增大量與GS呈正相關(guān),而正常木纖維的胞腔在本實驗中則發(fā)現(xiàn)干燥后變小了。這一發(fā)現(xiàn)說明膠質(zhì)層在干燥過程中是由里(胞腔一側(cè))向外(細(xì)胞外圍)收縮的(也即它的內(nèi)周長增大),因此它的干縮對細(xì)胞的整體干縮率幾乎沒有影響,因而其整體干縮率主要受其他層細(xì)胞壁干縮的控制,因為本研究發(fā)現(xiàn)其他層細(xì)胞壁是由細(xì)胞外圍向內(nèi)干縮的(也即其外同周長變小)。 ·無論是正常木還是應(yīng)拉木,在組織和宏觀水平上(分別基于切片和實木上的觀測),弦向的干縮率都明顯高

13、于徑向的,弦向和軸向干縮率分別與GS/GSI呈顯著的負(fù)相關(guān)和正相關(guān),而徑向干縮率則與GS/GSI之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)關(guān)系。 ·木材的基本密度和纖維飽和點分別與GSI有著顯著但微弱的正相關(guān)關(guān)系。隨著GSI的增大,彈性模量和比彈性模量增大而順紋抗壓強(qiáng)度和比抗壓強(qiáng)度則降低。從正常木到應(yīng)拉木,木材的紅色和黃色程度降低,顏色偏深的更接近b*軸。 ·與傾斜樹干一周其他部位相比,在GSI最大的樹干上側(cè),纖維素含量最高,而木質(zhì)素含量則相