白蠟樹桿材的剖面密度及與動態力學性能的關系

曾 輝，李江曉，劉艷萍，楊亞峰

（1.河南投資集團有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省林業科學研究院，河南 鄭州 450008；3.河南農業大學，河南 鄭州 450002）

利用白蠟樹（Fraxinus chinensis）材通過精深加工生產成套沙發、成套餐桌、餐椅、室內外裝飾用的各式花架、沙灘躺椅等多種精美工藝品和家具，而且這些產品已銷往上海、北京、廣州、深圳等地，并出口到西班牙、美國、加拿大、澳大利亞、日本、新加坡等國家，深受國內外消費者的喜愛和青睞。然而，關于白蠟桿木材材性及加工利用的研究較少：劉君良等[1]通過對吉林省白蠟木的解剖特征、物理性質、力學性能的綜合分析得出白蠟木早材導管分子的平均直徑為241 μm，晚材為67.8 μm，薄壁細胞含量少，木射線不發達；沈德君等[2]通過對白蠟木的物理、力學性能的測試得出白蠟木順紋抗拉強度較高，彎曲能力也很好，非常適合作曲木家具或彎曲性家具零部件；劉艷萍等[3～4]研究了白蠟條木材解剖性質及其變異，同時還介紹了白蠟桿曲木家具的生產工藝。本研究以6年生的白蠟樹桿材為試材，借助剖面密度儀和動態熱機械分析儀對其剖面密度、儲能模量、損耗模量和損耗因子等與白蠟樹桿材彎曲性能密切相關的性能進行檢測和分析，以期為白蠟桿木材的加工利用和進一步研究提供基本數據和重要依據。

1 材料與方法

1.1 材料

白蠟樹桿材取自河南省寧陵縣，白蠟桿為6年生灌木，取回后去除稍頭、側枝，并將主干去皮，室內陰干。

1.2 方法

1.2.1 試樣制備 在同一白蠟桿試材的下部（0.5 m處）、中部（1.5 m處）和上部（2.5 m處）各截取1段，分別標上記號；制成四角方正、四邊平齊、尺寸為60 mm×6 mm×4 mm（長×寬×厚）的試樣，用于動態力學性能的測試；再依據不同部位試材的粗度分別鋸制成長度×寬度×厚度為50 mm×31.3 mm×34.3 mm（下部）、50 mm×25.7 mm×27.0 mm（中部）和50 mm×23.2 mm×22.9 mm（上部）的試件，用于剖面密度的測試。

1.2.2 動態力學性能的測試 采用德國NETZSCH DMA242動態熱機械分析儀，利用三點彎曲的承載方式，溫度范圍為室溫 ～ 280℃，氣體空氣，升溫速率2℃/min，動態力4 N，頻率采用單頻。

1.2.3 剖面密度的測試 采用德國EWS公司的DENSE-LABX剖面密度測試儀，步進厚度為0.05 mm，密度數據通過格式轉換，用Microsoft Origin 8.0軟件進行數據處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 白蠟樹桿材不同高度的剖面密度

白蠟樹桿材不同高度的剖面密度分布曲線如圖1所示。由圖1可以看出，白蠟樹桿材不同高度的剖面密度曲線形狀相似，呈現近樹皮的木材密度最低、由樹皮到近髓心部位的木材密度逐漸升高、髓心處的木材密度又較低，即邊材密度低、心材密度高，這符合木材性能的一般規律。圖1還表明，三條剖面密度曲線的高度差異較大，尤其是白蠟樹桿材下部的剖面密度曲線顯著高于中部和上部的，中部的剖面密度曲線略高于上部的，下部的密度平均值為409.0 kg/m3、中部的密度平均值為313.3 kg/m3、上部的密度平均值為304.1 kg/m3，這與白蠟樹桿材不同高度基本密度[5]的規律一致。白蠟樹桿材下部心材密度值較集中，在450 ～ 490 kg/m3，而中部和上部心材密度值波動性較大，分別在 300 ～ 386 kg/m3、300 ～ 360 kg/m3。

圖1 白蠟樹桿材不同高度的剖面密度分布Figure1 Vertical density at different part of F.chinensis wood

2.2 白蠟樹桿材不同高度剖面密度與動態力學性能的相關分析

白蠟樹桿材剖面密度與動態力學性能的相關分析見表1。從表1結果可知，白蠟桿木材下部的剖面密度與儲能模量、損耗模量、損耗因子呈正相關，且與三者在0.01水平上達到極顯著相關；白蠟桿木材中部的剖面密度與儲能模量、損耗模量、損耗因子呈正相關，且與三者在0.01水平上達到極顯著相關；白蠟桿木材上部的剖面密度與儲能模量、損耗模量、損耗因子呈正相關，且與損耗模量和損耗因子在0.01水平上達到極顯著相關。

3 結論與討論

木材密度是木材性質的一項重要指標，是判斷木材強度的最佳指標[6]；可以根據它來估計木材的質量，判斷木材的工藝性質和物理力學性質（強度、硬度、干縮、及濕漲等）。剖面密度分布是指材料在厚度方向上的密度變化，通常沿厚度中心線呈幾何對稱分布[7]，可借助剖面密度儀快速測試。試驗結果顯示，6年生白蠟樹桿材不同部位的剖面密度沿試件厚度中心線呈對稱分布，且其下部的剖面密度曲線顯著高于中部和上部的，中部的剖面密度曲線略高于上部的，同時白蠟樹桿材下部心材密度曲線較光滑、中部和上部心材密度曲線具有較大的波動性，這說明白蠟桿下部木材材性優良、質地均勻度高，中部和上部的材性相對較差、質地均勻度低。

表1 白蠟樹桿材不同高度剖面密度與儲能模量、損耗模量、損耗因子的相關分析Table1 Correlation analysis of vertical density with storage modulus,loss modulus and loss factors

從白蠟樹桿材剖面密度與動態力學性能的相關分析可知，除了白蠟樹桿材下部剖面密度與儲能模量不顯著相關外，白蠟樹桿材的剖面密度與儲能模量、損耗模量和損耗因子等動態力學性能呈極顯著相關（r＞r0.01），且白蠟樹桿材下部的密度與儲能模量、損耗模量和損耗因子的相關系數值大于中部和上部的，這說明木材密度對木材力學性能的影響較大。木材密度大、質地均勻度高，其動態力學性能相對就好。木質材料屬高分子材料[6]，是典型的粘彈性材料這種粘彈性表現在一切力學行為中。當高聚物材料作為結構材料使用時，主要利用它們的彈性；而作為減振或隔音材料使用時，需利用它們的粘性。前者要求材料在使用的溫度和頻率范圍內有較高的儲能模量，后者要求在使用溫度和頻率范圍內有較高的阻尼。因此，在設計與加工高聚物制件時，材料的上述動態力學性能參數是非常重要的[8～9]。結合白蠟樹桿材的加工利用情況，將白蠟樹桿材的下部用于曲木家具的骨架部位；而中部和上部易彎曲造型，可加工成各種附件。

[1]劉君良，沈德君，洪克誠，等.白蠟木的解剖特征與材性分析[J].吉林林學院學報，1996，12（10）：43－46.

[2]沈德君，牛笑一.白蠟桿曲木家具的可行性研究[J].家具與室內裝飾，2000，（6）：13.

[3]劉艷萍，陳志林，曾輝，等.白蠟桿材性及其曲木家具生產工藝[J].林業科技開發，2008，22（6）：82－84.

[4]劉艷萍，陳志林，張洋，等.白蠟條木材解剖性質及其變異的研究[J].南京林業大學學報（自然科學版），2009，33（4）：125－128.

[5]劉艷萍.白蠟桿生長規律和基本材性的研究[D].鄭州：河南農業大學，2007.

[6]尹思慈.木材學[M].北京：中國林業出版社，1996.

[7]吳章康，周定國，張宏健.木質人造板剖面密度分布的意義與研究進展[J].木材工業，2001，15（4）：3－5.

[8]L E 尼爾生（著）.馮之榴，陳東霖，余賦生（譯）.高聚物的力學性能[M].上海：上?？茖W技術出版社，1996.

[9]高家武，周福珍，劉士昕，等.高分子材料熱分子曲線集[M].北京：科學出版社，1990.