以两种常用进口实木地板木材香二翅豆和番龙眼的板材坯料为研究对象, 如图1(a)和(b)所示。 购买于浙江南浔地板厂。 加工成各种规格试样用于测试。 试样尺寸为50 mm× 20 mm× 50 mm(长× 宽× 高)的试件用于剖面密度测定; 试样尺寸为20 mm× 20 mm× 20 mm(长× 宽× 高)用于基本密度测定, 密度试样分别如图1(c)和(d)所示; 试样气干后粉碎, 筛选40~60目的木粉, 用于红外光谱测定。

图1

Fig.1

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	图1 两种实木地板及密度测量试样图 (a): 香二翅豆实木地板; (b): 番龙眼实木地板; (c): 剖面密度样品; (d): 实测密度样品Fig.1 Two kinds of solid wood floorings and density measure samples (a): Solid wood flooring of Dipteryx odorata; (b): Solid wood flooring of Pometia spp.; (c): Profile density sample; (d): Basic density sample

1.2.1 X射线剖面密度

选取番龙眼与香二翅豆板材各8块, 并在每块板材上依次截取3块试样, 即每类树种共计24个试样, 用于X射线法测量剖面密度。 仪器型号为德国EWS公司的DENSE-LABX剖面密度测试仪, 步进厚度为0.05 mm。

1.2.2 常规密度测试方法

在进行过剖面密度测定的试样上分别截取两块试样, 用于制备基本密度测试试样, 即每类树种共计48个试样。 根据GB/T 1933— 2009, 通过测量试样饱水时的体积以及绝干时的质量来得到试样的基本密度。

1.2.3 傅里叶红外光谱

将40~60目番龙眼和香二翅豆木粉与溴化钾按1:100均匀混合, 置于干燥器中并放入103 ℃烘箱中烘至绝干。 采用溴化钾压片法制备测试样品, 并用Perkin-Eimer公司的Spectrum GX型傅里叶变换红外光谱仪结合透射法进行采谱, 扫描次数16, 分辨率4 cm^-1, 扫描范围4 000~400 cm^-1。

图2(a)和(b)分别为番龙眼和香二翅豆的剖面密度分布曲线。 剖面密度曲线能够直观表现木材密度在木材端面的分布规律及反应剖面密度值大小。 整体而言, 香二翅豆的剖面密度分布曲线均高于番龙眼的分布曲线, 说明香二翅豆的剖面密度大于番龙眼。 从剖面密度曲线分布情况可以看出, 番龙眼和香二翅豆的密度曲线均呈现出一条平稳的有规律波动的曲线, 曲线整体平稳说明番龙眼和香二翅豆的径向不同位置木材密度之间差异不明显, 进而说明两种木材材性优良、 质地均匀度高。 而曲线之所以呈现上下波折的形式, 主要原因是木材是由导管、 木纤维、 木射线、 薄壁组织等多种细胞组织构成的, 组织细胞之间的差异, 造成密度差异, 而早晚材的差异, 导致出现不同的波折规律。

图2

Fig.2

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	图2 两种实木地板材剖面密度分布曲线图 (a): 香二翅豆; (b)番龙眼Fig.2 The distribution of vertical density profile of two kinds solid wood floorings (a): Dipteryx odorata; (b): Pometia spp.

表1为番龙眼和香二翅豆的剖面密度值。 由表可知: 无论是最小密度、 最大密度还是平均密度, 香二翅豆密度均值都要高于番龙眼的。 并且两种地板木材的最小密度、 最大密度以及平均密度的变异系数都呈现相似的规律, 如两个材种其最小密度的变异系数最大, 最大密度的变异系数最小, 但材种间差别不大。 剖面密度变异系数大的主要原因有, 地板样品来源于不同的树干, 由于树木个体生长发育情况受外界不同环境影响, 产生的个体之间的密度差异; 地板样品来源于树干的不同部位, 而产生密度的差异; 同株树中由于早晚材的差异, 而产生的密度差异。 两个材种最小密度的变异系数均远大于最大密度和平均密度的变异系数主要是因为测得最小密度的地方, 多数在导管或其附近, 密度差异性较大。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 番龙眼和香二翅豆的剖面密度及基本密度值 Table 1 The profile density and basic density of Dipteryx odorata and Pometia spp. 材种 剖面密度/(g· cm-3) 基本密度 /(g· cm-3) 最小值 最大值 平均值 香二翅豆 平均值 标准差 变异系数/% 0.815 0.349 42.872 1.067 0.053 4.953 0.953 0.056 5.831 0.795 0.035 4.409 番龙眼 平均值 标准差 变异系数/% 0.607 0.201 33.035 0.802 0.039 4.589 0.747 0.039 5.175 0.587 0.030 5.184

表1 番龙眼和香二翅豆的剖面密度及基本密度值 Table 1 The profile density and basic density of Dipteryx odorata and Pometia spp.

直接测量法是测量木材基本密度的常规方法。 在本工作中将进行过剖面密度无损检测的试样进行了基本密度测定。 与X射线剖面密度仪检测结果反应的是端面密度高低的分布情况不同的是, 直接测量法反映了整个被测样品的平均基本密度值。 测量结果表明番龙眼的基本密度范围是0.516~0.64 g· cm^-3, 香二翅豆的基本密度范围是0.707~0.855 g· cm^-3, 其平均值分别列于表1中。 从表1中可以看出这两种实木地板材剖面密度平均值要高于实测基本密度值, 且两者的变异系数相差不大。

对采集的番龙眼和香二翅豆材种的剖面密度平均值和直接测量法测定的基本密度平均值进行了相关性分析, 结果如图3所示。 从图中可以看出两种密度测量方法测得的香二翅豆和番龙眼地板材的平均密度值具有较高的相关性, 如番龙眼地板材的剖面密度和基本密度的相关系数R²为0.983, 香二翅豆的为0.981, 而且所有样品的两种密度的相关系数R²达到了0.991, 相关性分析表明X射线可以用来快速预测多种木材的基本密度。 此研究结果也反应出对于质地均匀性良好的木材, X射线剖面密度仪能够准确无损地检测出构成木材的实体物质细胞壁的多少即密度材性指标值。 剖面密度仪不但是无损测量, 而且所测得样品块可以较大, 也便于分析大块地板的局部密度变化情况。 木材的密度对其力学性能影响很大, 因此快速测定不同地板材不同部位的密度对于地板质量的评价有着重大意义。

图3

Fig.3

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	图3 两种实木地板材密度相关性曲线 (a): 香二翅豆; (b): 番龙眼; (c): 香二翅豆和番龙眼Fig.3 Density correlation curve of two kinds of solid wood floorings (a): Dipteryx odorata; (b): Pometia spp. (c): Dipteryx odorata and Pometia spp.

图4是香二翅豆和番龙眼地板材的经基线校正和归一化处理后的红外光谱分析图。 选取了纤维素和木质素归属比较清晰的750~2 000 cm^-1范围内的吸收峰进行分析。 从图中可以看出番龙眼与香二翅豆的红外主要特征峰位和形状基本一致, 表明两种木材的主要化学组成成分相同。 特征峰相对强度的差异可以表示化学成分的变化, 其中香二翅豆的谱图在834和1 124 cm^-1波位相对于番龙眼出现明显的峰, 并且如表2所示, 在1 032 cm^-1波位的峰相对强度较番龙眼的明显增强, 表明番龙眼和香二翅豆木材化学成分和含量具有一定的差异性, 用此方法来鉴别木材种类具有重要意义。 木材抽提物的化学成分主要包括萜类化合物和醇类、 醛类、 烃类等脂肪族类化合物以及芳香族类化合物, 谱图中峰位置834, 1 032和1 124 cm^-1分别是烃类、 酚类和醇类化合物的吸收峰, 在香二翅豆谱图中这三个峰的强度较番龙眼明显增强, 表明香二翅豆抽提物的含量要高于番龙眼^[11]。 已有研究表明抽提物含量对木材密度有很大影响^[12], 由此推断, 香二翅豆的密度明显高于番龙眼, 应当是其抽提物含量高起了一定的影响作用。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 香二翅豆与番龙眼的特征峰高比值 Table 2 Characteristic peak intensity ratio of Dipteryx odorata and Pometia spp. 树种 特征峰高比值 I1 507/ I1 425 I1 507/ I1 740 I895/ I1 425 I895/ I1 507 I1 032/ I1 425 I1 032/ I895 番龙眼 2.07 1.33 0.61 0.29 1.14 0.72 香二翅豆 2.72 1.94 0.52 0.19 1.50 0.92

表2 香二翅豆与番龙眼的特征峰高比值 Table 2 Characteristic peak intensity ratio of Dipteryx odorata and Pometia spp.

图4

Fig.4

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	图4 香二翅豆与番龙眼的红外谱图Fig.4 FTIR spectra of Dipteryx odorata and Pometia spp.

木质素与纤维素、 半纤维素、 碳水化合物的特征吸收峰的峰高比值, 可以用来判定木质素相对含量的高低。 1 600, 1 507和1 425 cm^-1是代表细胞壁中木质素的特征峰, 可以明显看出香二翅豆的峰强度比番龙眼高。 波位895 cm^-1的C— H伸缩振动峰是纤维素的特征峰, 波位1 032 cm^-1的C— O伸缩振动峰和波位1 740 cm^-1的C=O双键, 是半纤维素的木聚糖的特征峰。 通过特征峰高比值来判定木质素、 纤维素相对含量的高低时, 采用I_{1 507}/I_{1 425}, I_{1 507}/I_{1 740}特征峰高比值来表征木质素的相对含量, 采用I₈₉₅/I_{1 425}和I₈₉₅/I_{1 507}特征峰高比值来表征纤维素的相对含量^[8], 所得的特征峰高比值见表2。 由表可知, 特征峰高比值中香二翅豆的木质素特征峰高比值高于番龙眼的, 说明了香二翅豆的木质素含量高于番龙眼; 番龙眼的纤维素特征峰高比值高于香二翅豆的, 说明番龙眼纤维素含量较高。 木材化学组分对木材细胞壁及其宏观物理力学性能有着重要的影响, 由前人研究得知, 香二翅豆地板材的主要力学性能优于番龙眼地板材的^[3], 应用FTIR测量的两种地板材的主要化学成分的差异也佐证了其力学性能存在差异的原因。 因此应用FTIR快速检测木材化学性能对于地板宏观物理力学性能以及地板质量评价有重要的科学意义。