零距拉伸技术评价木材管胞纵向抗拉强度

1、零距拉伸技术快速评价针叶材管胞的纵向抗拉强度 余 雁 费本华 张 波 （国际竹藤网络中心，北京，100102） （中国林业科学研究院，北京，100091）摘 要：首次把造纸领域的零间距拉伸技术引入我国木材科学研究领域，用于快速评价人工林杉木管胞纵向抗拉强度。测试结果表明，零距拉伸试样的最佳厚度是80mm，最适宜的夹紧力为70Psi；杉木管胞的纵向抗拉强度从髓心到树皮呈增大趋势，但在树高方向（1.3-7.3m）的差异不显著。研究表明，利用零距拉伸技术具有测量迅速、可操作性强等特点，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 管胞 抗拉强度 Rapid Estimation o

2、f Longitudinal Tensile Strength of Tracheids with Zero-span Tension Technique YU Yan FEI Ben-hua ZHANG Bo (International Center for Bamboo and Rattan, Beijing, 100102) (The Chinese Academy of Forestry, Beijing, 100091)Abstract： The zero-span tension technique, used widely in papermaking industry, wa

3、s introduce to wood science research in China, and used to estimate rapidly the longitudinal tensile strength of tracheids of Chinese Fir plantation wood. It was found optimum thickness of samples and clamping pressure for zero-span tension was 80mm and 70psi respectively. Statistical analyses indic

4、ated stable increase of tracheids tensile strength from bark to pith, while no significant variation was observed along tree height from 1.3m to 7.3m. Therefore, it was inferred that zero-span tension could be used as a novel and reliable method for rapidly assessing the axial tensile strength of so

5、ftwood tracheids.Keywords： Zero-span tension, Tracheids, Tensile strength木材纤维（管胞）是各种木材纤维复合材料的主要构成单元，其力学性能对产品的最终性能起着重要的作用（Page et al.，1972；Cown et al., 1980; Labosky et al., 1981; Pugel et al., 1990）。Groom 等（1999）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。而纸浆纤维与纸制品的力学性能之间存在着密切关系，纤维本身强度对于纸张抗拉强度具有与纤维间结合强度同等的重要性，这些

6、论点已经被许多研究所证实 (Clark, 1954; Akker, 1958)。Clarke（1995）认为了解木材纤维力学性质在树木中变异规律，对于木材纤维/塑料复合材料和纸浆造纸领域实现木材纤维的选择性利用，改善产品性能具有明显的现实意义。目前尽管已经实现了在单根纤维水平上的力学性能测试（Groom et al, 2002a, 2002b），但这种方法实施起来难度极大，不仅耗时，还有许多的关键问题还没有很好的解决（余雁，2003）。因此单纤维拉伸的方法比较适合于对样本数要求较少的研究，如果要探索管胞力学性质在树木内的变异规律时，庞大的样本数将是其无法克服的障碍。因此本项研究的目标是提出能快

7、速评价天然态针叶材管胞纵向力学性能的实验技术，并以此研究人工林杉木管胞纵向力学性能的株内变异规律，从而为木材纤维为增强体的复合材料的研究和制造提供必要的科学依据。基金项目：国家自然科学基金项目“人工林木材管胞的纵向力学性质及其影响因子研究”（30170748）； 国家重大基础研究发展规划（973）子课题“木材结构及化学组成与其品质特性的分子基础”(G1999016001)通讯作者：费本华，Tel：01062889001；Email：fbh¨ 通讯作者，Tel：01062889001；Email：fbh零距拉伸的思想来源于造纸领域。其主要观点是，在零距状态拉伸时，纸张的断裂完全是由横跨

8、夹具交界面两端纤维的断裂所致，排除了正常间距拉伸断裂时纤维拔出的影响，从而达到直接评价纤维本身强度的目的。在制浆造纸领域，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（Handsheets）进行零距拉伸测试，从而快速评价纸浆纤维的抗拉强度。自从70年代初Pulmac公司研制出了为制浆造纸业普遍接受的零距抗张强度测试仪以来，零距抗张强度已经成为评价纸张力学性能的一项重要指标。我国在1994年也制定了纸浆和纸零距抗张强度测定法的国家推荐标准（GB/T 2678.4-94）。本研究借鉴零距拉伸技术评价纸浆纤维强度的思想，首先从通过实验确定了样品的尺寸规格、实验条件和操作程序，并在此基础上研究了

9、人工林杉木管胞纵向抗拉强度的株内变异规律。1 材料与方法1.1 材料杉木（Cunninghamia lanceolata）取自江西大岗山实验林场人工林，树龄36年左右。在采样点内选取4株生长状况良好的树木。在每株树的1.3m、3.3m、5.5m、7.3m处各取一个厚为50mm的圆盘，沿南北向过髓心锯取宽为15mm的长条，取北向部分作为实验材料。1.2 实验方法用零距拉伸仪器测出木材微切片的零距断裂载荷后，根据试样断口处胞壁物质的面积，即可以得到木材细胞壁的纵向抗拉强度，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（余雁，2003）。计算公式为：结合零距拉伸实验仪器所提供的

10、基础公式，得到管胞的纵向抗拉强度计算公式为：式中p ：仪器读数值 psi；p0：仪器设定值，这里为1.9 psi；cell：细胞壁密度，取1.515g/cm3（成俊卿等，1985）；：微切片气干密度，单位g/cm3；h：微切片厚度，单位cm；w：微切片宽度，单位cm；Ts：管胞纵向抗拉强度，单位kpa。1.3 样品制备与测量图1 零距拉伸试样的制作示意图Fig 1 Schematic representation of sample preparation for zero-span tension毛坯条锯切刨光后，厚度为30mm，宽度为7.5mm，置于蒸馏水中浸泡约三天，每天换水一次。用滑走

11、式切片机按年轮沿径向连续切制厚度为80mm的弦切片15-20片（图1），然后夹在载玻片中间气干，取样尽量均匀分布在该年轮的整个区域。而在确定最佳试样厚度时，需要在几个较宽年轮内连续切取60mm、80mm、100mm、150mm、300mm 5种厚度的切片。测试前将样品放在调温调湿箱中24小时，试样平衡含水率为12%，然后用万分之一天平称重。用螺旋测微器在每个微切片长度方向均匀取四点测厚，用于估算微切片横切面胞壁物质面积。图2 零距抗张强度测试仪及其夹具Fig 2 Zero-span tensile strength tester and its grips 实验所用的仪器为PULMAC公司生产

12、的零距抗张强度测试仪，在其夹具的端部有两个凸起，便于夹紧试样，当装上试样以后，夹具端头相互紧密接触，并于底座之间形成一定压力，即夹持压力，压力大小可调。实验时要求端头的紧密接触从夹具上部看不到下部光源的光线，这样才能保证所谓的零距拉伸（图2）。2 结果与分析 2.1 试样厚度的确定图3 试样厚度对零距抗拉强度的影响Fig 3 effects of thickness on zero-span tensile strength试样厚度为零距拉伸的测试结果有重要的影响，过厚或过薄都会造成强度的降低。从图3可知，试样厚度为80um时，得到的零距抗拉强度最大。厚度过大或过小都会造成测量结果偏低。这是因

13、为如果厚度太小，夹紧力容易压溃夹紧处的细胞壁，从而显著地降低了试样的零距断裂力。而如果厚度过大，在相同的夹紧力下，试样一则可能在夹具内发生一定程度的滑移，另一原因则是试样的断裂不是完全由纤维的断裂造成的，无法避免纤维拔出现象。这一点可以在试样断口的电镜观察中得到证实（图4）。从图可以明显看出，试样的厚度越大，纤维拔出的现象越明显，特别是试样厚度达到300mm时，经常可以观察到有成簇纤维拔出；而厚度为150mm时，纤维拔出也时有出现，但一般以单根纤维的形式零星分布。当厚度小于100mm以后，纤维拔出现象已不明显。300mm 150 mm 100 mm 80 mm图4 不同厚度零距断裂试样的电镜照

14、片（×150）Fig 4 SEM images of fracture surface of samples with different thickness resulted from zero-span tension 图5 夹紧力对零距拉伸强度的影响（厚度：80um）Fig 5 The effect of gripping pressure on the zero-span tensile strength 2.2 夹紧力的确定零距拉伸测量管胞的纵向抗拉强度时，适当的夹紧力对获得正确的结果非常重要。夹紧力太小，拉伸时试样容易在夹具内滑移；如果夹紧力太大，过大的应力集中又会造成管

15、胞的强度降低。研究发现，对于厚度80mm的微切片，夹紧力为483KPa（70Psi）时所得的零距抗拉强度最大（如图5所示）。因此选择483KPa（70Psi）作为80微米厚木材微切片的最佳夹紧力。2.3管胞纵向抗拉强度的变异规律 有关管胞力学性质株内变异规律的研究十分缺乏。从图6可知，杉木早材管胞抗拉强度的径向变异规律很明显，呈现出随年轮的增大而增大的趋势，10年以后趋于稳定。这与Mott 等（2002）使用单根纤维微拉伸方法得到火炬松（Pinus taeda）管胞纵向抗拉强度的单株变异规律比较一致。由于杉木微纤丝角一般从幼龄材到成熟材逐渐递减（图7），从而证明S2层微纤丝角与管胞纵向抗拉强度

16、之间存在负相关关系，即微纤丝角越小，管胞的抗拉强度越大。Page等（1972）已经通过单根纤维拉伸证实了这一点。管胞抗拉强度MPa Tracheids Tensile Strength年轮 Annual Ring微纤丝角microfibril angle年轮 Annual Ring1.3m 3.3m 5.3m 7.3m1.3m 3.3m 5.3m 7.3m图7 不同树高处微纤丝角的径向变异Fig 7 Radial variation of MFA of tracheids of Chinese-Fir from plantation at various tree heights图6 不同树高

17、早材管胞抗拉强度的变异Fig 6 Radial variation of tensile strengthof earlywood tracheids方差分析表明（表1），在1.3m 到7.3m 的范围内，树高对管胞抗拉强度没有显著影响。这是因为在1.3m-7.3m这段区域内，人工林杉木各对应年轮早材管胞微纤丝角轴向差异不大（图7）。 表1 不同高度处管胞抗拉强度的方差析Tab.1 AVOVA of Tracheids Tensile Strength in different tree height差异源SSdfMSF F0.05 组间3434.7031144.901.054.51组内325

18、84.81301086.16总计36019.5133 由此可见，使用零距拉伸技术正确揭示了管胞纵向抗拉强度径向变异的一般趋势，表明这种方法用于快速评价木材纤维的纵向力学性能是非常有效的。对木材纤维组织力学变异规律的解释，这也为我们理解木材宏观力学性质的变化规律提供新的参考依据。图8 表明人工林杉木早材管胞的纵向抗拉强度满足高斯分布，断裂强度在300700MPa之间，其峰值456.53MPa，与众多单纤维的测试结果相比，处于一个合理的范围，从而在进一步说明了零距拉伸技术快速评价纤维的纵向力学强度的合理性。其实从实用的角度上讲，对于木材这类变异性极大的生物材料，获得木材纤维纵向断裂强度精确值是相当

19、困难的，并不具有太大的实用性。实际上更值的关注的是不同树种间木材纤维力学性质的差异，及其在株内的变异规律，以及影响纤维力学性质的主要因素，这对木材纤维塑料复合材料，以及造纸行业对木材纤维的选择性利用以及木材的基因改良都具有重要意义。零距拉伸无疑符合上述要求。图8 人工林杉木早材管胞纵向抗拉强度的高斯分布Fig 8 Gausian distribution of longitudinal tensile strength of earlywood tracheids of Chinese-Fir from plantation3 结论（1）零距拉伸技术可以用来快速评价针叶材管胞的纵向抗拉强度。与

20、单纤维微拉伸法相比，它测量迅速、可操作性强，是一种直接评价木材纤维力学性能的新方法。（2）对于人工林杉木，零距拉伸试样的最佳厚度是80um，最适宜的夹紧力为70Psi。管胞纵向抗拉强度介于300700MPa，平均为456.53MPa。（3）人工林杉木早材管胞的纵向抗拉强度从髓心到树皮呈增大的趋势，但在树高方向（1.3-7.3m）的差异不显著，没有明显的变异规律。参考文献1 成俊卿. 1985. 木材学. 中国林业出版社. P6312 余雁. 人工林杉木管胞的纵向力学性质及其主要影响因子研究. 中国林业科学研究院博士论文. 2003, p1-43 Akker V D, Lathrop J A,

21、Voelker M H et al. Tappi, 1958, 41: 4164 Clark J DA. in “ Cellulose and Cellulose Derivatives”, Vol. 2. Ed by Ott E and Spurlin H M. Interscience Publishers Inc. New York. 19545 Clarke C R E. Variation in growth, wood, pulp and paper properties of nine eucalypt species with commercial potential in S

22、outh Africa. Ph. D. thesis. University College of North Wales, Bangor, UK. 19956 Cown D J, Kibblewhite R P. Effects of wood quality variation in New Zealand radiata pine on kraft paper properties. NZ J. Forest Sci. 1980, 10(3): 521-5327 Groom L H, Mott L, Shaler S M. Relationship between fiber finis

23、h properties and the structural performance of MDF. In 33rd Proceedings of particleboard/composite materials symposium. April 13-15. Pullman WA, 1999, P 89-1008 Groom L H, Mott L, Shaler S M. Mechanical properties of individual southern pine fibers. Part I: Determination and variability of stress-strain curves with respect to tree height and juvenility. Wood and Fiber Science, 2002a, 34 (1): 14-279 Groom L, Shaler S M, Mott L. Mechanical properties of individual southern pine fibers. Part III: Global relationships between fiber prop