CN112666138B

CN112666138B - 一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法

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Publication number: CN112666138B
Application number: CN202011438074.5A
Authority: CN
Inventors: 杨燕; 王爱风; 王巍; 李斌; 贺一明; 赵瑞; 赵莹; 陶明慧; 卞光杰; 孙雯叶; 田明金; 张斌鑫; 武倩; 韩艳夏
Original assignee: Nanyang Institute of Technology
Current assignee: Nanyang Institute of Technology
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112666138A

Abstract

本发明公开了一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法，该方法是通过与对照材切片进行比较，分析待测木材切片的主要木质素类型及总木质素的含量情况，以判断木材抗弯弹性模量高低和抗弯的难易。本发明方法以“较少试样的微观分析”对其木质素含量和类型进行测定，从而快速预测木材的抗弯弹性形变难易的方法，可为木材具体所能使用场所的获取提供初步的参考依据和理论依据；本方法能够实现木材抗弯弹性形变难易的快速预测，流程简单，操控性好，设备通用性强，评估结果准确可靠，对任何木材抗弯弹性形变难易的预测均适用，成本经济可控；本方法与抗弯弹性模量的力学试验相比，大大节约了材料成本，也减少了力学试验制样麻烦的困扰。

Description

一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法

技术领域

本发明属于木材性能检测技术领域，具体涉及一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法。

背景技术

从功能和审美的角度出发，弯曲木具有一定的弯曲弧度和优雅的造型，是其它传统实木家具种类所无法媲美的。通过实木弯曲工艺生产获得的弯曲木，在整个弯曲过程中没有破坏木材的纤维，弯曲后的木材力学强度不会受到大的影响；另外，实木弯曲可节材30%以上，所以越来越受到人们的青睐。但不同的木材由于其解剖构造、细胞壁物质的量及化学特性等的不同，其弯曲性能也存在着一定的差异。

众所周知，木材的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成的。其中，木质素赋予木材硬度，木质素含量的高低直接影响到木材软硬程度的高低，如果使用高木质素含量的木材来做弯曲木或压缩木，势必会增加其弯曲或压缩的难度。目前，对木材是否适宜用于弯曲或压缩处理即抗弯弹性模量的评价，多数依然采用传统的实验室大试件的力学测试，极大地浪费了木材，且破坏性的力学测试的制样较为复杂，木材属非均质的材料，试验结果的误差较大。

因此，研究一种易操作、低成本的快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法是极其必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法。

本发明的目的是这样实现的，一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法，通过与对比材切片比较，分析待测木材切片的主要木质素类型及总木质素的含量高低情况，来判断木材抗弯弹性模量高低和抗弯的难易。

木质素中含有发色基团（如与苯环共轭的羰基、羧基和烯等）和助色基团（如酚羟基和醇羟基），能够发生显色，所以，可以利用木质素的显色或变色反应对其进行含量的测定。木质素重要的Mäule显色反应可将木材细胞壁中紫丁香基结构单元（S型）木质素染成红色，将愈创木基结构单元（G型）木质素染成黄褐色，S型木质素含量越高，木材的Mäule反应越偏红色。对于针叶树材来说，细胞壁木质素主要以G型为主，而阔叶树材细胞壁木质素主要由G型和S型组成，所以Mäule反应可用于G型和S型木质素的区分。G型木质素含量高的木材，木材的耐腐性以及抵抗弯曲的能力则较高。木质素还具有荧光反应，通常，荧光强度越大，则木质素的浓度越高，所以可根据其荧光的强弱可以判定木材不同细胞类型细胞壁以及不同壁层结构中木质素含量高低。

因此，本发明从研究木材微观构造角度出发，采用Mäule染色反应以及荧光反应对几种木材木质素含量进行分析，以分析其是否适合于弯曲、压缩等处理。

与现有技术相比，本发明方法具有以下优势：

1）本方法以“较少试样的微观分析”对其木质素含量和类型进行测定，从而快速预测木材的抗弯弹性形变难易的方法，极大地节约了检测成本，并为木材具体所能使用场所的获取提供初步的参考依据和理论依据。

2）本方法能够实现木材抗弯弹性形变难易的快速预测，流程简单，操控性好，设备通用性强，评估结果准确可靠，对任何木材抗弯弹性形变难易的预测均适用，成本经济可控；

3）本方法与抗弯弹性模量的力学试验相比，大大节约了材料成本，也减少了力学试验制样麻烦的困扰。

附图说明

图1为本发明实施例1中杉木Cunninghamia lanceolate中木质素的Mäule组织染色反应和荧光反应图；其中，图1（a）为横切面 Mäule reaction staining（10X），图1（b）为径切面 Mäule reaction staining （10X），图1（c）为弦切面 Mäule reaction staining（10X），图1（d）为横切面Fluorescence reaction （20X），图1（e）为径切面Fluorescencereaction（20X），图1（f）弦切面Fluorescence reaction （20X）。

图2为本发明实施例2中西南桦Betula alnoides中木质素的Mäule组织染色反应和荧光反应图；其中，图2（a）为横切面Mäule reaction staining（10X），图2（b）为径切面Mäule reaction staining（10X），图2（c）为弦切面Mäule reaction staining （10X），图2（d）为横切面Fluorescence reaction（20X），图2（e）为径切面Fluorescence reaction （20X），图2（f）为弦切面Fluorescence reaction （20X）；

图3为本发明实施例3中水青冈Fagus longipetiolata中木质素的Mäule组织染色反应和荧光反应图；其中，图3（a）为横切面Mäule reaction staining（10X），图3（b）为径切面Mäule reaction staining （10X），图3（c）为弦切面Mäule reaction staining （10X），图3（d）为横切面Fluorescence reaction （40X），图3（e）为径切面Fluorescence reaction（10X），图3（f）为弦切面Fluorescence reaction （10X）；

图4为本发明实施例4中水曲柳Fraxinus mandshurica中木质素的Mäule组织染色反应和荧光反应图；其中，图4（a）横切面Mäule reaction staining（10X），图4（b）径切面Mäule reaction staining （10X），图4（c）弦切面 Mäule reaction staining（10X），图4（d）横切面Fluorescence reaction（4X），图4（e）径切面Fluorescence reaction （10X），图4（f）弦切面Fluorescence reaction（10X）；

图5为本发明实施例5中柚木Tectona grandis中木质素的Mäule组织染色反应和荧光反应图；其中，图5（a）为横切面Mäule reaction staining（10X），图5（b）为径切面Mäule reaction staining（10X），图5（c）为弦切面Mäule reaction staining（10X），图5（d）为横切面Fluorescence reaction （40X），图5（e）为径切面Fluorescence reaction（10X），图5（f）为弦切面Fluorescence reaction（10X）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

本发明一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法，通过与对比材切片进行比较，分析待测木材切片的主要木质素类型及总木质素的含量高低情况，来判断木材抗弯弹性模量高低和抗弯的难易。

具体的预测方法包括以下情形：

a、若待测木材的木质素类型属于G型且总木质素含量较高，说明待测木材的抗弯弹性模量高，不容易进行弯曲处理；

b、若待测木材的木质素类型属于G型且总木质素含量较低，说明待测木材的抗弯弹性模量低，容易进行弯曲处理；

c、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，但以S型为主且总木质素含量较低，说明待测木材的抗弯弹性模量低，容易进行弯曲处理；

d、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，但以G型为主且总木质素含量较高，说明待测木材的抗弯弹性模量高，不容易进行弯曲处理；

e、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，但以S型为主且总木质素含量较高，说明待测木材的抗弯弹性模量高，不容易进行弯曲处理，与情形d相比，弯曲处理相对容易；

f、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，但以G型为主且总木质素含量较低，说明待测木材的抗弯弹性模量低，容易进行弯曲处理，但与情形c相比，弯曲处理难度相对大。

所述对照材为杉木。

木材的主要木质素类型是通过Mäule组织染色反应进行判定，具体方法如下：将切片置于1-2%高锰酸钾溶液中染色4-6 min后，用蒸；馏水冲洗2-3遍，再在2-4%盐酸溶液浸泡60-80s后，用蒸馏水冲洗2-3遍，最后用28-30%浓氨水封片，在光学显微镜下进行G型和S型木质素的观察和判定。

所述木材木质素总含量的高低是通过荧光检测的方法进行判定，具体方法如下：根据木质素与吖啶橙特异反应显示荧光现象的原理，本方法是将切片放在0.001%吖啶橙溶液中染色，顺序浸入浓度自低至高梯度设置的乙醇水溶液中进行脱水，最后采用不同梯度的乙醇水溶液进行脱水，用65-75%甘油封片，通过荧光显微镜在蓝色的滤光片515-560 nm下观察木质素的绿色荧光特性以判定其木质素含量的高低。

所述乙醇水溶液的浓度梯度为：30%、50%、70%、90%、100%。

所述木材切片通过以下步骤制作：

1）切片：将试样放在徕卡切片机上进行横切面、径切面、弦切面的切片，切面的厚度不大于10 μm；

2）脱水：将切片顺序浸入浓度自低至高梯度设置的乙醇水溶液中进行脱水处理，每个浓度8-12 min；

3）染色：将脱水的切片浸入2-4%的番红水溶液中进行染色处理；

4）脱脂：将染色的切片进行脱脂处理3-5min；

5）封片：用中性树脂将脱脂后的切片贴在载玻片上即得。

所述步骤2中，乙醇水溶液的浓度梯度为：40-50%、65-80%、90-95%和100%。

所述步骤3中，通过将染色的切片浸入二甲苯溶液中进行脱脂处理。

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1杉木对照材木质素含量和类型检测

实验材料：杉木试样

实验方法：

一、切片制作

切片：取上述试样放在徕卡切片机上进行横切面、径切面、弦切面的切片，切面的厚度不大于10 μm；

脱水：切片分别浸入50%、75%、95%和100%乙醇水溶液中进行脱水处理，每个浓度10min；

染色：切片浸入3%的番红水溶液中进行染色处理；

脱脂：切片浸入二甲苯溶液中进行脱脂处理，4min；

封片：用中性树脂将切片贴在载玻片上。

二、木材木质素类型的微观判定

采用Mäule组织染色反应进行木质素类型（G型和S型）的微观判定。将切片放在2%高锰酸钾（KMnO₄）溶液中染色5 min，蒸馏水洗净3遍，再在3%盐酸（HCl）溶液浸泡1min，蒸馏水洗净3遍，29%浓氨水封片，在尼康光学显微镜下进行G型和S型木质素的观察和判定。

三、木材木质素总含量的荧光测定

采用生物数码显微镜，在荧光（蓝色的滤光片515-560nm）下对其木质素含量和分布情况进行观察和分析。根据木质素与吖啶橙特异反应显示荧光现象，将切片放在0.001%吖啶橙溶液染色，采用不同梯度的乙醇（30%、50%、70%、90%、100%）进行脱水，70%甘油封片，在尼康荧光显微镜下观察木质素的绿色荧光特性以判定其木质素含量的高低。

实验结果：Mäule染色反应后，不管是从横切面、径切面还是弦切面上观察，杉木管胞和木射线细胞壁的颜色均为浅黄褐色，不显红色，说明杉木木材的管胞和木射线细胞壁中的木质素主要为G型，几乎不含S型（图1a、b、c）。荧光反应显示，不管是杉木管胞还是木射线的细胞壁的亮度均较高（图1d），总体自发荧光性较强，说明该木材中木质素总的含量较高。较高的木质素含量以及较高的G型木质素含量意味着杉木木材具有较高的抗弯弹性模量和较为不容易的弯曲处理。

实施例2西南桦质素含量和类型检测

实验材料：西南桦试样

实验方法与实施例1相同。

实验结果：和实施例1中杉木切片相比，Mäule染色反应后，不管是从横切面、径切面还是弦切面上观察，西南桦木纤维、导管和木射线细胞壁的颜色均为深红色，说明西南桦木材的木纤维、导管和木射线细胞壁中的木质素主要为S型（图2a、b、c）。荧光反应显示，不管是西南桦木纤维、导管还是木射线的细胞壁的亮度均较低（图2d），总体自发荧光性较弱，说明该木材中木质素总的含量较低。

预测结果：较低的木质素含量以及较高的S型木质素含量意味着该木材具有较低的抗弯弹性模量和较为容易的弯曲处理。

实施例3水青冈木质素含量和类型检测

实验材料：水青冈试样

实验方法与实施例1相同。

实验结果：和实施例1中杉木切片相比，Mäule染色反应后，不管是从横切面、径切面还是弦切面上观察，水青冈木纤维、导管和木射线细胞壁的颜色均为深红色，说明水青冈木材的木纤维、导管和木射线细胞壁中的木质素主要为S型（图3a、b、c）。荧光反应显示，不管是水青冈木纤维、导管还是木射线的细胞壁的亮度均较低（图3d），总体自发荧光性较弱；说明该木材中木质素总的含量较低。

实施例4水曲柳木质素含量和类型检测

实验材料：水曲柳试样

实验方法与实施例1相同。

实验结果：和实施例1中杉木切片相比，Mäule染色反应后，不管是从横切面、径切面还是弦切面上观察，水曲柳木纤维、导管和木射线细胞壁的颜色均为深红色，说明水曲柳木材的木纤维、导管和木射线细胞壁中的木质素主要为S型（图4a、b、c）。但荧光反应显示，水曲柳木纤维细胞壁的亮度均较低（图1d），总体自发荧光性较弱，说明该木材木纤维细胞壁中木质素总的含量较低；而导管、木射线和轴向薄壁组织的细胞壁的亮度均较高（图4d），总体自发荧光性较强，说明该木材导管、木射线和轴向薄壁组织中木质素总的含量较高。水曲柳木材中部分位置木质素含量高，而部分木质素含量低，当在对其进行弯曲、压缩等处理时会在存在处理效果不一致的情况，导致木材内部不均匀的破坏。

预测结果：较高的木质素含量以及较高的S型木质素含量意味着该木材具有较高的抗弯弹性模量和较为不容易的弯曲处理。

实施例5柚木木质素含量和类型检测

实验材料：柚木试样

实验方法与实施例1相同。

实验结果：和实施例1中杉木切片相比，Mäule染色反应后，不管是从横切面、径切面还是弦切面上观察，柚木木纤维、导管和木射线细胞壁的颜色均为淡黄褐色，说明柚木木材的木纤维、导管和木射线细胞壁中的木质素主要为G型（图5a、b、c）。荧光反应显示，不管是柚木木纤维、导管还是木射线的细胞壁的亮度均较高（图5d），总体自发荧光性较强，说明该木材中木质素总的含量较高。

预测结果：较高的木质素含量以及较高的G型木质素含量意味着该木材具有较高的抗弯弹性模量和较为不容易的弯曲处理。

Claims

1.一种基于微观构造快速预测木材抗弯弹性形变难易的方法，其特征在于，与对照材切片进行比较，分析待测木材切片的主要木质素类型及总木质素的含量情况，用来预测木材抗弯弹性模量高低和抗弯的难易，具体包括以下情形：

c、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，以S型为主且总木质素含量较低，说明待测木材的抗弯弹性模量低，容易进行弯曲处理；

d、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，以G型为主且总木质素含量较高，说明待测木材的抗弯弹性模量高，不容易进行弯曲处理；

e、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，以S型为主且总木质素含量较高，说明待测木材的抗弯弹性模量高，不容易进行弯曲处理，与情形d相比，弯曲处理相对容易；

f、若待测木材的木质素类型包括S型和G型，以G型为主且总木质素含量较低，说明待测木材的抗弯弹性模量低，容易进行弯曲处理，与情形c相比，弯曲处理难度相对大。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对照材为杉木。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，木材的主要木质素类型是通过Mäule组织染色反应进行判定，具体方法如下：将切片置于1-2%高锰酸钾溶液中染色4-6min后，用蒸；蒸馏水冲洗2-3遍，再在2-4%盐酸溶液浸泡60-80s后，用蒸馏水冲洗2-3遍，最后用28-30%浓氨水封片，在光学显微镜下进行G型和S型木质素的观察和判定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，木材木质素总含量的高低是通过荧光检测的方法进行判定，具体方法如下：将切片放在0.001%吖啶橙溶液中染色，顺序浸入30%、50%、70%、90%、100% 乙醇水溶液中进行脱水，用65-75%甘油封片，通过荧光显微镜在蓝色的滤光片515-560nm下观察木质素的绿色荧光特性以判定其木质素含量的高低。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木材切片通过以下步骤制作：

1）切片：将试样放在徕卡切片机上进行横切面、径切面、弦切面的切片，切面的厚度不大于10μm；

2）脱水：将切片顺序浸入40-50%、65-80%、90-95%和100%的乙醇水溶液中进行脱水处理，每个浓度8-12min；

4）脱脂：将染色的切片进行脱脂处理3-5min；

5）封片：用中性树脂将脱脂后的切片贴在载玻片上即得。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3）中，通过将染色的切片浸入二甲苯溶液中进行脱脂处理。