阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角

黄广华,陈瑞英

(1.漳州职业技术学院 建筑工程学院,福建 漳州 363000; 2.福建农林大学 材料工程学院,福州 350002)

0 引言

阔叶黄檀(Dalbergialatifolia)属于红木中的黑酸枝木,是豆科(Leguminosae)黄檀属(Dalbergia)的树种[1]。红木因其良好的色泽、纹理、材质和资源的稀缺性,古往今来,一直被世人所推崇[2]。对红木的种类进行识别,有助于保护消费者的利益和规范红木市场秩序。许多专家、学者都对红酸枝木材[3-6]、鸡翅木[7-8]和降香黄檀[9]等红木,以及黄槿木、楠木[10-14]等名贵木材构造、细胞形态进行了广泛的研究。对于阔叶黄檀的研究有:陈思禹等[15]把阔叶黄檀与毛榄仁木材进行比较;张蓉等[16]把阔叶黄檀与硬木军刀豆进行比较;卢翠香等[17]把阔叶黄檀与刀状黑黄檀、黑黄檀进行比较。这些研究结果均表明,阔叶黄檀木射线以2～3列为主,单列甚少;轴向薄壁组织发达,为翼状、聚翼状和波浪形带状。阔叶黄檀木射线和轴向薄壁组织这两者与其他木材区别最明显;同时还有木材颜色、花纹、密度及管孔等局部差异。这些都对阔叶黄檀木材的宏观和微观构造进行了比较研究,有利于对阔叶黄檀的识别,但均主要停留在组织系统层面,未对其细胞的结构、组织比量和接触角等深入探讨。秦志永等[18]、魏鑫等[19]通过对交趾黄檀、巴里黄檀、奥氏黄檀和刀状黑黄檀表面润湿性能进行研究,结果表明,4种红木表面润湿性能与树种、切面和纹理方向相关,其中刀状黑黄檀润湿性能最好;通过木材接触角的研究,进一步了解木材表界面润湿特性,为调控木材表界面结构、改善木材胶结和涂饰等加工性能提供理论依据。而对阔叶黄檀接触角及润湿特性未见报道。本研究进一步深入到阔叶黄檀细胞特征构造,同时进行了组织比量和接触角的研究,为更加全面识别和合理利用阔叶黄檀木材提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验阔叶黄檀木材产于印度,由福建省莆田市仙游县质量技术监督局提供,树干通直,胸径650 mm,在试材基部、中部和梢部生长正常部位截取厚度50～80 mm圆盘各一个,共3块。

1.2 试验主要仪器与设备

本试验中所用到的主要仪器设备有显微镜、鼓风干燥箱和恒温水浴锅等,见表1。

表1 试验主要仪器设备Tab.1 Main instruments and equipments

1.3 试验方法

1.3.1 宏观、微观构造

每组试验项目均以每个圆盘上正常生长轮稍宽方向(朝南)为基准,取自东、南、西、北4个方向的心材4块。用于观察试材宏观构造的尺寸为:纵向20 mm×径向20 mm×弦向20 mm,共12块;用于制作切片的尺寸为:纵向10 mm×径向10 mm×弦向20 mm,每块每个切面做切片5片,共60片;三切面切片制作:试样软化—试样清洗—切片—染色—脱水—透明—树胶封固。用于细胞离析[13]的试样,12块试样中,每个试样劈成1/2火柴梗大小10根,共120根,通过试样软化—细胞离析—制作临时切片120片。通过显微镜及图像处理系统采集图样,对其微观特征进行记载、测定、比较和分析。借助PhotoShop进行图像拼接,利用图像测量分析软件(MI Advance 3.0)对随机选取的80～100个不同细胞图像进行处理并测量、计算阔叶黄檀细胞几何形态的结构特征参数。

1.3.2 组织比量

木材组织比量是研究木材特性的重要手段,主要研究木材显微构造的数量特征[20],把木材解剖特征与各类细胞的数量联系起来。在拼接好的图片上,用PhotoShop分别测定导管、轴向薄壁组织、木纤维、木射线和结晶细胞面积所占整体面积中的百分比,即为此类细胞的组织比量。

1.3.3 表面接触角

用于测定木材表面接触角(θ)的试样尺寸为:纵向20 mm×径向10 mm×弦向3 mm,共12块,在温度20 ℃±2 ℃、相对湿度57%±2%的恒定环境下,气干平衡15 d以调整含水率,表面砂光洁净备用,每块试样选取弦切面4个角进行测试,共测试48个点。在静滴接触角测量仪上,将蒸馏水滴加到弦切面形成座滴,测量座滴θ(每相隔4 s测一次,共10次),得出θ的变化规律[19]。

2 试验结果与分析

2.1 阔叶黄檀木材宏观构造

阔叶黄檀木材宏观构造如图1所示。阔叶黄檀生长轮略明显;心材颜色变化大,黄褐色、红至黑褐色,有明显紫黑色或黑色条纹或青色调;管孔在横切面上呈分散形分布,肉眼下可见,属散孔材,其管孔内含树胶(浅至深褐色);轴向薄壁组织较明显,其形态有波浪形带状、断续窄带状、翼状和聚翼状;木射线属于细木射线,在放大镜下可见;波痕在肉眼下略可见,放大镜下明显;木材纹理交错,结构较细。

图1 阔叶黄檀木材三切面宏观构造(C-横切面,R-径切面,T-弦切面)Fig.1 Three section macrostructure of D. latifolia (C-Cross section, R-Radial section, T-Tangential section)

2.2 阔叶黄檀木材微观构造

阔叶黄檀木材微观结构如图2所示。散孔材,横切面上导管管孔呈分散状排列,单位面积(mm2)管孔个数5.5～9.5 个,平均约7.2 个,管孔主要为单管孔,少数径列复管孔(集中在2～4 个),管孔团相对较少,管孔形状以卵圆形、圆形为主,径列复管孔中间部分呈扁平形,两端为圆形,管孔内富含树胶,颜色浅色至深褐色(图2(a)(b));纵切面上,导管单穿孔,呈圆柱形,导管间具缘纹孔互列式,附物纹孔,呈椭圆形;导管细胞侧壁上的具缘纹孔(图2(c)—(f))显著,不具穿孔的导管状管胞分布在局部晚材中。木纤维细胞在横切面上呈多角形居多,少数扁平形,壁薄至略厚,叠生;纵切面上,木纤维壁薄至略厚,呈纺锤形,两端尖削(图2(b)(e))。木射线多由横卧射线细胞组成,叠生,射线组织同形单列或多列,以2～3 列为主,多列射线高 4～17 个细胞(7～8 个为主),宽 2～3 个细胞(图2(c)(d))。横切面上,轴向薄壁组织呈波浪形,分布类型为翼状、聚翼状、断续的窄带状、傍管型环管束状,宽 2～4个细胞,以 2～3个为主;在纵切面呈长方形或近似长方形(图中(a)—(c)),含有少量分室含晶细胞。

图2 阔叶黄檀三切面(C-横切面,R-径切面,T-弦切面)Fig.2 Three section of D. latifolia (C-Cross section, R-Radial section, T-Tangential section)

2.3 阔叶黄檀木材细胞形态

阔叶黄檀木材各细胞形态如图3所示。

图3 阔叶黄檀主要细胞种类的形态(400×)Fig.3 Morphology of main cell type of D. latifolia (400×)

2.3.1 阔叶黄檀木材导管细胞

阔叶黄檀木材的导管细胞形态及几何参数见表2和图3(a):圆柱形(图3(a)中A、B):数量比例最大占50.08%;纺锤形(图3(a)中C):占18.19%;鼓形(图3(a)中D、E):占17.31%;矩形(图3(a)中F、G):占14.42%。长度、宽度最大为鼓形,平均192.54 μm和284.87 μm,长度、宽度最小为圆柱形(图3(a)中A、B),平均169.63 μm和144.90 μm;长宽比最大为纺锤形(图3(a)中C),平均2.13,长宽比最小为鼓形(图3(a)中D、E),平均0.68。

表2 导管细胞几何形态Tab.2 Geometry morphological of vessel cells

2.3.2 阔叶黄檀木材木纤维细胞

阔叶黄檀木材的木纤维如图3(b)所示,少数端部树枝状分歧,多数为韧型纤维,呈两端部尖削的细长纺锤形;在横切面上大多呈多角形与椭圆形,少数为扁长形。

木纤维细胞几何形态特征长度、宽度、长宽比、壁厚、腔径和壁腔比见表3:其中壁腔比0.25～1.76,平均0.75,壁薄至略厚,叠生。

表3 木纤维细胞几何形态Tab.3 Geometry morphological of wood fiber cells

2.3.3 阔叶黄檀木材木射线细胞

图3中(c)为阔叶黄檀木材的木射线细胞,木射线细胞为横卧射线细胞,单位长度木射线根数为 11.13 根/mm。木射线类型多数同形 2～3 列、少数同形单列。其细胞几何形态特征见表4,其平均长度、宽度和高度分别为:75.42、13.14、18.03 μm,长宽比5.74。

表4 木射线细胞几何形态Tab.4 Geometry morphological of xylem wood ray cells

2.3.4 阔叶黄檀木材轴向薄壁细胞

阔叶黄檀木材的轴向薄壁细胞如图3(d)所示。由图3(d)可知,细胞形态有A:部分端部略分支形、B:两端尖削的纺锤形、C:末端稍膨大形。轴向薄壁细胞几何形态特征见表5。由表5可知,细胞平均长度和宽度分别为97.94、22.11μm,长宽比4.43。

表5 轴向薄壁细胞几何形态Tab.5 Geometry morphological of axial parenchyma cells

阔叶黄檀轴向薄壁细胞的纹孔特征如图4所示,图4(a)细胞壁表面粗糙度小,图4(b)细胞壁表面粗糙度大。细胞壁上分布着明显小而少的单纹孔(4图(a)A、B)以及稍凸起状的结构(4图(a)C、D)。轴向薄壁细胞壁上既有普通单纹孔(4图(b)A),又有颇大的单纹孔(4图(b)B、C);同时,细胞壁外表面不光滑,凹凸不平,这是由于在2个纹孔的凸起之间形成比较厚的凹坑形态。

图4 阔叶黄檀轴向薄壁细胞纹孔(400×)Fig.4 Axial parenchyma cell of D. latifolia (400×)

2.3.5 阔叶黄檀木材结晶细胞

图3(e)中F为阔叶黄檀木材的结晶细胞:结晶细胞总体含量较少,在横切面上不易观察到,偶见分室含晶细胞,是由轴向薄壁细胞转化而来。室内晶体颗粒为3～5颗。

2.3.6 阔叶黄檀木材组织比量

表6为阔叶黄檀木材各类细胞组织比量,从表6可知,阔叶黄檀细胞组织比量最大为木纤维71.10%;最小为分室结晶细胞 0.11%。从大到小的顺序为:木纤维细胞、木射线细胞、导管细胞、轴向薄壁细胞、结晶细胞。

表6 各类细胞组织比量Tab.6 Tissue percentages of all kinds of cells %

2.4 阔叶黄檀木材表面接触角

表7为阔叶黄檀木材的表面接触角(θ), 木材的θ决定于材质特性,即表面自由能,同时还与材料的孔隙率和孔隙特征有关,而孔隙率和孔隙特征与表观密度以及纹理、粗糙度等表面状态有关[18-19]。

表面接触角θ在0°～ 90°时,固体表面是亲水表面。由表7可知, 0 s 时θ为 58.45°,4 s 时θ为 46.15°,θ下降了 21.04%;而40 s 时θ为 40.43°,后面36 s只下降了 12.39%;从1 s 到 4 s,θ急剧减小,而后的 36 s 内θ平稳地减小。整个40 s 内表面接触角下降了18.02°,θ下降了30.83%。

3 结论

1)宏观结构:阔叶黄檀心材为黄褐色、红至黑褐色,有明显紫黑色或黑色条纹或青色调;管孔在横切面上呈分散形分布,属散孔材;轴向薄壁组织丰富,其形态有断续窄带状、翼状和聚翼状;木射线与波痕肉眼下均略明显,纹理交错,结构细。木纤维细胞壁薄至略厚,叠生,在横切面上大多呈多角形与椭圆形等。

2)微观结构及细胞形态:阔叶黄檀导管细胞主要为单管孔,少数径列复管孔,导管分子叠生,管间纹孔附物纹孔,含树胶。导管细胞形态各异,圆柱形最多,其细胞长宽比1.17;木纤维壁薄至略厚,叠生,细胞长宽比为38.28,壁腔比为0.75;木射线细胞为横卧射线细胞,射线组织同形单列或多列,宽度细胞2～3个,高度细胞4～17个,细胞长宽比为5.74。轴向薄壁组织丰富,主要为翼状、聚翼状、断续的窄带状、傍管型环管束状;有少量分室含晶细胞;细胞壁上具单纹孔,细胞壁外表面凹凸不平;薄壁细胞长度与宽度分别为97.94 μm和22.11 μm;长宽比为4.43。结晶细胞含量较少,偶见分室含晶细胞,均由轴向薄壁细胞转化而来。

3)阔叶黄檀细胞组织比量最大为木纤维(71.10%);最小为结晶细胞(0.11%)。由大到小的顺序为:木纤维细胞、木射线细胞、导管细胞、轴向薄壁细胞、结晶细胞。

4)阔叶黄檀木材试验显示表面接触角变化18.02°,属于亲水性材料,可为阔叶黄檀木材的胶结、表面湿润和涂饰加工等木制品加工工艺提供参考。

在后续的研究中将对其他黑酸枝、红酸枝等红木及易混淆的其他树种木材进行比较,新增研究手段、方法以及扩大特征项目对其他相似树种木材依次展开研究,然后进行对比分析。这样更有利于对相关木材的识别和利用。