全 文 ：第 23 卷 第 4 期
2002 年 12 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal of I nner Mongolia Agricultural University
Vol.23 No.4
Dec.2002
文章编号:1009-3575(2002)04-0012-06
马占相思木材超微构造及其皱缩
薛振华1 , 王喜明1 , 赵广杰2 , 冯利群1 , 刘晓丽1
(1. 内蒙古农业大学林业工程学院 , 呼和浩特 010018;2. 北京林业大学工学院 , 北京 100083)
摘要: 本文在观察马占相思木材超微构造的基础上 ,分析了马占相思木材在构造上容易发生皱缩的原因 ,同时
观察了马占相思皱缩材组织结构的变化 ,验证了皱缩机理;分析了温度和含水率对马占相思木材基本皱缩条件的
影响。
关键词: 马占相思; 皱缩; 超微构造
中图分类号: S781.1 文献标识码: A
COLLAPSE AND SUPER MICRO-STRUCTURE
OF ACACIA MANGIUM WILLD WOOD
XUE Zhen-hua1 , WANGXi-ming , 1 ZHAO Guan-juan2 , FENG Li-quan1 , LIU Xiao-li1
(1. College of Fo restry Engineering , Inner Mongolia Agricultural University ,Huhho t 010018;
2. Beijing Fo rest University , Beijing 100083)
Abstract: On the basement of super micro st ructure of Acacia mangium w illd w ood , the reason on collapse of
Acacia mangium w illd wood w as analy sed , ation of structure change of Acacia mangium w illd collapsed w ood was
also obserued.The collapse mechanism is examined , the ef fect of temperature and moisture content on collapse
conditions is analyzed.
Key words: Acacia mangium willd; collapse; super micro st ructure
引 言
马占相思(Acacia mangium willd )[ 1]属含羞草科 ,大乔木 ,原产澳大利亚 。该树种速生 ,树形直 ,尖削
度小 ,出材率高 ,木材密度和硬度适中;心材宽 ,呈浅褐色或褐色 ,花纹美观 。1966年 ,马来西亚和沙巴开始
引种该树种;1976年 ,尼泊尔;1977年 ,菲律宾;1978年 ,孟加拉;1979年 ,美国夏威夷;1980年 ,哥斯达黎加;
1981年 ,印度尼西亚等相继从澳大利亚引种该树种 ,并分别建立了马占相思试验林地 。1979年我国广东先
期从澳大利亚引种马占相思 ,迄今种植面积已达 1.3万 hm2 。已经成为我国热带地区人工速生林的主要树
种之一。广东省林科院 1980年种植的两株 , 1996年测量 ,树高 16.5m和 15m ,胸径 38.3cm 和 37.2 cm 。材
积0.76m 3和 0.65m3 。由于马占相思木材材质适中 ,易于加工 ,适合于制作家具 、细木工板 ,木浆 、建材等 ,但
大多以实体木材使用 ,使用前需进行干燥处理 。干燥实践证明 ,马占相思木材在干燥过程中容易产生皱缩缺
陷 ,板材产生皱缩后常伴有内裂 ,严重时使木材报废;据计算 ,由于木材发生了皱缩而使木材的利用率减少
10%～ 15%。为此 ,各国科技工作者广泛地开展了马占相思木材的干燥工艺的研究;我国著名木材干燥学家
收稿日期: 2002-04-18基金项目: 国家自然科学基金资助项目(39760063)和内蒙古自然科学基金资助项目(20001303)作者简介: 薛振华(1967-),男,讲师 ,从事木材科学与技术方面的教学与研究.
滕通濂曾对马占相思木材的干燥进行了系统的研究[ 2] ,指出:马占相思木材密度适中 ,幼龄材含量高 ,木材
干燥速度快 ,但容易产生皱缩和开裂 ,采用低温高湿基准 ,增加中间处理次数 ,对防止或减轻皱缩和内裂有明
显效果。采用气干和室干联合干燥方法 ,不仅能防止皱缩和内裂等干燥缺陷 ,而且可缩短干燥时间 ,减少能
耗 ,降低成本。本文在前人研究的基础上 ,研究了马占相思木材产生皱缩的主要原因 ,皱缩材组织结构的变
化和皱缩过程。为制定马占相思木材有效防止皱缩发生的干燥基准奠定了理论基础 。
1 材料与方法
由滕通濂研究员提供 ,试材采自海南省 ,胸径 24cm ,加工成规格为长 400mm ×宽 120mm×厚 50mm 的
板材 ,将板材的两端用铝泊纸覆盖 。测其含水率后 ,将其放在温度为 100℃的烘箱中干燥。
超微构造观察试样的制备采用徒手法 ,首先将试样用双氧水和醋酸混合溶液(1:1)浸泡 1min ～ 2min ,取
出后徒手削去表面软化层 ,制得一平整表面 ,然后喷铂金导电层 ,制得电镜观察试样 。采用S530扫描电子显
微镜进行观察。
2 结果与讨论
2.1 马占相思木材皱缩材组织结构的变化
马占相思木材气干密度为 0.54g/cm3 ,径向干缩系数为 0.178%, 弦向为 0.343%, 体积干缩系数为
0.531%,纤维平均长度为 0.91mm ～ 0.92mm ,纤维素含量平均为 78.2%～ 79.4%。局部径向抗压强度为
4.95M pa[ 1] 。
马占相思木材在干燥过程中容易产生皱缩 ,即使在气干条件下也有部分木材的某些部位发生了皱缩 ,皱
缩严重时常伴有内裂 。皱缩常发生在心材和心边材交界处 ,并使木材表面呈沟状 ,皱缩材的这种外观形状说
明 ,在 1块木材当中 ,有的木材细胞发生了皱缩 ,有的没有发生皱缩。木材细胞发生皱缩后 ,木材的整体尺寸
减少了 ,即木材的收缩量增加了 ,但此种增加不是所有木材细胞贡献的结果 ,而是部分细胞贡献的结果 。因
为正常的木材干缩是木材细胞壁失去吸着水后 ,微纤丝互相靠近的结果 ,细胞壁厚度减小了 ,但细胞腔的尺
寸一般不发生变化。整块木材的几乎所有细胞都是这样 ,然而发生了皱缩的木材就不是这样了 ,发生了皱缩
的细胞 ,首先是细胞腔被压扁了 ,而后才是细胞壁尺寸的减少:另外 ,也不是所有的细胞都皱缩了 ,而是部分
具备了皱缩条件的细胞 ,在一定的干燥条件下 ,当作用在细胞上的压力大于细胞的横纹极限抗压强度 ,木材
细胞才能皱缩。因此木材细胞皱缩具有选择性 ,并使皱缩材的表面凸凹不平。从收缩的量上看 ,因皱缩而产
生的收缩要比正常干缩的收缩量大 ,所以我们称因皱缩引起的收缩为不正常收缩 ,整个木材的收缩量是细胞
壁的干缩量和细胞腔尺寸减少的量的总和。因木材的组织结构相当复杂 ,仔细观察各个细胞的变形情况均
不一样 ,有的细胞变形量较大 ,有的细胞首先发生变形 。虽然是同一种细胞 ,但因细胞在木材中的位置不同 ,
细胞的形态不同 ,干燥工艺条件不同 ,细胞发生皱缩的时间和程度也就不同 。按照皱缩机理 ,细胞的气密性 、
饱水性和其上纹孔的微孔直径不同 ,发生皱缩的条件就不同 。根据此一理论 ,象导管这种透气性比较好的细
胞很少发生皱缩 ,其他细胞如木射线 ,因细胞壁薄 ,强度小 ,如果其上的纹孔少 ,则很容易发生皱缩 ,木纤维的
情况也是如此。但细胞皱缩的强度则与细胞在板材中的位置和干燥条件有关。处在同一位置的同一种细胞
在不同的干燥条件下有不同的皱缩形态 。
版图 9为 1根单列木射线 ,木射线细胞横切面为卵圆形 ,从细胞腔内可以明显看到木射线上的单纹孔 ,
版图 7上也反映了木射线上的单纹孔 ,纹孔较稀 ,直径平均为 2.8μm ～ 3.2μm ,纹孔内未见沉积物。版图 9
为未变形的木射线 ,木射线细胞平均直径为 9μm ,版图 3为木射线的纵向切面。从上述 3个版图可知 ,马占
相思木材中木射线上纹孔少而小 ,木射线细胞壁薄 ,这种构造决定木射线细胞在干燥过程中容易发生皱缩。
木射线细胞发生皱缩后(版图 10)沿 1个方向被压扁 ,短径变为 3μm ～ 5μm ,比未变形细胞缩短 3/2左右 ,可
见木射线细胞皱缩较为严重。图中明显可见 ,木射线细胞沿着同一方向发生皱缩 ,此方向与水分蒸发面有关
系。在一般情况下 ,毛细管张力与弯月面垂直 ,即与纹孔膜所在平面垂直。根据皱缩机理 ,木材细胞是在毛
13第 4 期 薛振华等: 马占相思木材超微构造及其皱缩
细管张力和干燥应力的联合作用下发生变形 。因水分移动方向与水分蒸发面垂直 ,在木材板面的垂直方向 ,
此方向就是木材细胞的皱缩方向。观察的结果证明了这一点 。版图 6 、11是管间纹孔 ,管间纹孔互列 ,有的
两个纹孔形成 1对 ,有的 3个纹孔形成 1对 ,属于复纹孔 ,纹孔的外形有的似卵圆形 ,有的似长圆形 ,长径为
12μm左右 ,短径为 4μm ～ 5μm 左右 ,纹孔形状为喇叭型 ,纹孔外口平均直径为 3μm ～ 5μm ,纹孔间距 8μm ～
10μm ,纹孔分布在整个导管壁上。单穿孔。导管上的纹孔分布和穿孔类型决定了导管的密封性差 ,不易发
生皱缩 。版图 5 是附物纹孔 , 附物以颗粒状和团状存在于纹孔内腔 , 堵塞了水分移动的途径 , 似合欢
(Albizzia julibrissin)木材细胞上的纹孔[ 3] ,这种纹孔在次生壁的纹孔口周围可以延伸出许多细微突起 ,形
成简单的或分歧的雕纹 ,充满在整个纹孔腔 ,从表面上看 ,纹孔上的突起物显出空隙或网状 ,有时呈颗粒状 ,
这种纹孔对光的反射和木材染色有特异的性质。纹孔内由于有颗粒状附物 ,颗粒状附物沉积在纹孔内腔 ,似
纹孔膜堵塞了自由水移动的途径 ,增加了细胞的气密性 。版图 6为导管上的纹孔 ,可以明显地看到纹孔的类
型和形状 ,是 1种典型的复纹孔 ,此种纹孔类型对于木材识别具有十分重要的意义。
版图 13是木纤维的变形情况 ,干燥实践表明 ,木纤维是皱缩最严重的木材细胞 。图中可见 ,几乎所有的
木纤维都发生了程度不同的皱缩 ,皱缩沿着 1个方向 ,与木射线细胞的皱缩情况一样 ,这与皱缩机理中提出
的毛细管张力的方向一致 。从变形的木纤维的外观形态上来看 ,虽然所有木纤维发生皱缩的方向趋向一致 ,
但木纤维的外观形状变得更加不规则 ,与未变形以前没有相似性 ,这说明木纤维上分布的纹孔不均匀 ,木纤
维细胞未变形以前就是不规则形状 ,或木纤维上各个部位的强度不均匀。
版图 12为未变形的导管和木纤维 ,从横切面上看 ,马占相思为单管孔 ,少数复管孔 ,导管横切面形状为
圆形或卵圆形 ,木纤维为多边形或卵圆形 ,导管中未见任何侵填体。版图 2为变形后的导管 ,导管被外力压
得扁平 ,但总体沿着 1个方向 ,与木射线和木纤维细胞的皱缩方向相一致 ,也与毛细管张力的方向相一致 。
2.2 含水率和温度对木材细胞皱缩条件的影响
马占相思木材在常温气干状态下木材横纹局部抗压强度为 4.95Mpa木材的含水率和温度对木材的强
度有很大的影响 ,根据木材细胞的皱缩机理 ,当作用在木材细胞上的毛细管张力大于木材细胞的横纹抗压强
度时 ,木材细胞才能发生皱缩 ,而且在木材的干燥过程中 ,由于木材发生干缩 ,毛细管半径在减小 ,含水率在
降低 ,因此木材的强度在增加 ,毛细管张力也在增加 ,这样细胞发生皱缩的条件就不一样 。根据计算结果 ,得
出马占相思木材不同温度和含水率状态下的横纹局部抗压强度 ,分别见表 1和表 2。
马占相思木材物理力学性能基本数据:(含水率 w=15%,温度 T =20℃)
局部抗压强度Ρ局部=4.95M pa 密度ρ15=0.46g/cm 3
VS=0.53%
木材密度和含水率之间的关系ρW=ρ15/ [ 1+0.01(1-vs)(15-w)]
ρ20=0.471g/cm3 ρ30=0.483g/cm3
木材的强度与温度之间的关系 δ2=δ1-n(T 2-T 1)
木材的强度与含水率之间的关系 δw =δ15/[ 1-(15-w)×0.045] [ 4]
表 1 马占相思气干材抗压强度随温度的变化
Tab.1 The change of strength of Acacia Mangium Willd with temperature
温度(℃) 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100
局部抗压强度 Mpa 4.95 4.80 4.50 4.20 3.90 3.60 3.30 3.00 2.70 2.40
表 2 马占相思木材抗压强度随含水率的变化
Tab.2 The change o f streng th of Acacia Mangium Willd w ith moisture content
含水率(%) 0 5 10 15 20 25 30
局部抗压强度 Mpa 15.23 9.00 6.39 4.95 4.04 3.41 2.95
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表 3 纤维饱和点以上抗压强度和对应毛细管半径随温度的变化
Tab.3 The change of capillary radii and stregth with temperature
温度(℃) 水的表面张力(dyne/ cm) 抗压强度(Mpa) R1min(μm) Rmin(μm)
20 72.88 2.95 0.049 0.049
30 71.40 2.80 0.050 0.051
40 69.02 2.65 0.052 0.055
50 67.54 2.50 0.055 0.059
60 66.06 2.35 0.056 0.062
70 64.58 2.20 0.059 0.066
80 63.10 2.05 0.061 0.070
90 61.62 1.90 0.065 0.077
100 60.14 1.75 0.069 0.080
根据毛细管张力的计算公式 P =2δ/ r(式中 P 为毛细管张力 ,δ为水的表面张力 , r为毛细管半径)可知 ,
毛细管张力的大小与水的表面张力成正比 ,与毛细管半径成反比 。在木材的干燥过程中 ,由于干燥室内的温
度在不断变化 ,因此 ,木材中自由水的表面张力会随着干燥温度的升高而降低 ,如仅从这一点看 ,毛细管张力
会减小 ,原来具备同样大小毛细管的细胞不会发生皱缩 ,但与此同时 ,木材的抗压强度会减少 ,其减少的幅度
比表面张力大。因此总体上 ,毛细管的直径会随着干燥温度的升高在增加 ,即产生皱缩的细胞会增多 ,这就
是为什么干燥温度越高 ,木材越容易产生皱缩 。表 3可见 ,当干燥温度为 20℃时 ,毛细管半径小于 0.049μm
的细胞能够产生皱缩 ,当温度为 100℃时 ,毛细管半径增加至 0.08μm ,毛细管半径小于 0.08μm 的细胞都具
备了皱缩的条件 ,可见皱缩细胞增加了 。
上述计算结果表明在相同的干燥温度下 ,马占相思与苹果木和杨木相比 ,杨木最容易产生皱缩 ,马占相
思和苹果木与杨木相比不易发生皱缩 ,但马占相思比苹果木要容易产生皱缩 。如:当干燥温度为 80℃时 ,马
占相思木材对应的毛细管半径为 0.070μm ,苹果木为 0.055μm ,杨木为 0.094μm ,可见在相同的温度下 ,杨
木具有皱缩条件的细胞要多一些。
3 结论
3.1 马占相思木材的导管上纹孔多 ,纹孔内有附物 ,这种附物以团状和颗粒状存在于纹孔腔内 ,堵塞了水分
移动的途径 ,因此容易产生皱缩和开裂 。
3.2 从皱缩材的组织变形情况看 ,木纤维是发生皱缩最严重的细胞 ,导管与木纤维相比不容易发生皱缩 ,细
胞皱缩的方向趋向一致 ,并与毛细管张力的方向一致 ,与板材外表面垂直。有的木材细胞皱缩比较严重 ,有
的较轻 ,有的干脆不发生皱缩 ,这就是木材细胞皱缩的选择性。
3.3 通过分析温度和含水率对木材强度的影响 ,计算了马占相思木材细胞在不同温度下 ,湿木材细胞发生
皱缩的极限毛细管半径 ,计算结果表明在相同的干燥温度下 ,马占相思与苹果木和杨木相比 ,杨木最容易产
生皱缩 ,马占相思和苹果木与杨木相比不易发生皱缩 ,但马占相思比苹果木要容易产生皱缩。如当干燥温度
为 80℃时 ,马占相思木材对应的毛细管半径为 0.070μm ,苹果木为 0.055μm ,此一值与杨木在干燥温度为
30℃时的毛细管半径相当 。
参 考 文 献:
[ 1] 林绍栾.马占相思木材的优化利用〔J〕.林产工业 , 2000 , 4.
[ 2] 腾通濂.马占相思木材的干燥〔C〕.论文集 ,上海 , 1999.
[ 3] 腰希申.中国主要木材构造〔M〕.北京:中国林业出版社 , 1988.
[ 4] Kollmann F.F.P..The principle of wood science and technology.New York Press , 1956.
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