全 文 ：第 wu卷 第 z期
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林 业 科 学
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零距拉伸技术评价木材管胞纵向抗拉强度 3
余 雁t 费本华u 张 波u
kt1 国际竹藤网络中心 北京 tsstsu ~ u1 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 把造纸领域的零距拉伸技术引入木材科学研究领域 o用于快速评价人工林杉木管胞纵向抗拉强度 ∀结
果表明 }零距拉伸试样的最佳厚度是 {s Λ° o最适宜的夹持力为 zs ³¶¬~杉木管胞的纵向抗拉强度从髓心到树皮呈增
大趋势 o但在树高方向kt1v ∗ z1v °l的差异不显著 ∀利用零距拉伸技术具有测量迅速 !可操作性强等特点 o可以作
为快速评价木材纤维纵向力学性能的新方法 ∀
关键词 } 零距拉伸 ~木材管胞 ~抗拉强度
中图分类号 }≥z{t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsz p ss{v p sw
收稿日期 }ussx p tt p s{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目/针叶材管胞的力学性质及其主要影响因子研究0kvsvzttuxl ~国家重大基础研究发展规划k|zvl子课题
/木材结构及化学组成与其品质特性的分子基础0kŠt|||stysstl ∀
3 费本华为通讯作者 ∀
Εστιµατιον οφ Λονγιτυδιναλ Τενσιλε Στρενγτη οφ Τραχηειδσ
ωιτη Ζερο2Σπαν Τενσιον Τεχηνιθυε
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kt1 Ιντερνατιοναλ Χεντερφορ Βαµβοο ανδ Ρατταν Βειϕινγ tsstsu ~ u1 Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|tl
Αβστραχτ } ׫¨ ½¨ µ²p¶³¤±·¨±¶¬²±·¨¦«±¬´∏¨ o∏¶¨§º¬§¨ ¼¯¬± ³¤³¨µ°¤®¬±ª¬±§∏¶·µ¼oº¤¶¬±·µ²§∏¦¨§·² º²²§¶¦¬¨±¦¨ µ¨¶¨¤µ¦«¬±
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Κεψ ωορδσ} ½¨ µ²p¶³¤±·¨±¶¬¯¨ ·¨¶·~º²²§·µ¤¦«¨¬§~·¨±¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«
木材纤维k管胞l是各种木材纤维复合材料的主要构成单元 o其力学性能对产品的最终性能起着重要的
作用k≤²º± ετ αλqot|{s ~¤¥²¶®¼ ετ αλqot|{t ~°∏ª¨¯ ετ αλqot||sl ∀ Šµ²²°等kt|||l证明了木材纤维的纵向抗
拉强度直接影响着中密度纤维板的力学性能 ∀纸浆纤维与纸制品的力学性能之间存在着密切关系 o纤维本
身强度对于纸张的抗拉强度具有与纤维间结合强度同等的重要性 o这一点已经被许多研究所证实 k≤¯ ¤µ®o
t|xw ~„®®¨µετ αλqot|x{l ∀ ≤¯ ¤µ®¨ kt||xl认为了解木材纤维力学性质在树木中的变异规律对木材纤维Π塑料
复合材料和制浆造纸领域对木材纤维的选择性利用 o改善产品性能具有重要意义 ∀
零距拉伸的思想来源于造纸领域 ∀其原理是 }在零距状态拉伸时 o纸张的断裂完全是由横跨夹具交界面
两端纤维的断裂所致 o排除了正常间距拉伸断裂时纤维拔出的影响 o从而直接评价纤维的抗拉强度 ∀在制浆
造纸领域 o通常使用零距抗张强度试验仪对按一定标准制作的手抄片k«¤±§¶«¨ ·¨¶l进行零距拉伸测试 o从而
快速评价纸浆纤维的抗拉强度 ∀自从 us世纪 zs年代初 o°∏¯°¤¦公司研制出为制浆造纸业普遍接受零距抗
张强度测试仪以来 o零距抗张强度逐渐成为评价纸张力学性能的一项重要指标 ∀我国在 t||w年也制定了
5纸浆和纸零距抗张强度测定法6的国家推荐标准kŠ…Π× uyz{1w p |wl ∀
零距拉伸主要基于 v个假设 }tl零距拉伸状态时 o断裂由横跨夹具交界面的纤维断裂所致 o排除正常间
距拉伸时的纤维断裂 ~ul忽略纤维间结合力的影响 ~vl可以确定纤维取向效应的影响 ∀对于第一个假设 o拉
断试样断口显微观察表明可以保证 ∀对于第二个假设 o早期很多研究者认为 o纸张纤维处于饱水状态时 o纤
维之间的结合力可以忽略不计 o但近年来随着研究的深入 o更多的试验数据和电镜显微图像观察kŠ∏µ±¤ª∏¯ ετ
αλqot|{| ~≥²µ¬¤±² ετ αλqot||y¤~t||y¥l证实 }特定含水率状态的纤维强度值只能是该状态下的测试值 o湿拉
伸并不能反映干拉伸状态下的纤维强度值 ∀而第三个假设 o对于木材微切片 o由于纤维的纵向平行排列 o可
以与加载力的方向一致 o取向系数为 t ∀所以如果能测出试样断口的胞壁物质面积 o就可以得到木材管胞的
纵向抗拉强度 ∀
本研究借鉴零距拉伸技术评价纸浆纤维强度的思想 o从理论上探讨运用零距拉伸技术测量天然态管胞
纵向抗拉强度的可行性 o通过试验确定了样品的尺寸规格 !试验条件和操作程序 o并在此基础上研究了人工
林杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl管胞纵向抗拉强度的变异规律 ∀
t 材料与方法
111 材料
人工林杉木取自江西大岗山试验林场 o树龄 vy年左右 ∀在采样点内选取 w株生长状况良好的树木 ∀在
每株树的 t1v !v1v !x1x !z1v °处各取一个 xs °°厚的圆盘 o沿南北向过髓心锯取宽为 tx °°的长条 o取北向
部分作为试验材料 ∀
112 方法
用零距拉伸仪器测出木材微切片的抗张强度 o根据试样断口处胞壁物质的面积 o即可以得到木材细胞壁
的纵向抗拉强度 o即管胞的抗拉强度 ~而试样断口处细胞壁的面积则可以通过胞壁率估算得到k余雁 oussvl ∀
理论上计算公式为 }
Σ¦¨¯¯ €
Θ¦¨¯¯Θ
Λ
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σkξl§ξ
Θ¦¨¯¯ Λ €
µ
Θ¦¨¯¯ Λ
结合零距拉伸试验仪器所提供的基础公式 o得到管胞的纵向抗拉强度计算公式 }
Τ¶ € kπ p πslΘ¦¨¯¯ v1x|| tΘηω
式中 }π为仪器读数值 o³¶¬~πs 为仪器设定值 o根据采用的夹距取 t1| ³¶¬~Θ¦¨¯¯ }细胞壁密度 o取 t1xtx ª#¦°pv
k成俊卿 ot|{xl ~Θ为微切片气干密度 oª#¦°pv ~ η为微切片厚度 oΛ° ~ω为微切片宽度 o°° ~Τ¶为管胞纵向抗
拉强度 o°¤~µ 为微切片的质量 oª~Λ为微切片的长度 o°°∀
113 样品制备与测量
毛坯条锯切刨光后 o厚度为 vs °° o宽度为 z1x °° o置于蒸馏水中浸泡约 v §o每天换水 t次 ∀用滑走式
切片机kusss• o¨¬¦¤o Š¨ µ°¤±¼l在年轮较宽的早材区域切制厚度为 {s Λ°k确定最佳厚度时切取了 ys !{s !
tss !txs !vss Λ°l的弦切片 tx ∗ us片k图 tl o然后夹在载玻片中间气干 o取样尽量均匀分布在该年轮的整个
早材区域 ∀测试前将样品放在温度 us ε !相对湿度 yx h的调温调湿箱内平衡 uw «o试样最终含水率为 tu h ∀
测量每个微切片的质量 o精确到 s1sss t ªo在每个微切片上沿长度方向均匀取 w点用分辨率为 t Λ°的数显
螺旋测微器k¬·∏·²¼²oŒ³yx o¤³¤±l测量试样的实际厚度 o选择其中厚度差异小于 v Λ°的试样备用 ∀
图 t 零距拉伸试样的制作示意图
ƒ¬ªqt ≥¦«¨ °¤·¬¦µ¨³µ¨¶¨±·¤·¬²± ²©¶¤°³¯¨
³µ¨³¤µ¤·¬²±©²µ½¨ µ²2¶³¤± ·¨±¶¬²± 图 u 零距抗张强度测试仪及其夹具
ƒ¬ªqu  µ¨²2¶³¤±·¨±¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«·¨¶·¨µ¤±§¬·¶ªµ¬³¶
由于人工林杉木晚材率较小 o一般 tv1w h ∗ tz1u h k鲍甫成等 ot||{l o而且晚材部分较硬 o制样时成功率
较低 o所得样本数较少 o因此在分析管胞纵向抗拉强度变异规律时主要取早材部分 ∀
w{ 林 业 科 学 wu卷
强度测试所用仪器为 °∏¯°¤¦公司生产的零距抗张强度测试仪 o在其夹具的端部有 u个凸起 o便于夹紧
试样 ∀当装上试样以后 o夹具端头相互紧密接触 o并于底座之间形成一定压力 o即夹持力 o力大小可调 ∀试验
时要求端头的紧密接触 o从夹具上部看不到下部光源的光线 o这样才能保证所谓的零距拉伸k图 ul ∀
图 v 试样厚度对零距抗拉强度的影响
ƒ¬ªqv ׫¨ ©¨©¨¦·¶²©¶¤°³¯¨·«¬¦®±¨ ¶¶
²±·«¨ ½¨ µ²2¶³¤± ·¨±¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«
u 结果与分析
211 试样厚度的确定
零距拉伸作为一种管胞抗拉强度的测试方法 o试验过程中 o要求
切片厚度大于 t个而小于 u个管胞径向直径 o而且试样夹持状况良
好 ∀人工林杉木成熟材和幼龄材的早材管胞径向直径 wu1ws ∗ wx1uu
Λ°k鲍甫成等 ot||{l o所以试样厚度最好介于 xs ∗ tss Λ°∀图 v是在
夹持力为 |s ³¶¬时 ys !{s !tss !txs !vss Λ°厚度微切片的管胞纵向抗拉
强度值 oΝ为测试样个数 o可见对于杉木试样厚度为 {s Λ°时管胞纵
向抗拉强度值最大 ∀而且研究过程中还发现 o如果厚度太小 o夹持力
容易压溃夹紧处的细胞壁 o会明显降低试样的零距断裂力 ~如果厚度
过大 o试样容易在夹具内发生一定的滑移 o同时容易产生纤维的不完
全断裂 o产生纤维的拔出现象k这一点可以在试样断口的电镜观察中
得到证实 o图 wl ∀从图 w中可以明显看出 }试样的厚度越大 o纤维拔出
的现象越明显 o特别是试样厚度达到 vss Λ°时 o可以观察到有成簇纤维拔出 ~而厚度为 txs Λ°时 o纤维拔出
也时有出现 o但一般以单根纤维的形式零星分布 ~当厚度小于 tss Λ°以后 o纤维拔出现象已不明显 ∀结合切
片机切片情况k为 us Λ°的整数倍时操作方便l和管胞径向直径最后确定试样的最佳厚度为 {s Λ°∀
图 w 不同厚度零距断裂试样的电镜照片k ≅ txsl
ƒ¬ªqw ≥∞ °¬¦µ²ªµ¤³«¶²©©µ¤¦·∏µ¨ ¶∏µ©¤¦¨ ²©¶¤°³¯ ¶¨º¬·«§¬©©¨µ¨±··«¬¦®±¨ ¶¶µ¨¶∏¯·¬±ª©µ²° ½¨ µ²2¶³¤± ·¨±¶¬²±
212 夹持力的确定
零距拉伸测量管胞的纵向抗拉强度时 o适当的夹持力对获得正确的结果极为重要 ∀夹持力太小 o木材微
切片拉伸时可能在夹具内滑移 o例如 us ³¶¬时微切片会轻易从两夹头间滑脱 ~如果夹持力太大 o过大的应力
集中会造成管胞的强度降低 ∀图 x是夹持力为 ys !zs !{s和 |s ³¶¬时 {s Λ°厚度微切片的纵向抗拉强度值 o
图中每个点为 tx个测试样的平均值 ∀可见夹持力为 zs ³¶¬kw{v ®°¤l 时试样的零距抗拉强度值最大 ∀因此
选择 zs ³¶¬kw{v ®°¤l作为 {s Λ°厚木材微切片的最佳夹持力 ∀
213 管胞纵向抗拉强度的变异规律
用零距拉伸技术所得杉木早材管胞纵向抗拉强度值介于 vss ∗ yss °¤之间k图 yl o其中管胞纵向抗拉
强度的值为 w株相同高度处的平均值 o显著大于木材的宏观试件抗拉强度 zs ∗ {s °¤o与 ²·等kussul利用
单根纤维拉伸测量美国南方松所得值 ysw °¤相接近 ∀
从图 y中还可得出 o杉木管胞纵向抗拉强度在径向上从心材到边材总体上有增大趋势 ∀一般从髓心向
外强度值迅速增加 o到第 ts年后基本趋于稳定 o反映了树木进入正常生长阶段 o内部组织结构趋于稳定 o材
质趋于优良 ∀这与 ²·等kussul对单根纤维微拉伸方法研究火炬松k Πινυσταεδαl管胞纵向模量和强度的单
株变异规律结果相一致 ∀在高度方向上从 t1v °到 z1v °管胞纵向抗拉强度值没有显著的变化 o可以看出
x{ 第 z期 余 雁等 }零距拉伸技术评价木材管胞纵向抗拉强度
在胸高以上位置 o同一年轮不同高度管胞的强度值基本趋于稳定 ∀
图 x 夹持力对零距拉伸强度的影响k厚度 }{s Λ°l
ƒ¬ªqx ׫¨ ©¨©¨¦·²©©²µ¦¨ ²±·«¨ ½¨ µ²2¶³¤±
·¨±¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«k·«¬¦®±¨ ¶¶}{s Λ°l
图 y 不同高度早材管胞抗拉强度变异
ƒ¬ªqy •¤§¬¤¯ √¤µ¬¤·¬²± ²©·¨±¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«²© ¤¨µ¯¼º²²§
·µ¤¦«¨¬§¶¤·√¤µ¬²∏¶·µ¨¨«¨¬ª«·¶
v 结论
tl零距拉伸技术可以用来研究管胞纵向抗拉强度 o作为相比较单纤维拉伸更为迅速 !更具可操作性的技
术 o可能成为一种测量木材微观力学的新方法 ~
ul对于人工林杉木 o管胞纵向抗拉强度介于 vss ∗ yss °¤之间 o平均为 wys °¤o零距拉伸试样的最佳
厚度是 {s Λ° o最适宜的夹持力为 zs ³¶¬~
vl早材管胞纵向抗拉强度从髓心到树皮呈增大的趋势 ots年以后基本稳定 ~
wl早材管胞纵向抗拉强度在树高方向kt1v ∗ z1v °l差异不显著 o没有明显的变异规律 ∀
参 考 文 献
成俊卿 qt|{x1 木材学 q北京 }中国林业出版社 oyvt
鲍甫成 o江泽慧 qt||{1 中国主要人工林树种木材性质 q北京 }中国林业出版社 ox
余 雁 qussv1 人工林杉木管胞的纵向力学性质及其主要影响因子研究 q中国林业科学研究院博士学位论文 ot p w
„®®¨µ∂ ⁄o¤·«µ²³„ o ∂²¨ ®¯¨ µ ‹ o ετ αλqt|x{1 Œ°³²µ·¤±¦¨ ²©©¬¥¨µ¶·µ¨±ª·«¬± ³¤³¨µqפ³³¬owtk{l }wty p wux
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²·oŠµ²²° ‹ o≥«¤¯ µ¨≥  qussu1  ¦¨«¤±¬¦¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶²©¬±§¬√¬§∏¤¯ ¶²∏·«¨µ± ³¬±¨ ©¬¥¨µ¶q°¤µ·µ } ≤²°³¤µ¬¶²± ²© ¤¨µ¯¼º²²§¤±§ ¤¯·¨º²²§©¬¥¨µ¶º¬·«
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°∏ª¨¯ „ ⁄o°µ¬¦¨ • Š o‹¶¨ ≤ ≠ qt||s1 ≤²°³²¶¬·¨¶©µ²° ¶²∏·«¨µ± ³¬±¨ ­∏√¨ ±¬¯¨ º²²§q°¤µ·´ }°¤±¨ ¯©¤¥µ¬¦¤·¬²± ¤±§¬±¬·¬¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶qƒ²µ¨¶·°µ²§owsktl }
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k责任编辑 石红青l
y{ 林 业 科 学 wu卷