初期褐腐对杉木宏观和组织力学性能的影响

论文摘要

本研究以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)制作而成的非标样(1.5mm厚木薄片和80μm厚零距拉伸微薄片)为研究对象,利用密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)对其进行褐腐处理,以腐朽材质量损失率作为腐朽程度的判断标准,分别进行褐腐杉木木薄片纵向抗拉强度测试和杉木微薄片零距拉伸测试,从宏观水平和组织水平上探讨不同腐朽程度处理对杉木力学性能的影响,同时分别利用扫描电子显微镜观察腐朽试样内部显微结构变化,傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析技术测试腐朽杉木主要化学成分官能团和化学键的改变,以及X射线衍射分析技术测定腐朽杉木纤维素相对结晶度的变化情况来分析腐朽杉木力学性能变化的原因。主要结论如下:(1)腐朽试样的质量损失率随着腐朽时间的增长,腐朽程度的加深,呈现增大趋势,其中腐朽杉木木薄片试样每个处理水平的质量损失率下降幅度较为均匀,在腐朽后6周质量损失率达到10%;腐朽杉木零距拉伸实验试样在腐朽后12周至16周间质量损失率达到10%。外观较之正常材发生较明显变化,颜色呈现红褐色,而且随着腐朽时间的延长,颜色逐渐加深;褐腐处理材表面纤维容易剥落和产生裂纹,随着腐朽程度的加深,这种趋势越加明显,同时在气干状态下,腐朽材较之正常材更容易产生翘曲及扭曲变形,同时也更容易产生向内的收缩变形。(2)研究发现在本研究条件下所选用宏观小尺寸试样可以反映出宏观的力学性能,整个实验结果显示质量损失率与纵向抗拉强度及弹性模量之间存在明显的的相关性。1.5mm厚腐朽杉木木薄片纵向抗拉强度和弹性模量分别为102.861MPa和16.638GPa,变异系数分别为22.468%和30.155%,与未处理材相比均呈现出较为明显的下降趋势。当质量损失率分别为1.35%(第二周),5.03%(第四周),10.12%(第六周)时,腐朽杉木木薄片的纵向抗拉强度分别下降5.52%、13.21%、和29.86。在腐朽杉木木薄片纵向抗拉强度测试试验中,出现了两种主要的断裂形式:早晚材剥离型和齐断型,两种断裂方式中断口处均出现随着腐朽程度加深出现类似于纤维的拔出的现象;在组织水平上,腐朽杉木管胞纵向抗拉强度与未处理材相比有所降低,而且随着腐朽时间的延长,腐朽程度的加深,杉木管胞纵向抗拉强度呈现出逐渐下降的趋势。腐朽材质量损失为0.025%,与未处理材相比,管胞纵向抗拉强度下降了5.8%,表明即使在质量损失不是非常明显的情况下,腐朽材的力学性能较之正常材也会有较为明显的降低,与前人对腐朽材宏观力学性能的研究结果一致,表明在组织水平上以质量损失率为衡量腐朽程度时腐朽材所表现出的力学性能变化可以反应宏观水平上腐朽材的力学性能变化。(3)采用X射线衍射分析技术对腐朽杉木纤维素相对结晶度的变化情况做了分析,纤维素的结晶结构被褐腐菌分泌的纤维素酶降解破坏,结晶区逐渐转变为无定形区,从而使得腐朽材纤维素相对结晶度逐渐减小,同时无定形区纤维素大分子链更容易被褐腐菌降解为碳水化合物成为腐朽菌的生活养料,导致力学性能下降;利用傅里叶变换红外光谱分析技术对褐腐杉木主要化学成分进行了研究,褐腐菌对于作为木材力学性能的主要贡献者纤维素和半纤维素的降解体现在傅里叶红外光谱图中纤维素特征峰和半纤维素特征峰的显著减弱,导致褐腐材力学性能下降,同时木质素特征峰的吸收强度有小幅度的增强,表明木质素含量相对有小幅度的增加;通过扫描电子显微镜观察发现,随着腐朽程度的加深,褐腐菌对细胞壁的降解破坏越加严重,褐腐菌以管胞细胞壁上的纹孔为通道向四周管胞扩展,直接在细胞壁侵蚀形成孔洞较少,但会深入到细胞壁内部沿细胞轴向腐蚀细胞壁。杉木细胞壁主要化学成分纤维素和半纤维的降解直接导致纤维素相对结晶度的降低及细胞壁的破坏,进而导致腐朽杉木的质量和力学性能随着腐朽程度的逐渐减小和降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 腐朽木材力学性能研究现状
• 1.3 木材微观力学测试方法研究现状
• 1.3.1 零距拉伸技术及应用
• 1.3.2 纳米压痕技术及应用
• 1.4 研究目的意义与项目来源
• 1.5 论文的主要研究内容
• 1.6 技术路线图
• 第二章 人工林杉木室内褐腐实验
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料和实验设备
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 腐朽试样制备
• 2.2.3 实验设备及材料
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 褐腐菌种选择及取样时间点确定
• 2.3.2 培养基制作及接菌
• 2.3.3 腐朽样品选择及分组
• 2.4 结果与分析
• 2.4.1 腐朽试样材质变化
• 2.4.2 腐朽试样质量损失率变化
• 2.5 小结
• 第三章 不同尺度杉木褐腐材力学性质分析
• 3.1 引言
• 3.2 腐朽宏观小试样纵向抗拉强度
• 3.2.1 实验材料与设备
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 结果与分析
• 3.3 零距拉伸强度
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 结果与分析
• 3.4 小结
• 第四章 褐腐材力学性能变化机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 显微构造观察
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 结果与分析
• 4.3 基于傅里叶红外光谱（FTIR）方法的化学成分分析
• 4.3.1 实验材料
• 4.3.2 实验方法
• 4.3.3 结果与分析
• 4.4 基于X 射线衍射技术的腐朽材相对结晶度变化分析
• 4.4.1 实验材料
• 4.4.2 实验方法
• 4.4.3 结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 讨论与建议
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢