全 文 ：第 v|卷 第 v期
u s s v年 x 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤„∞
∂²¯1v| o‘²1v
¤¼ou s s v
利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度
纤维板的细胞裂解理论研究
马 岩
k东北林业大学林业与木工机械技术工程中心 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采用人造板微观力学和木材细胞学理论 o提出了一种利用定向重组微米木纤维技术形成超高强度
人造板的细胞裂解理论和强度参数预测方法 ∀应用提出的理论 o可以根据纤维 !木质素 !细胞直径和排列的程
度 o建立理想状态下微米重组高强度定向纤维板木纤维细胞在定向重组微米技术形成超高强度人造板的细
胞裂解理论 o为人造板力学运用数学手段深入到细胞结构研究的深度提供了一种新的理论和方法 ∀
关键词 } 细胞 o纤维 o重组 o高强度 o纤维板
收稿日期 }usst p tu p tt ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kvstzszxtl ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΧΕΛΛ ΒΡΕΑΚ ΤΗΕΟΡΨ ΟΦ ΥΣΙΝΓ ΩΟΟ∆ ΦΙΒΡΕ ΜΙΧΡ Ο2ΜΕΤΕΡ
ΑΛΙΓΝΕ∆ ΡΕΧΟΝΣΤΙΤΥΤΕ∆ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΦΟΡ ΜΙΝΓ ΣΥΠΕΡ
ΗΙΓ Η2ΙΝΤΕΝΣΙΤΨ ΩΟΟ∆2ΒΑΣΕ∆ ΠΑΝΕΛ
¤ ≠¤±
k Φορεστρψανδ Ωοοδ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ Τεχηνολογψ Χεντεριν Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ׫¨ ·«¨²µ¼ ²© º²²§2¥¤¶¨§³¤±¨ ¯ °¬¦µ²2°¨ ¦«¤±¬¦¤¯ ¤±§ º²²§2¦¨¯¯ º¤¶¤§²³·¨§o¤±§ ¦¨¯¯ ¥µ¨¤®·«¨²µ¼ ¤±§
¬±·¨±¶¬·¼ µ¨©¨µ¨±¦¨ ¦¤¯¦∏¯¤·¬²± °¨ ·«²§·«¤·∏¶¬±ªº²²§©¬¥¨µ¤¯¬ª±¨ §µ¨¦²±¶·¬·∏·¨§°¬¦µ²2°¨ ·¨µ·¨¦«±²¯²ª¼©²µ°¶¶∏³¨µ«¬ª«2
¬±·¨±¶¬·¼ º²²§2¥¤¶¨§³¤±¨ ¯ º¤¶³∏·©²µº¤µ§¬±·«¬¶³¤³¨µq˜¶¬±ª·«¨ ·«¨²µ¼ o¤¦¦²µ§¬±ª·²©¬¥¨µo¯¬ª±¬±o§¬¤°¨ ·¨µ²©¦¨¯¯ ¤±§
·«¨ ¤µµ¤±ª¨ °¨ ±·¨ ¬·¨±·o׫¨ ¦¨¯¯ ¥µ¨¤®·«¨²µ¼ ¦¤± ¥¨ ¥∏¬¯··«¤·°¬¦µ²2°¨ ·¨µµ¨¦²±¶·¬·∏·¨§«¬ª«2¬±·¨±¶¬·¼ ¤¯¬ª±¨ §©¬¥¨µ¥²¤µ§
º²²§2©¬¥¨µ¦¨¯¯ ©²µ°¶¶∏³¨µ«¬ª«2¬±·¨±¶¬·¼ º²²§2¥¤¶¨§³¤±¨ ¯ ∏¶¬±ª·«¨ ¤¯¬ª±¨ §µ¨¦²±¶·¬·∏·¨§ °¬¦µ²2°¨ ·¨µ·¨¦«±²¯²ª¼¬±·«¨
¬§¨¤¯ ¶·¤·¨qŒ·³µ²√¬§¨§¤ °¤·«¨ °¤·¬¦¤¯ °¨ ·«²§©²µ·«¨ µ¨¶¨¤µ¦«²©º²²§2¥¤¶¨§³¤±¨ ¯ °¨ ¦«¤±¬¦¤¯ oº«¬¦« °¤§¨ ¬·ª² §¨ ³¨¯¼
¬±·²·«¨ ³µ²©∏±§¬·¼ ²©¦¨¯¯ ¶·µ∏¦·∏µ¨ º¬·« °¤·«¨ °¤·¬¦¶°¨ ·«²§q
Κεψ ωορδσ} ≤¨¯¯ oƒ¬¥¨µo• ¦¨²±¶·¬·∏·¨§o‹¬ª«¬±·¨±¶¬·¼oƒ¬¥¨µ¥²¤µ§
木材是 w种常用工程材料k钢材 !石材 !塑料 !木材l中唯一可再生的材料 o人类天然资源的日趋枯
竭 o前 v种天然材料的耗尽之日仅仅是时间问题 ∀随着人类环保意识的增强 o多数发达国家的木材资源
几乎都进入良性循环 ∀中国随着天然林保护工程的深入 oxs年以后 o中国木材资源也会和发达国家一
样进入良性循环 o人类木材采之不尽 !用之不绝之日即将到来 ∀木材现代加工技术的发展 o利用木材制
成和普通钢材强度近似的高强度木材 o在特定场合k绝缘 !绝磁 !保温 !轻结构 !各向异性 !有纹理要求等
场合l替代钢材 o在未来不可再生的矿物资源原料枯竭之时全面替代钢材 !石材和塑料 o是现代木材加工
技术的前沿课题 ∀
t 问题的提出
如果要将木材制成和普通钢材强度近似的材料 o必须改变现有木材的细胞结构 ∀随着木材生物细
胞学理论的深化 o木材加工机理的研究将日趋深入到细胞和纳微米纤维结构的研究水平 ∀木材力学性
能的传统分析理论中 o早在 tss多年以前 o人们就发现木纤维的单丝强度和普通钢材完全近似 o木材的
断裂长度高于许多金属材料k科尔曼等 ot||tl ∀木材的强度之所以低于钢材是由于木材缺陷的存在 o木
材细胞组织的大小远远大于钢材 o细胞排布的方式和金属完全不同 o木材六棱形空心形状对弹性模量和
强度的影响降低了木材的强度 ∀在纳微米技术发展的今天 o利用木材微米木纤维的加工技术 o通过改变
木材的细胞结构来获得完全没有缺陷的木纤维 o在近似纯木纤维的条件下 o通过微米木纤维的定向重组
加工 o就可以制造出单丝强度近似于钢材的微米重组定向纤维板k马岩 ousstl ∀
在传统木材的改性技术研究中 o人们要通过木材细胞的组成结构变化来改变木材的材性k⁄¬¤² ετ
αλqot||yl ∀人造木质复合材料也要通过改变木材的细胞组成和细胞变异形成新的人造材料k≤¤¯ ∏¯° ετ
αλqot|||l ∀在木材纳微米加工技术的研究中 o微米重组定向纤维板通过彻底改变木材细胞结构的形
状 o通过细胞变异过程和利用微米加工清除缺陷 o剔除影响强度的低强度纤维组织 o需要先从数学描述
理论和方法上确定微米木纤维的形成方法 o从而确定最佳的纳微米纤维的加工方法 ∀
u 微米重组定向纤维板构成的基本思想
木纤维的单丝强度和普通钢材近似 o但木材总体构成以后 o其强度仅为普通钢材的 ts h左右 ∀这
种由于结构上的缺陷导致强度的下降是可以通过结构的重组来弥补的 ∀如果将木材细胞的空腔消除 o
空腔内影响强度的胶液体排除 o降低强度的木质素和缺陷等剔除 o将高强度的微纤丝按钢材组成的密度
重组 o这样的木材就可以和普通钢材具有相同的强度 ∀
木材横断面的规则细胞结构是由纤维素 !木质素等组成 o在光学显微镜下 o细胞壁分为胞间层 !初生
壁和次生壁 ∀从木材显微照片可以看出 o多数木材横断面呈椭圆蜂窝状 ∀从单个细胞的数学模拟可以
定量地分析微纤丝含量的确切百分比 o定量地分析不同胞壁厚度可能对木材性能的影响k¤¨ ®¤º¤ ετ
αλqot||v ~„§¼¤ ετ αλqousstl o定量地分析细胞椭圆度对细胞性能的影响k˜ª¤¬ ετ αλqot|||l o定量地分析
不同细胞分布形式可能对木材性能的影响 o定量地分析胞腔内胶体 !糖类和水份可能对木材性能的影响
k马岩 ousstl o使细胞分析在数学模拟的基础上实现计算机仿真 o从完全依赖显微镜的定性分析和人为
猜断向数学模拟及计算机仿真的定量和逻辑推理的科学判定的方向发展 ∀
木材规则细胞大小和形状的数学分析是细胞重组和裂解的基础 o是细胞的排列完全满足超高强度
微米重组定向纤维板要求的前提 ∀因此 o完成规则单个细胞形状的数学描述 o对规则细胞中心位置的数
学描述方法进行进一步的探讨 o以便简化规则细胞的整体数学描述 o从微观入手 o讨论木材宏观状态的
性能参数是微米重组定向纤维板的基础 ∀
v 木材细胞的数学描述理论
由于木材是各向异性的 o按复合材料力学划分 o可以假设木材是近似横观各向同性材料 ∀在这样的
假设条件下就可以建立木材的微观规则细胞木纤维形状的数学模型k马岩 oussul }
k δs p ∃lu [ ΑΞu ? ΒΞΨ n ΧΨu [ Φδus
w Ξu [ δus
{
v Ψ [ δ
u
s
ktl
k δt p ∃lu [ wΨu [ δut
ty Ξu [ δus
kul
ρus [ Ξu n Ψu [ kρs n ∆lu
p ∃u [ Ψ [
∃
u
δs
u [ Ξ [ p kρs n σl
ρs n ∆ [ Ξ [ δsu
kvl
utt 林 业 科 学 v|卷
kρs n ∃lu [ Ξu n Ψu [ δ
u
s
w
? Ξ p ∃ [ Ψ [ ? Ξ n ∃
kwl
式中 δs 为细胞横断面椭圆外廓包络圆直径 ~δt 为细胞横断面外廓宽度 ~∃为细胞横断面外壁胞间层和
初生壁厚度之和 ~Ξ !Ψ为单个细胞横断面的坐标变量 ~ρs 为细胞胞管半径 ~∆为细胞胞管具瘤层厚度 ~
Α!Β !Χ!Φ为方程的常系数 ∀
在ktl式中 o如果当 δt € s q{yy δs 时k见图 tl oΑ€ Β € w ~Χ€ Φ€ tk细胞结构最简单的一种结构形
式l o这个细胞模型形状近似于六棱椭圆 ∀方程ktl表示的是图 t六棱外形的 {条斜边包络的区域 ∀kul
式表示的是图 t六棱形外形的 w条直线包络的区域 ∀kvl式表示的是图 t圆柱形外形的内外圆包络的
区域 ∀包络区域内的材料假设定义为木纤维中的微纤丝 o六棱形胞壁内和胞管外之间及胞管内包络区
域的物质是果胶脂 !水分 !糖类化合物等 ∀kwl式是外六棱和中间圆柱形之间间隔的数学描述方程 ∀有
了ktl ∗ kwl式以后 o就可以定量的计算木纤维和基体的体积比例 o分析各自对木材材性和变异规律的影
响 o可以进行微米重组定向纤维板重组过程的细胞变异的理论分析 ∀
图 t 木材规则细胞微观结构
ƒ¬ªqt ¬¦µ²¶·µ∏¦·∏µ¨ ²© º²²§µ¨ª∏¯¤µ¦¨¯¯
w 微米重组高强度纤维板细胞壁厚的确定理论
根据提出的数学描述理论 o可以定量求出细胞壁厚 o由于不同树种的细胞壁厚不同 o具体树种要具
体分析 ∀本文以柳杉为例 o分析计算如下 }由成俊卿kt|{xl文章图版 z p x中可得柳杉的横断面显微图
片 o从显微图片中可以查出 o在 u °° ≅ u °°内有 yt行和 yt列的规则细胞 o合计约有 v zut个规则细胞 o
按比例细胞当量圆直径 δs 约为 s1svz °° o和k科尔曼 ot||tl书中给出的 s1svv °°近似 ∀由马岩kusssl
一文分析结果可近似得 }纤维素在规则细胞中占的比例约为 wt h o半纤维素和木质素约占 vv h ~由马岩
等kusssl另文kvl式可求出 }木纤维约占规则细胞体积的 zw h ~由马岩等kusssl文章的kyl式可求出果胶
脂 !水分 !糖类化合物等约占 uy h ∀对于木材来讲 o当木纤维占 zt h以后 o从ktl ∗ kwl式的分析可知 }假
设认为 ∆和 ∃相等k实际相差极小l o根据图 t所示的细胞结构 o取 }ρsδs € s1tux o可以求出 }
∃
δs € s1s|u ∀
当 δs € s1svz °°时 o∃ € s qssv w °°∀当然在没有数学模型的情况下 o可以类比图片面积的比例求出 ∆
和 ∃的大小 o也可以由更高倍的电镜实验量出 ∆和 ∃的大小 ∀求出 ∆和 ∃的大小以后 o就可以定量的
分析木材的横断面显微规则细胞的纤维分布和确定细胞剖分的最佳位置 ∀由于本文是初探 o实验数据
的样本不足 o本例仅为说明模型的数学意义 o科学的论证还要由大量的实验进行充分的科学根据的计算
得出论证结论 ∀
x 微米重组高强度纤维板纤维细胞剖分位置确定的定性分析
在确定细胞壁厚以后 o细胞数学模型将建成 ∀在传统的纤维形成过程中 o由于纤维加工的端面尺寸
达不到微米级 o使纤维细胞结构没有破坏 o在加压的过程中 o纤维丝的细胞结构仍然是没有破坏六棱形
vtt 第 v期 马 岩 }利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究
的结构 o从图 u中可以看出 o传统的纤维形成过程中 o细胞基本没有压溃 ∀纤维板加工时在热压的过程
中想通过压机压碎细胞是不可能的 ∀
图 u 传统纤维板中纤维的
端面细胞结构
ƒ¬ªqu ƒ¬¥¨µ¦µ²¶¶¶¨¦·¬²± ¦¨¯¯
¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·µ¤§¬·¬²±¤¯ ©¬¥¨µ¥²¤µ§
一般在传统压缩木加工中 o表面压力在达到近 us °¤时 o木材的细胞才可
能出现压溃细胞的结构压缩后形成压缩木的高强度 ∀在进行重组木的木束碾
压过程中 o对木束的碾压力进行精确的理论分析 o当压力达到 ts °¤时 o细胞
六棱形的这种稳定结构也没有压溃现象出现 ∀因此 o要想彻底消除木材的微
观缺陷 o破坏木材细胞的组成结构 o就要使纯纤维丝处于独立分布的结构以后
再重组 o才可以形成微米重组高强度定向纤维板 ∀
传统热磨机磨出的木纤维端面尺寸在 s1t ∗ s1x °°之间 o一般相当于图 u
所示的结构 ∀如果沿木材顺纹刨片时 o将刨切厚度定义在 s1u ∗ s1w δs 之间 o图
u的纤维刨片结构就变成下列的 v种k如图 v所示l情况 }
图 v 微米木纤维加工后的细胞变化
ƒ¬ªqv ≤¨¯¯ √¤µ¬¤·¬²± ¤©·¨µ°¬¦µ²° ·¨¨µº²²§©¬¥¨µ³µ²¦¨¶¶¬²±
不论哪种情况 o都不会出现整个细胞的结构 ∀这样由细胞壁构成的纤维丝 o在一般纤维板热压的压
力作用下就可以将其展开成图 w所示的形式 }
图 w 加工到微米以后木纤维压缩加工后的细胞变化
ƒ¬ªqw ≤¨¯¯ √¤µ¬¤·¬²± ²© º²²§©¬¥¨µ¤©·¨µ¦²°³µ¨¶¶¬²± ³µ²¦¨¶¶·² °¬¦µ²°¨ ·¨µªµ¤§¨
由于在纤维的刨片阶段就将纤维加工到微米级 o并针对不同树种选取不同刨片厚度k不同树种的
δs 相差极大l o使纤维的六棱形结构在刨削加工时就完全破坏 ∀刨片是小刀楔角刨切 o切削功率小 o而
热磨是大楔角 !甚至是负前角加工 o功率损失相当大 o因此 o微米重组高强度定向纤维板生产线的备料功
耗可能远远小于热磨加工的功耗 ∀最主要的是按图 v结构形成纤维在热压时可以完全压缩紧密 o而图
u形式的细胞结构在热压时是完全压不开的 ∀
当纤维加工到图 v形式时 o木材的所有缺陷都可以很容易的剔除 ∀在经过筛分以后 o合格的木纤维
都可以认为是达到了单丝理想强度的微米木纤维 o这样的木纤维经胶合 !定向铺装和热压以后 o适当加
大压缩比 o其强度就可以达到或接近普通钢材的水平 ∀
y 微米重组高强度定向纤维板强度的理论预测
在定性分析了形成微米重组纤维的方式之后 o根据纤维重组的理想方式就可以定量的推测微米重
组高强度纤维板的主方向弹性模量的数值 ∀假设 }微米重组纤维丝在加工到微米级别以后处于理想单
丝结构状态 o其强度满足单丝强度的实验数值 ~在铺装的过程中 o微米木纤维和该板主方向铺装角为 sβ o
充填饱和 o接触系数 χ € tk马岩 ot||xl o经筛分 !碾压以后缺陷将完全剔除 ~微米木纤维经胶合热压以
后 o胶合面结合强度大于纤维丝横向结合强度 o胶合将加强原微米木纤维材质的横向强度 o对木纤维的
纵向强度影响满足复合材料力学分析理论的基本假设 ∀
在满足上述基本假设以后 o微米重组高强度定向纤维板的主方向弹性模量可由下式求出 }
Εt € Εφςφ n Εµ ςµ kxl
式中 Εφ 为木纤维单丝弹性模量 ~Εµ 为胶固化后的弹性模量 ~ςφ 为木纤维在板中的体积比率 o按 χ € t
时 o取 ςφ € s q| ~ςµ 为胶料在板中体积的比率 o同理 oςµ € s1t ∀
wtt 林 业 科 学 v|卷
从科尔曼等kt||tl文的表 z qy中可知 }柏木晚材单丝纤维的 Εφ € vz xss °¤o从实验可知 Εµ € w xvs
°¤o将上式结果代入kxl式得 Εt € vw usv °¤o对于普通钢材来讲 oΕ € ut sss °¤∀实际生产中上由于
χΞt o铺装时 o铺装角也不可能等于 s o在实际实验中也不可能压出 Εt € vw usv °¤的微米重组高强度
定向纤维板 o但强度略低以后 o就可能接近钢材 Ε € ut sss °¤的数值 ∀
z 结论
本文提出的新板种设计方案仅是一种初探 o其中许多理论还有待实验进一步修正 ∀用微观力学的
方法和数学工具分析木材在规则细胞结构内部的分布和尺寸的具体参数 o将为木材微观力学和木材规
则细胞学分析应用到人造板力学中 o为新板种的创新提出一种新的途径 ∀应用本文的理论 o可以在微米
重组高强度定向纤维板加工的过程中 o将单丝纤维直接变成纤维板强度构成的主体 o通过改变木材细胞
剖分的结构方式来获得缺陷剔除和纤维纯化 o在这样的条件下形成微米重组高强度定向纤维板定形加
工的形成机理 ~可以在微米重组高强度定向纤维板技术研究中 o通过木材细胞的胞管组成结构变化 o解
释使人造板强度显著提高的原因 ~可以在人造板的纳微米技术研究中 o从细胞结构的形状和变异过程利
用数学描述理论和方法确定纳微米木纤维的形成方法和形成后的形状 o从而确定最佳纤维形成的加工
方法 ∀
参 考 文 献
成俊卿 q木材学 q北京 }中国林业出版社 ot|{x }{u p zzx
科尔曼 o江良游译 q木材学与木材工艺学原理 q北京 }中国林业出版社 ot||t }vsw p vsy
马 岩 q重组木力学模型及刚度参数分析方法探讨 q东北林业大学学报 ot||x ouvkwl }tsz p ttt
马 岩 q木材横断面细胞结构的数学模型研究 q生物数学学报 oussu okul }yw p y{
马 岩 q纳微米科学与技术及在木材工业产业化的应用前景展望 q林业科学 ousst ovzkyl }ts| p ttv
马 岩 o赖晓敏 o窦建华等 q冻材主方向弹性模量微观力学理论求解理论 q东北林业大学学报 ousss ou{kyl }|| p tst
„§¼¤ ° ≥ oŠ¨ ²©©µ¨¼ ⁄q׫¨ ≥u ¤¯¼¨ µ¬±·«¨ ·µ¤¦«¨¬§º¤¯ ¶¯²©³¬¦¨¤¤¥¬¨¶º²²§}¬±«²°²ª¨ ±¨ ¬·¼¬± ¬¯ª±¬± §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ¤±§¦¨¯¯ º¤¯¯q‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªousst oxx
kwl }vzv p vz{
≤¤¯ ∏¯° „ o‹¬¯¯ ≥ o ⁄¨ ±±¬¶q ⁄¬°¨ ±¶¬²±¤¯ ¦«¤±ª¨¶¬± ¦²µ¶¬¦¤± ³¬±¨ ¶¤³º²²§§∏¨ ·² ¦«¨ °¬¦¤¯ °²§¬©¬¦¤·¬²± º¬·« ¬¯±¨ ¤µ¦«¤¬± ¤±«¼§µ¬§¨¶q‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªo
t||| oxvkvl }uyz p uzt
⁄¬¤² ÷ oƒ∏µ∏±² × o˜ «¨¤µ¤× q„±¤¯¼¶¬¶²©¦¨¯¯ ¤µµ¤±ª¨ °¨ ±·¬±¶²©·º²²§¶∏¶¬±ª·º²2§¬° ±¨¶¬²±¤¯ ©¤¶·©²∏µ¬¨µ·µ¤±¶©²µ°¤·¬²±q ²®∏½¤¬¶«¬ot||y owukzl oyvw2
ywt
¤¨ ®¤º¤ × oƒ∏­¬·¤  o≥¤¬®¬‹ q≤«¤µ¤¦·¨µ¬½¤·¬²± ²©¦¨¯¯ ¤µµ¤±ª¨ ° ±¨·¥¼ ³²¯¤µ¦²²µ§¬±¤·¨ ¤±¤¯¼¶¬¶²©³²º µ¨¶³¨¦·µ¤¯ ³¤·¨µ±¶qq¶²¦q¤·¨µq¶¦¬q³±qt||v owu
kwzvl }tuy p tvt
≥¬±ª« „ ° o⁄²±¤¯§¶²± „ q ˜¯·µ¤¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·µ¦«¨¬§¦¨¯¯ º¤¯ ¶¯¬±µ¤§¬¤·¤³¬±¨ k Πινυσραδιαταl °¬¯§¦²°³µ¨¶¬²± º²²§q¦¤±qq…²·qt||| ozz }vu p ws
˜¤ª¬ • o¬¶¤·²qפ±ª¨ ±·¬¤¯ ¼²∏±ª. ¶°²§∏¯∏¶²©¦²±¬©¨µ²∏¶ ¤¨µ¯¼ º²²§¬±√ ¶¨·¬ª¤·¨§∏¶¬±ª¦¨¯¯ °²§¨ ¶¯q ‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªot||| oxvkul }us| p utw
xtt 第 v期 马 岩 }利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究