杉木无性系木材力学性质及其与微观结构相关性研究

摘要

杉木是我国人工林面积居首位的结构用材树种，杉木无性系因具有遗传增益大、成本低、可保持亲本优良性状等优点而被广泛培育和种植。新无性系木材的力学性质评价以及探究影响其力学性质的微观结构因子对木材高效加工利用及无性系林木选育非常重要。本文选取新近培育的6个杉木无性系(开化3号、开化13号、大坝8、F24x那1-1、洋020和洋061)为实验材料，参照相关国家标准利用万能力学试验机，对6个无性系木材的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和硬度力学性质指标进行了测定;并利用近红外光谱技术，通过对木材力学真值和近红外光谱的分析，构建了杉木无性系木材力学性质校正和预测模型;利用光学显微镜，X-射线衍射仪和傅里叶显微红外成像技术，观测了各无性系木材细胞显微形态以及细胞壁超微结构包括微纤丝角、结晶度和木质素相对含量等影响木材力学性质的微观结构因子特征。本文主要研究结论如下:　　1、杉木无性系木材力学性质变异规律　　(1)6个无性系木材抗弯强度等级均为低，4个20年生无性系木材抗弯强度从高到低依次为开化13号(59.03MPa)、F24x那1-1(57.60Mpa)、大坝8(55.36MPa)、开化3号(51.83MPa):10年生无性系洋020和洋061抗弯强度均较低，分别为51.36MPa、42.56MPa;径向方向从髓心到树皮抗弯强度值逐渐增大。　　(2)6个无性系木材的抗弯弹性模量等级均为低，4个20年生无性系木材抗弯弹性模量从高到低依次为F24x那1-1(11.08GPa)、开化13号(10.95GPa)、大坝8(10.85GPa)、开化3号(10.04GPa)，10年生无性系洋020和洋061抗弯弹性模量分别为10.18GPa、8.98GPa;径向方向从髓心到树皮抗弯弹性模量逐渐增大。　　(3)6个无性系木材顺纹抗压强度等级均为低，4个20年生无性系木材顺纹抗压强度从高到低依次为开化13号(33.52MPa)、F24x那1-1(32.71MPa)、大坝8(32.55MPa)、开化3号(30.98MPa)，10年生无性系洋020和洋061顺纹抗压强度分别为30.27MPa、27.20MPa:沿径向均为自髓心至树皮逐渐增大。　　(4)6个无性系木材硬度等级均为甚软，4个20年生无性系木材平均硬度值从高到低依次为F24x那1-1(1715N)、开化13号(1682N)、开化3号(1606N)、大坝8(1575N)，10年生无性系洋020和洋061平均硬度略低，分别为1486N和1340N，各切面硬度值差异较大，各无性系均为端面硬度最大，弦面硬度次之，径面硬度最小。　　(5)6个无性系木材均为低强度木材;开化13号、F24x那1.1和洋020是本研究中力学性质较优的杉木无性系。　　2、杉木无性系木材力学性质的近红外预测　　(1)各无性系木材抗弯强度校正模型相关系数(Rc)均在0.91以上，预测模型相关系数(Rp)在O.84-0.87之间，F24x那1-1和开化3号模型预测效果最好，Rc为0.87。综合6个无性系信息建立的PLS模型预测效果有所提高，Rc达O.89。　　(2)各无性系木材抗弯弹性模量PLS模型的Rc在0.86-0.93之间，Rp在0.84-0.88之间，大坝8的预测效果最好，Rp为0.88。综合6个无性系信息建立模型的Rc为0.88。　　(3)各无性系木材顺纹抗压强度PLS模型的Rc在O.92以上，Rp在O.87-0.90之间，预测效果较好。综合6个无性系信息所建立模型的精度有所降低，Rc为O.86。　　(4)综合6个杉木无性系木材硬度信息所建立的PLS模型预测效果较好，校正模型相关系数为0.95，预测模型相关系数为0.88。　　3、影响木材力学性质的微观结构因子　　(1)6个无性系木材平均壁腔比为0.167-0.212，与密度具有正相关关系。密度与顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量呈线性正相关，相关系数为O.84、O.81和O.69。　　(2)各无性系木材微纤丝角在10.47°-13.18°之间，其中开化13号最小，大坝8最大;径向从髓心到树皮逐渐减小，与抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度从树皮到髓心逐渐减小的趋势相反，呈负相关关系，即微纤丝角减小，木材力学性质增强。　　(3)各无性系木材结晶度在35.88％-44.63％之间，其中洋060的最小，开化13号的最大;径向从髓心到树皮逐渐增大，与抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度在径向髓心到树皮逐渐增大的趋势相同，两者呈正相关关系，即结晶度增大，力学性质增强。　　(4)6个无性系木材中，木质素相对含量最高的F24x那1.1其硬度值最大，相对含量最低的洋061其硬度最小，总体来说木质素含量与木材硬度呈正比，即木质素含量越高，木材硬度越大。木材作为多种物质组成的非均质材料，显微结构、微纤丝角、结晶度和木质素含量等各影响因子相互叠加，共同反应木材力学性质。

目录

声明

摘要

第一章绪论弟一早硒比

1．1引言

1．2国内外研究现状

1．2．1杉木木材性质研究

1．2．2木材力学性质的近红外光谱预测

1．2．3近红外光谱技术分析方法

1．2．4木材力学性质的影响因子

1．2．5发展趋势

1．3研究目的和主要研究内容

1．3．1研究目的

1．3．2主要研究内容

1．4研究技术路线

第二章杉木无性系木材的力学性质变异规律研究

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1试验材料

2．2．2力学试样制备

2．2．3力学性质试验方法

2．3结果与分析

2．3．1抗弯强度

2．3．2抗弯弹性模量

2．3．3顺纹抗压强度

2．3．4硬度

2．3．5综合强度

2．4小结

第三章杉木无性系木材力学性质的近红外快速预测

3．1引言

3．2试验材料与方法

3．2．1试验材料

3．2．2试验方法

3．3结果与分析

3．3．1杉木无性系木材的近红外光谱

3．3．2抗弯强度的建模分析

3．3．3抗弯弹性模量的建模分析

3．3．4顺纹抗压强度的建模分析

3．3．5硬度的建模分析

3．3．6杉木各无性系木材力学性质的近红外预测

3．4结论

第四章影响木材力学性质的微观结构因子研究

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1试验材料

4．2．2试验方法

4．3结果与分析

4．3．1杉木木材组织细胞形态及解剖参数

4．3．2杉木木材微纤丝角

4．3．3杉木木材结晶度

4．3．4杉木木材化学组分木质素

4．4小结

5．1结论

5．2 讨论

5．3展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢