不同狀態(tài)下的胡楊木材水分特性對比研究

沈玉林，王喜明，寧國艷

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

胡楊(Populuseuphratica)又稱異性楊，是落葉中型天然喬木，直徑可達1.5 m，木質(zhì)堅硬，樹葉闊大清香。耐旱耐澇，生命力比較頑強，在自然界中屬于稀有的樹種之一。胡楊對研究亞非荒漠區(qū)氣候變化、河流變遷、植物區(qū)系的演變以及古代經(jīng)濟、文化發(fā)展都有著重要的科學(xué)價值。

從20世紀(jì)50年代起，各地在發(fā)展胡楊方面做了不少工作，通過封灘育林和人工造林，都取得了一定成果。特別是從1985年以來，內(nèi)蒙古的阿拉善盟、鄂爾多斯、巴彥淖爾、包頭等地在采種、育苗、造林等各環(huán)節(jié)都進行了較深入的研究，加快了造林育林進度。目前“胡楊之鄉(xiāng)”額濟納旗境內(nèi)有東、西2條季節(jié)性河流，沿岸分布的胡楊天然次生林有2萬多公頃，胡楊和沙棗混交林有將近0.2萬hm2[1-2]。阿拉善盟、鄂爾多斯、巴彥淖爾及包頭市已發(fā)展人工造林400多hm2[3]。說明胡楊的生長區(qū)域集中，我們要大量開發(fā)胡楊的造林技術(shù)，而且還要研究胡楊的生物學(xué)特性，提高干燥質(zhì)量，利于合理開發(fā)和利用，向節(jié)約胡楊資源方向發(fā)展。

研究木材與水分的關(guān)系，必須先了解木材中水分存在狀態(tài)，它的分布規(guī)律，以及木材中水分的測定和計算。C.Shaar[9]認為木材中的水分一般有3種狀態(tài)，即：存在于細胞腔中的自由水、存在于細胞壁中的吸著水和水蒸氣。吸著水的變化是木材性質(zhì)的轉(zhuǎn)折點，木材的各項性質(zhì)均隨吸著水的增減而發(fā)生變化。但是自由水的增減不會影響到木材的力學(xué)等性質(zhì)，僅僅影響到木材的重量、電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)。木材內(nèi)水分通道有三：相互連通的細胞腔、細胞間隙、紋孔膜上的小孔，闊葉材的水分移動途徑包括導(dǎo)管和導(dǎo)管狀管胞、管胞等。

木材的水分特性研究對木材的干燥工藝具有重要意義，與木材防腐、防蟲藥劑的浸注，木材制品的油漆、著色、膠合等也都有著密切關(guān)系，而對于胡楊這種珍貴木材，對比研究胡楊木3個不同狀態(tài)，即活立木、伐倒木、枯倒木的水分特性，包括初含水率、干縮率、水分弛豫T2值、吸水性和平衡含水率等，對胡楊木的存放和應(yīng)用具有很重要的意義。也可以解惑胡楊為什么被稱為“活化石”。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

額濟納旗的胡楊林保護區(qū)冬季寒冷、夏季炎熱，溫差大，陽光充足。年平均氣溫8.3℃，極端高溫達到42.2℃，極端低溫達到-37.6℃，年平均降水量37.9～49.3 mm，而年蒸發(fā)量遠遠高于年降水量。此地盛行西北風(fēng)，多風(fēng)月平均揚沙日數(shù)為21 d，冬春風(fēng)大且常伴寒流出現(xiàn)。

本研究所用的試驗材料采伐自于內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗的胡楊林保護區(qū)，選擇胡楊活立木伐倒后用保鮮膜包起來放在冰箱儲存(模擬活立木)，伐倒木、枯倒木各一段?；盍⒛炯胺サ鼓居行倪叢牡膮^(qū)分，枯倒木由于時間過長導(dǎo)致心邊材區(qū)分困難，為了保證研究可靠性，這里不作區(qū)別。

1.2 儀器與設(shè)備

木材干燥的設(shè)備：DZF-6210型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司提供。

核磁共振技術(shù)檢測儀器：德國布魯克公司生產(chǎn)的低場核磁共振馳豫儀。

1.3 方法

1.3.1 含水率、干縮性及吸水性的測定 根據(jù)GB/T 1931-2009 《木材含水率測定方法》和GB/T 1932-2009 《木材干縮性測定方法》GB/T 1934.1-2009《木材吸水性測定方法》進行試驗。

1.3.2 核磁共振技術(shù)測定木材中水分的T2值 1)將胡楊的活立木、伐倒木和枯倒木3種木材進行氣干處理，再用曲心鉆鉆取直徑10 mm、長度約為20 mm的圓柱體，為了防止水分變化影響試驗結(jié)果，試件在取出時立即用保鮮膜包裹(3種木材各取2～3試件)。

2)將核磁共振儀進行預(yù)熱，然后將空試管放入磁體內(nèi)進行信號量測量，將試件放入磁體中，調(diào)入FID-T2.app程序，調(diào)試參數(shù)(磁體頻率：20 MHz，90°脈沖寬度：15.02 μs,180°脈沖寬度：30.7 μs，馳豫時間：4.8 μs，循環(huán)延遲：2 s，回波時間：0.5 ms，掃描次數(shù)：16，回波數(shù)：1 500)，然后進行測量及采集數(shù)據(jù)。

3)將同一試件置于(103±2)℃干燥箱中進行絕干處理，絕干后取出放入玻璃干燥器中冷卻，然后再放入核磁共振儀磁體中用同一個參數(shù)進行測量和采集數(shù)據(jù)。

4)將所有測出的T2值進行反演處理，進行氣干材和室干材對比分析水分存在狀態(tài)。

1.3.3 平衡含水率測定 用溫濕度測量儀測量出實驗室內(nèi)的溫度和濕度，根據(jù)前人經(jīng)驗[4]，每種木材取試件數(shù)40個左右進行稱重，之后放入鐵方盤中(注意試件之間留有一定的空間)，之后每隔4～5 d拿出2～3個試件進行稱重，直到重量無變化，試件水分達到一個新的平衡。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率及干縮率

2.1.1 含水率 3種狀態(tài)胡楊木的初含水率測試結(jié)果見表1，可以看出活立木、伐倒木、枯倒木3種木材的初含水率有很大的差異，原因是活立木的邊材導(dǎo)管對水分還起著輸導(dǎo)作用，所以水分較多，伐倒木在砍伐后一段時間內(nèi)水分會自然喪失一部分，枯倒木由于枯倒時間過長，密度減小，滲透性增加，水分喪失較多，只存留少部分水分。

比較活立木和伐倒木的邊材和心材含水率，心邊材的含水率有明顯的差別，根據(jù)心材樹種的定義，判定為胡楊屬于心材樹種。木材在伐倒一段時間后，水分在大自然條件下進行調(diào)節(jié)，心材由于輸導(dǎo)系統(tǒng)阻塞，滲透性降低，密度較大，水分喪失得要比邊材慢一些，所以伐倒木心材的含水率要高于邊材的含水率。

2.1.2 干縮率和干縮系數(shù) 3種狀態(tài)胡楊木材的干縮率測試結(jié)果見表2，可以發(fā)現(xiàn)，對于3種木材線向干縮率都是：弦向>徑向>縱向，與其他木材的干縮特性一樣，原因是木材具有各向異性，導(dǎo)致木材干縮和濕脹在不同方向上具有差異，且木材干縮還受到次生壁中層微纖絲的排列方向和木射線對徑向收縮有抑制作用等因素影響。

由表3可知3種狀態(tài)胡楊木材的干縮系數(shù)接近。弦向的干縮系數(shù)>徑向和縱向的干縮系數(shù)，干縮系數(shù)是衡量木材尺寸穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，三者干縮系數(shù)之所以相近，是因為它們是同一樹種，產(chǎn)地相同，且木材的構(gòu)造穩(wěn)定，即使伐倒木和枯倒木長時間處于無生命狀態(tài)，但它們的紋理方向包括細胞壁中各層微纖絲排列方向幾乎不發(fā)生變化，這些特點決定了三者干縮系數(shù)接近，進一步說明胡楊木材尺寸穩(wěn)定。

由表4數(shù)據(jù)可知，胡楊活立木的差異干縮與其他8種楊木相比差異較大，胡楊的差異干縮最小，在干燥失去水分時相比于其他楊木不易造成干縮應(yīng)力差異，不易開裂。胡楊與其他楊樹木材構(gòu)造比較可知，胡楊天然林木材管孔數(shù)目均多于其他各代表樹種，導(dǎo)管分子的細胞壁、木纖維的細胞壁的平均厚度較其他各代表樹種為厚，因此在楊屬木材中干縮穩(wěn)定性最佳，北京楊最差。

由表5可知活立木體積干縮量較大，由于木材干縮發(fā)生在含水率降至纖維飽和點以下，隨著木材含水率的降低，干縮量隨之增大，直至木材含水率降為零，其干縮量達到最大。活立木的含水率高于伐倒木和枯倒木，所以體積干縮量比較大。從伐倒木和活立木的心邊材作比較，可發(fā)現(xiàn)心材比邊材更容易變形。綜上得之，木材的含水率對木材干縮具有一定的影響關(guān)系，且枯倒木的尺寸穩(wěn)定性最佳。

表1 木材初含水率

表2 線向干縮率的平均值

表3 線向干縮系數(shù)

表4 胡楊與其他幾種楊木[8]差異干縮表

注：差異干縮=弦向干縮系數(shù)/徑向干縮系數(shù)。

表5 體積干縮率

2.2 水分馳豫時間

由于胡楊木在自然條件下水分散失較快，在這里只進行氣干和室干2種狀態(tài)下水分狀態(tài)的對比研究。

弛豫時間T2間接表明水分與木材的自由度，T2值越小說明水分與木材的結(jié)合強度越高，水分越不容易排出。N.Labbé[11]等學(xué)者認為一般情況T2值≤10 ms時，木材中水分狀態(tài)為結(jié)合水，當(dāng)T2值≥10 ms并趨近于100 ms時則為自由水，但具體的T2值隨著樹種、初含水率等條件的不同而不同。

表6是根據(jù)馳豫時間的長短，將胡楊的活立木、伐倒木和枯倒木3種木材在氣干和室干2種狀態(tài)下進行區(qū)分，T2值代表每種狀態(tài)下水分的弛豫時間。圖1、圖2和圖3是每種狀態(tài)下水分反演圖像，我們可以結(jié)合T2值和峰面積，對水分狀態(tài)和水分量的變化進行分析。

表6 T2值分布

圖1 活立木氣干狀態(tài)和室干狀態(tài)水分T2分布

圖2 伐倒木氣干狀態(tài)下和室干狀態(tài)下水分T2分布

結(jié)合表6和圖1可以看出活立木在氣干狀態(tài)下有2種結(jié)合水，一種結(jié)合水T2值為2.59，另一種T2值為11，2種結(jié)合水與木材的結(jié)合強度不同，T2值為2.59的結(jié)合水與木材的結(jié)合更為緊密，不易排出。室干狀態(tài)下只存在1種結(jié)合水，T2值為1.7，說明與木材結(jié)合強度較低的結(jié)合水全部排出，結(jié)合較為緊密的結(jié)合水沒有全部排出。

圖3 枯倒木氣干狀態(tài)下和室干狀態(tài)下水分T2分布

結(jié)合表6和圖2可以看出,伐倒木在氣干狀態(tài)下有結(jié)合水的存在，從峰的面積上看結(jié)合水的水分量很多，在室干處理后，大部分的結(jié)合水排出，只剩下少部分的結(jié)合水存在，且結(jié)合強度較高，說明要達到絕干狀態(tài)極其困難。

結(jié)合表6和圖3可以看出,對于枯倒木和伐倒木水分狀態(tài)是一樣的，氣干狀態(tài)下都只有一種結(jié)合水，且與木材的結(jié)合強度較低。室干處理后可發(fā)現(xiàn)，存在結(jié)合水的T2值為0.18，與伐倒木狀態(tài)接近，說明枯倒木要達到絕干狀態(tài)也是極其困難的。

綜上3種木材水分狀態(tài)的分析可以得出，活立木由于細胞存活狀態(tài)好，水分在細胞內(nèi)結(jié)合的能力較強；伐倒木和枯倒木在失去生命力的狀態(tài)下，木材中還有水分結(jié)合，說明胡楊在外界環(huán)境下對于水分的平衡調(diào)節(jié)能力很強，客觀說明了胡楊不易腐朽的原因。

2.3 吸水性

每個試樣在規(guī)定的測試吸水時間的吸水率(A)按下列公式計算，準(zhǔn)確值至1%。

(1)

式中，A表示試樣的吸水率(%)；m表示試樣吸水后質(zhì)量(g)；m0表示試樣全干時質(zhì)量(g)。

2.3.1 水容量分析 在第8天認為試樣達到了最大含水率，進行取平均值分析，活立木的水容量為128.3%，伐倒木的水容量為156%，枯倒木的水容量為153.9%。 利用方差分析(表7)，在0.05顯著性水平下，伐倒木和枯倒木在木材的水容量上無顯著性差異，而活立木的水容量較其他2種木材有顯著差異。木材的吸水性與木材的密度、構(gòu)造和內(nèi)含物狀況有關(guān)。因為活立木的樹材內(nèi)含有樹膠、較多的侵填體或其他的內(nèi)含物，而且密度也比伐倒木和枯倒木高，使得活立木的水容量較低。

2.3.2 吸水率的動態(tài)變化 根據(jù)每種木材的試件在規(guī)定吸水時間的吸水率，將其繪制成吸水曲線圖(圖4)，活立木吸水過程大致可以分為3段：0～1、1～5、5～8 d，吸水速率逐漸下降，在8 d基本趨于水平并且?guī)缀醪辉傥账帧６鴮τ诜サ鼓竞涂莸鼓?，? h內(nèi)吸水量>活立木，它們的吸水速率變化比較平緩，在7 d時已經(jīng)開始趨于穩(wěn)定，表明伐倒木和枯倒木達到吸水平衡用時少于活立木，它們之間水容量差異主要在0～1 d體現(xiàn)。就吸水速度而言，木材原有含水率越高，其吸水速度顯然低于原有含水率低的狀況。由于活立木原有的含水率也較高，所以在前6 h，相同的時間段內(nèi)活立木的水容量低于伐倒木和枯倒木。但在72 h發(fā)現(xiàn)活立木的吸水速度快于伐倒木和枯倒木，因為由于伐倒木和枯倒木的密度低，細胞中內(nèi)含物減少，使得吸水速度非常快，6 h幾乎接近于飽和，導(dǎo)致之后的吸水速度下降。徐峰[13]等對20多種木材進行吸水性研究，就吸水速度而言，木材密度大小不是吸水快慢的主要影響因素，它主要受木材細胞的大小及紋孔的大小、細胞中的內(nèi)含物等因素影響，我們通過化學(xué)試驗分析發(fā)現(xiàn)，他們的抽提物含量差異較大，這是三者吸水速度不同的主要原因。

表7 方差分析表

圖4 吸水率的動態(tài)變化

2.4 平衡含水率

4月份在實驗室內(nèi)經(jīng)過21 d放置，測量木材重量不再變化，認為木材達到了新的水分平衡，用下列公式算出平衡含水率(E)：

(2)

式中，A為達到新的水分平衡時試件重量(g)，A0為試件全干時重量(g)。計算結(jié)果見表8：可以看出，三者平衡含水率存在差異，活立木和伐倒木的平衡含水率相對大一點。

測定胡楊的化學(xué)性質(zhì)時，從不同狀態(tài)胡楊木材的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)從活立木到伐倒木和枯倒木，木材中的羥基吸收峰的強度在降低，因此羥基數(shù)量在減少。因為枯倒木長時間處于干燥狀態(tài)，分子之間的距離較近，使部分游離態(tài)的羥基之間結(jié)合成氫鍵，導(dǎo)致木材中能吸收水分的羥基和自由基數(shù)目減少，從而降低了由吸收所達到的平衡含水率。伐倒木和枯倒木的密度較大，水分排出后，所留的空隙較多較大，很多都被空氣占據(jù)，妨礙了木材對水分的吸收。以上原因?qū)е铝巳咦罱K所達到的平衡含水率有所差異。

表8 胡楊木材的平衡含水率

注：試驗地點：實驗室內(nèi)；試驗時間：4月8號至5月1號；溫度14℃；濕度34%

3 結(jié)論與討論

通過對胡楊活立木、伐倒木和枯倒木的水分特性的對比研究，我們可以了解到胡楊木在3種不同材質(zhì)狀態(tài)下的初含水率、平衡含水率、水分存在狀態(tài)、尺寸的穩(wěn)定性以及吸收水分的狀況。

初含水率：活立木(心材：48.3%，邊材：37.9%)>伐倒木(心材：11.6%，邊材：9.7%)>枯倒木6.2%。胡楊的心邊材顏色和含水率有明顯差別，心材含水率>邊材含水率，判定胡楊屬于心材樹種[5]，與其他楊木等闊葉材有所不同。胡楊3種木材3個方向的干縮率都是：弦向>徑向>縱向，與其他的木材干燥特性一樣，主要影響因素是次生壁中層微纖絲排列方向和木射線抑制作用[6]。3種胡楊木材的干縮系數(shù)接近，由于胡楊比其他各派代表樹種的管孔多，細胞壁厚[7]，因此在楊屬木材中穩(wěn)定性最佳[8]。由體積干縮率可知胡楊的心材比邊材更容易變形,枯倒木的尺寸穩(wěn)定性最佳，說明含水率對干縮性具有一定的影響[9]。

在氣干狀態(tài)下，活立木含有2種結(jié)合水，一種結(jié)合水T2值為2.59，另一種T2值為11，伐倒木和枯倒木只有1種結(jié)合水，T2值分別為16.8和10.3。在室干狀態(tài)下，活立木、伐倒木和枯倒木的結(jié)合水的T2值分別為1.7、0.11、0.18?；盍⒛局械?種結(jié)合水與木材的結(jié)合強度不同[10]，且與木材結(jié)合強度要強于伐倒木和枯倒木。伐倒木和枯倒木達到絕干狀態(tài)極其困難。

活立木的水容量為128.3%，伐倒木的水容量為156%，枯倒木的水容量為153.9%。伐倒木和枯倒木的水容量>活立木，伐倒木和枯倒木的吸水能力強，而活立木的吸水能力較弱，因為伐倒后的木材吸水性會增強[12]。吸水速度主要受到木材原有的含水率[6]，以及細胞中的抽提物含量影響[13]。由于吸水速度較快，說明他們有良好的浸注性[14]。

平衡含水率，活立木為1.94%，伐倒木為1.80%，枯倒木為1.33%?；盍⒛驹谛碌沫h(huán)境中，最先達到新的水分平衡，其次是伐倒木。說明活立木對環(huán)境相應(yīng)機制最容易適應(yīng)，也說明活立木有很強吸著和解吸能力。三者平衡含水率有差異，主要原因是能吸收水分的羥基和自由基數(shù)目減少，降低了由吸收所達到的平衡含水率[15]，自身材質(zhì)也是主要的影響因素[16]。

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