水热环境中马尾松早材和晚材的轴向拉伸力学行为

作     者：李媛 李珠 都亚敏 蒋佳荔 Li Yuan;Li Zhu;Du Yamin;Jiang Jiali

作者机构：中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室 

出 版 物：《林业科学》 (Scientia Silvae Sinicae)

年 卷 期：2024年第60卷第8期

页      面：184-192页

核心收录：

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目“基于生长轮尺度的早材与晚材机械吸湿蠕变行为及其互作机制”(32071689) 

主　　题：马尾松 早材 晚材 水热环境 轴向拉伸 

摘      要：【目的】探究水热环境中马尾松早材（EW）和晚材（LW）的轴向拉伸力学行为，在生长轮尺度上揭示木材软化行为发生规律，为木材弯曲、塑化、大变形加工等实际应用中工艺参数的选择和优化提供参考。【方法】以马尾松心材区域第17生长轮的早材和晚材为研究对象，采用X射线剖面密度仪测定早材和晚材的绝干密度；利用轮转式切片机在早材和晚材区域的径切面（LR）制取LR-EW和LR-LW组织切片，在早材与晚材区域的弦切面（LT）制取LT-EW和LT-LW组织切片；应用X射线衍射仪和动态力学分析仪在30、40、50、60、70和80℃条件下测定LREW、LR-LW、LT-EW和LT-LW组织切片的微纤丝角、拉伸弹性模量、拉伸强度和拉伸应变速率。【结果】1)晚材的绝干密度（0.836 g·cm3）是早材（0.388 g·cm3）的2.2倍。任一温度时，早材的微纤丝角大于晚材，弦切面的微纤丝角大于径切面；饱水早材和晚材在径切面或弦切面的微纤丝角均随温度升高而减小。2) 30℃时，晚材径切面的拉伸弹性模量是早材的2.1倍，晚材弦切面的拉伸弹性模量是早材的3.3倍。在4种组织切片中，LT-LW的拉伸强度最大，LR-LW的拉伸强度是LR-EW的2.0倍。绝干密度和微纤丝角是影响早材和晚材径切面、弦切面拉伸力学行为的2个关键因子。3)当温度由30℃升至80℃时，早材和晚材在径切面、弦切面的拉伸弹性模量和拉伸强度呈降低趋势，其降幅均为早材大于晚材、弦切面大于径切面。早材和晚材在径切面或弦切面拉伸弹性模量和拉伸强度降幅的拐点温度均为60℃，与木材细胞壁中木质素发生软化有关。4)任一加载速率（0.5、1.0和2.0 N·min-1）时，饱水早材和晚材在径切面、弦切面的拉伸应变速率均随温度升高而增大；当温度和加载速率一定时，早材径切面的拉伸应变速率是晚材的2.0倍，早材弦切面的拉伸应变速率是晚材的3.3倍。当加载速率倍增时，早材和晚材径切面、弦切面的拉伸应变速率均呈倍增变化趋势。【结论】饱水早材和晚材在径切面或弦切面的微纤丝角、拉伸弹性模量和拉伸强度均随温度升高而减小（或降低）。与晚材相比，温度变化对早材拉伸弹性模量和拉伸强度的影响更大。温度升高引起微纤丝角变小，抑制拉伸弹性模量和拉伸强度降低，但在60℃及以上水热环境中，木质素软化是引起拉伸弹性模量和拉伸强度降低的主要因素。