杉木早晚材黏弹性与构造因子间关系研究
木材宏观黏弹行为是其组织构造、细胞参数及细胞壁分子结构等的综合反映，本研究在生长轮尺度上研究木材黏弹性，从细胞水平探讨木材结构与黏弹性之间的关系，旨在揭示木材黏弹行为的作用机制。 本论文以25年生人工林杉木（Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.）的第3和6生长轮（心材）及第14和18生长轮（边材）为研究对象，采用X射线剖面密度仪测定早材和晚材的全干密度，利用光学显微镜测定早材和晚材的管胞胞壁率，通过X射线衍射仪测定早材和晚材的微纤丝角，最后采用动态力学分析仪分别测定早材和晚材的弹性模量、贮存模量和损耗模量。一方面，比较同一生长轮内早材与晚材之间的细胞结构与性能;另一方面，分别探讨早材与晚材的细胞结构与性能随树龄的变化规律，最终揭示密度和微纤丝角与弹性模量、贮存模量和损耗模量之间的关系。本论文所得主要结论如下: (1)在同一生长轮内，与早材相比，晚材的全干密度和管胞胞壁率均较大。随着树龄的增加，早材的全干密度和管胞胞壁率均基本恒定，而晚材的全干密度和管胞胞壁率均呈增大的变化趋势。此外，晚材的全干密度与管胞胞壁率之间呈正相关关系。 (2)边材（第14和18生长轮）同一生长轮内的早材微纤丝角略大于晚材，而心材（第3和6生长轮）同一生长轮内的早材微纤丝角比晚材小。早材和晚材的微纤丝角均随着树龄的增加而减小，从第3至第18生长轮，早材微纤丝角从14.69°减小至11.06°，晚材微纤丝角从16.73°减小至10.64°。 (3)在同一生长轮内，与早材相比，晚材的弹性模量与贮存模量均较大，这是因为晚材相比于早材具有更大的密度。 (4)随着树龄的增加，早材和晚材的弹性模量与贮存模量均呈增大的变化趋势。从第3至第18生长轮，早材弹性模量从970.9MPa增大至1843.8MPa，晚材弹性模量从2352.3MPa增大至8896.1MPa，早材贮存模量(20℃、5Hz)从1573MPa增大至3719MPa，晚材贮存模量从4268MPa增大至12938 MPa。一方面，早材密度几乎不变，早材的弹性模量、贮存模量与密度之间无相关性，而晚材的弹性模量、贮存模量与密度之间均呈高度正相关关系。另一方面，早材与晚材的细胞壁弹性模量、贮存模量与微纤丝角之间均呈高度负相关关系。因此，微纤丝角是影响早材弹性模量和贮存模量的关键因子，晚材的弹性模量和贮存模量由密度和微纤丝角二者共同决定。 (5)早材和晚材的贮存模量随着温度的升高而降低。与晚材相比，早材贮存模量的降低程度较小。随着测量频率的增加，早材和晚材的贮存模量均略有增大，损耗模量均略有减小。 (6)同一生长轮内，与早材相比，晚材的损耗模量较大。早材和晚材的损耗模量均随树龄的增加而增大。在测量温度范围内（-120～120℃），4个生长轮的早材和晚材均出现了2个力学松弛过程:一个是出现在12℃附近的α力学松弛过程，其力学损耗峰温度无频率依存性，关于它的分子运动归属目前尚未有统一定论，推测是由低分质量的半纤维素发生玻璃化转变所致;另一个是出现在温度范围为-64～-38℃内的β力学松弛过程，其力学损耗峰温度随着测量频率的增加移向高温方向，是基于木材细胞壁无定型区中伯醇羟基的回转取向运动引起的。 (7)在同一生长轮内，对α力学松弛过程而言，晚材比早材的力学损耗峰温度略大。对β力学松弛过程而言，力学损耗峰温度则表现为早材大于晚材。随树龄增加，早材的α和β力学损耗峰温度均基本恒定。晚材的α力学损耗峰温度也基本恒定，但心材（第3和6生长轮）比边材（第14和18生长轮）的晚材β力学损耗峰温度高。 (8)与边材（第14和18生长轮）相比，心材（第3和6生长轮）的早材和晚材发生力学松弛过程所需的表观活化能较高，这主要是由微纤丝角与抽提物含量二者共同作用所决定。一方面，与心材相比，边材的微纤丝角较小，从而使得边材细胞壁在受拉伸载荷作用时纤维素分子链上的伯醇羟基进行回转取向运动需克服更多的位垒障碍，即需要更多的能量才能使基团活化得以运动。另一方面，心材的抽提物含量相较于边材多，沉积在细胞壁中的抽提物可与细胞壁中相关化学组分连接或发生共聚反应，限制了细胞壁中分子基团的运动，从而使得分子运动单元活化及运动需耗散的能量增加。因此，β力学松弛过程的表观活化能值取决于微纤丝角与抽提物含量对其影响的净效果。在本研究中，这种净效果表现为“高抽提物含量引发高表观活化能”占主导，从而使得心材相较于边材的β力学松弛过程所需的表观活化能较大。
杉木;黏弹行为;组织构造;细胞参数;生长轮尺度
中国林业科学研究院
硕士
木材科学与技术
蒋佳荔
2018
中文
S781.1
78
2018-11-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）