大钩叶藤与玛瑙省藤材的主要物理力学性质对比1)

2014-03-06尚莉莉刘杏娥吕黄飞江泽慧杨淑敏田根林

东北林业大学学报 2014年12期

尚莉莉刘杏娥吕黄飞江泽慧杨淑敏田根林

(国际竹藤中心，北京，100102) (安徽农业大学) (国际竹藤中心)

责任编辑:戴芳天。

棕榈藤是热带森林宝库中的多用途植物资源，具有很高的经济价值。世界上共有13属600多种，亚洲分布有10属约300～400种。其中商品藤种有20多种，主要分布在印度尼西亚、马来西亚等东南亚国家。商品藤种主要为省藤属，其它属较少［1］。我国棕榈藤有3属40种，分别是黄藤属(Daemonorops)1种，钩叶藤属(Plectocomia)4种，省藤属(Calamus)35种［2］，商业用藤约为10种，主要为省藤属和黄藤属。

原藤是仅次于木材和竹材的重要非木材林产品［3］，被广泛用于制造桌、椅、茶几、沙发、床等藤制家具以及工艺品［4］。目前家具业中最受欢迎的是玛瑙省藤，被称为“藤中之王”［5］。玛瑙省藤茎粗壮、韧性好、用途广，与其他藤种相比具有更好的性能。我国家具企业所用玛瑙省藤主要依赖于进口，产地为印度尼西亚，自2012年1月1日始，印度尼西亚制定了更严格的藤原料出口限制条例，中国藤产业因此受到了很大冲击，北京、广东等地的藤产业随之低迷，许多小型藤企业已倒闭或转行，为数不多仍在运营的藤企业也面临着严重的原料匮乏问题。因此，加大藤资源培育，做好非商业用藤材的性能研究，将其通过改性等手段转变成商业用藤材势在必行。目前，我国现有藤种中唯有钩叶藤属的大钩叶藤和钩叶藤在径级上能与玛瑙省藤相媲美，而相关性能研究在国内还是空白，探究其代替玛瑙省藤的可行性需要对其性能进行系统研究，以期为其改性研究及商业化利用提供基础数据支持。笔者以大钩叶藤材为研究对象，研究其基本密度、抗压和抗弯性能，并与玛瑙省藤进行比较，据此为提出可行的改性方案奠定基础。

1 材料与方法

1．1 材料

大钩叶藤(Pl．assamica Grift)，云南采集，平均直径47．60 mm，4株;

玛瑙省藤(Calamus manan)，印度尼西亚购买，平均直径31．87 mm，5株。

试验样品的制备参照标准LY/T 2220．1—2013《棕榈藤材材性试样采集与制备方法》第1部分:物理力学性质”进行［6］。

1．2 方法

基本密度测试:结合竹材和木材的密度测试方法［7－8］，采用饱水法测量。试验按整藤和分层剖片进行密度测试。试件高度为30 mm，分层剖片厚度为3、5 mm，试件10～15个，如图1所示。

力学性能测试:测试性能为抗压和抗弯性能。抗压性能试件尺寸为长度∶直径=2∶1，整藤测试;抗弯性能试件尺寸为长度∶直径=8∶1，分整藤测试和剖分藤片测试两种，试件数量不少于10个。样品制备后在温度为20℃，相对湿度为65%条件下，平衡40 d后进行测试。抗压性能测试参照木材和竹材标准，抗弯性能测试方法参照文献［9］，支点跨距为240 mm，试件在±60 s内破坏。

图1 试件取样示意图

2 结果与分析

2．1 大钩叶藤材与玛瑙省藤材的基本密度

基本密度是与样品内固体物质含量密切相关的一个基本物理性能指标，也是藤家具行业中材料取舍的重要指标之一。一般来说密度与材料的力学性能存在一定正相关关系，即密度越大，力学性能越好。用饱水法测得的大钩叶藤和玛瑙省藤材整藤的基本密度平均值分别为0．302 1 g/cm3和0．524 9 g/cm3。研究表明，两种藤材不仅平均基本密度有很大差异，在横截面上藤材基本密度分布也有很大差异(见表1)。从宏观组成来看，藤材由维管束和基本薄壁组织组成，维管束主要由纤维、木质部导管和韧皮部等构成。维管束中含有的致密纤维是密度较大且主要的承力结构，因此维管束的分布决定了材料的密度分布，也决定了材料的力学性能。将两种藤材从藤皮到藤芯进行分片，研究基本密度的差异性，并探讨维管束分布和形态对基本密度的影响。

可以看出，大钩叶藤材从藤皮到藤芯再到藤皮，基本密度先减小后增大，藤皮部密度远高于藤芯部;玛瑙省藤材的基本密度从藤皮到藤芯变化不大。两种藤材在横截面上沿直径方向的基本密度变化差异明显:玛瑙省藤材的基本密度最大与最小部分差异不大，而大钩叶藤材的基本密度最大与最小部分的差异大，约为3倍。大钩叶藤材在藤皮部的基本密度甚至比玛瑙省藤材大，原因可能与皮层处第一层维管束纤维鞘外围的纤维硬化有关，前人的研究表明玛瑙省藤中不含有这一结构［10］;但在藤芯部位差异极大。根据基本密度的变异可以看出玛瑙省藤材的材质均匀度较好，大钩叶藤材的材质均匀度较低。大钩叶藤材从藤皮到藤芯基本密度分布差异大的原因可以从解剖构造上进行阐释，密度大小代表细胞壁率的多少，藤皮部位厚壁纤维含量较高，藤芯部位纤维含量较少，且纤维细胞壁变薄，故藤皮藤芯处基本密度差异明显。另外，藤皮处单位面积上的维管束数量远大于藤芯处，由解剖测量可知，藤皮处单位面积上的维管束为14．66个/mm2，而藤芯处单位面积上的维管束仅为1．41个/mm2。而且藤皮处的第一层维管束纤维鞘外围的纤维硬化细胞也能增加藤皮处的密度。

表1 2种藤材的分层基本密度

2．2 大钩叶藤和玛瑙省藤材的抗压性能

图2、表2为两种藤材的抗压应力—应变曲线和抗压性能比较。可以看出，两种藤材的抗压应力—应变曲线相似，大致可分为线弹性阶段、应力屈服阶段和破坏阶段，应力—应变曲线发展趋势相同而斜率不同。从中可以判断出两种藤材的抗压弹性模量和抗压强度差异明显，玛瑙省藤材的抗压弹性模量和抗压强度远高于大钩叶藤材。从表2中可知大钩叶藤材的抗压弹性模量和抗压强度分别为174．38、16．92 MPa，玛瑙省藤材的分别为412．06、37．11 MPa。玛瑙省藤材的抗压强度和抗压弹性模量值是大钩叶藤材的两倍多。除密度的差异外，可能的原因与藤材的解剖构造及纤维比量有关。前人的研究结果表明，藤材的抗压强度、抗压弹性模量和纤维比量显著正相关，与薄壁组织比量显著负相关。大钩叶藤材的薄壁组织质量分数平均为83．48%，高于玛瑙省藤的薄壁组织质量分数，虽然薄壁组织可承受较大的应变，但由于微纤丝角及薄壁细胞的数量、形态等的影响使强度值变小。

2．3 大钩叶藤和玛瑙省藤材的抗弯性能

抗弯强度和抗弯弹性模量是藤材重要的力学指标，是藤材材质判定的主要因子。与木材和竹材的抗弯性能相比，棕榈藤材的力学性质差异明显。与木材相比，藤材不具有木射线等横向构造，材质均匀性也与木材相差很大，藤皮与藤芯有明显区别。已有的研究表明［9］，藤皮对藤材的抗弯特性有非常大的贡献，尤其对于藤芯、藤皮差异较大的藤材。本实验中分别测量了含藤皮藤材和矩形藤片的抗弯性能，矩形藤片又分为径向和弦向加载。图3、图4和表2、表3分别列出了两种藤材整藤和矩形藤片的抗弯性能。

图2 大钩叶藤和玛瑙省藤材的抗压曲线

表2 大钩叶藤和玛瑙省藤材整藤的力学性能值

表3 两种藤材藤片的抗弯性能

从图3、图4中可以看出，两种藤材的整藤和玛瑙省藤材藤片在达到破坏强度时变形都很大，表明藤材塑性较好，容易弯曲定型，这与藤材的解剖构造尤其是薄壁细胞的含量较高有关。大钩叶藤材不含藤皮的试件，在变形很小的情况下即发生破坏，并表现出脆性断裂的特征，表明大钩叶藤材的藤芯脆弱，材质很差，不宜剖分使用。表2、表3中两种藤材的抗弯力学性能结果值显示，玛瑙省藤材的整藤和矩形藤片抗弯性能均优于大钩叶藤材，其整藤的抗弯弹性模量和抗弯强度分别是大钩叶藤材的18．7倍和4．5倍，矩形藤片的抗弯弹性模量和抗弯强度分别是大钩叶藤材的3倍和4倍多。由表3可知，对同种藤材，加载方向对藤材的弯曲性能影响不大。对于同种藤材的整藤试件和不含藤皮的藤片来说，整藤试件的抗弯强度大于不含藤皮的藤片抗弯强度，特别是大钩叶藤材的抗弯强度差异明显，表明藤皮对藤材的抗弯特性有重要影响，这可能是由于藤皮中纤维素含量较大［11］。