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阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角.pdf

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资源描述

1、第 39 卷 第 5 期2023 年 9 月森 林 工 程FOREST ENGINEERINGVol.39 No.5Sep.,2023doi:10.3969/j.issn.1006-8023.2023.05.010阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角黄广华1,陈瑞英2(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)摘 要:借助生物数码显微镜、连续变倍体视显微镜对阔叶黄檀木材的宏观、显微构造进行观察。测定并分析各类细胞的形态特征,利用静滴接触角测量仪测定表面接触角。结果表明,阔叶黄檀属于散孔材,导管细胞以单管孔及径列复管孔为主,圆

2、柱形导管细胞最多,占导管细胞的 50.08%,其长宽比 1.17;木纤维中细长纺锤形韧型纤维居多,长宽比 38.28;木射线细胞为普通的横卧射线细胞,长宽比 5.74;轴向薄壁组织丰富,翼状、聚翼状、断续的窄带状、环管束状,内含有少量分室含晶细胞,细胞长宽比 4.43;细胞组织比量最大为木纤维 71.10%;最小为分室含晶细胞 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。40 s 阔叶黄檀表面接触角变化 18.02,下降 30.83%。通过阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角分析可为其鉴定识别和木材利用提供参考依据。关键词:阔叶黄檀;木材解剖;宏观构造;

3、微观结构;表面接触角中图分类号:S781.1 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2023)05-0085-07Anatomical Structure and Contact Angle of Dalbergia latifolia woodHUANG Guanghua1,CHEN Ruiying2(1.School of Architectural Engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China;2.College of Material Engineering,Fujian Agricul

4、ture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)Abstract:The macroscopical and microscopical structures of Dalbergia latifolia wood were observed by means of biological digital microscope and continuous ploidy microscope.The morphological characteristics of various cells were determined and analyze

5、d.The surface contact angle was measured by static drop contact angle measuring instrument.The results showed that D.latifolia wood was a loose pore wood.The main conduit cells were single and diameter multiple conduit holes.The cylindrical conduit cells were the most,accounting for 50.08%of the con

6、duit cells,and the length to width ratio was 1.17.Most of the wood fibers were spindly and tough fi-bers with a length-width ratio of 38.28.Wood ray cells were common recumbent ray cells with a length-width ratio of 5.74.The axial parenchyma was abundant,pterygoid,clustered pterygoid,intermittent na

7、rrow band,ring bundle,containing a few compartmentalized crystalline cells,cell length to width ratio of 4.43.The maximum cell tissue ratio was 71.10%of wood fiber.The minimum was 0.11%of compartmentalized crystalline cell,and the order from large to small was:wood fiber cells,xylem ray cells,vessel

8、 cells,ax-ial parenchyma cells and crystal cells.The surface contact angle of D.latifolia in 40 s changed 18.02,decreased by 30.83%.The analysis of the anatomical structure and surface contact angle of D.latifolia wood can provide reference for its identification and utilization.Keywords:Dalbergia.l

9、atifolia;wood anatomy;macrostructure;microstructure;contact angle收稿日期:2022-09-24基金项目:国家自然科学基金项目(30271057)。第一作者简介:黄广华,硕士,副教授。研究方向为建筑装饰、木材科学与技术。E-mail:450204123 通信作者:陈瑞英,教授,博士生导师。研究方向为木材科学与技术。E-mail:fcry56490 引文格式:黄广华,陈瑞英.阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角J.森林工程,2023,39(5):85-91.HUANG G H,CHEN R Y.Anatomical structure

10、 and contact angle of Dalbergia latifolia woodJ.Forest Engineering,2023,39(5):85-91.0 引言阔叶黄檀(Dalbergia latifolia)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

11、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 23 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森 林 工 程第 39 卷材区别最明显;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

12、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 5080 mm 圆盘各一个,共 3

13、 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试验仪器名称Name of test instrument仪器设备型号Instrument and equipment model制造厂家Manufacturer电热恒温鼓风干燥箱Electric constant temperature drying ovenDHG-9240上海精宏实验设备公司生物数码显微镜 Biological digital microscopeDMB5-223P-5厦

14、门麦克迪奥实业集团有限公司连续变倍体视显微镜 Continuous ploidy optical microscopeMZS0745桂林市迈特光学仪器有限公司电热恒温水浴锅 Electric thermostatic water bathDK-98-1天津市泰斯特仪器有限公司静滴接触角测量仪 Static drop contact angle measuring instrumentJC2000A上海中晨数字技术设备有限公司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

15、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 80100 个不同细胞图像进行处理并测量、

16、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()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

17、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(每相隔 4 s 测一次,共 10次),得出 的变化规律19。68第 5 期黄广华,等:阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角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。

18、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(mm 2)管孔个数 5.59.5 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 24 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

19、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)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)78森 林 工 程第 39 卷(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

20、)。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 23 列为主,多列射线高 417 个细胞(78 个为主),宽 23 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 24 个细胞,以 23 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。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。(a)导管细胞(a)Vessel?cells(b)木纤维细胞(b)Wood?fiber?cells(c)木射线细胞(c)Xylem?ray?cells(d)轴向薄壁细胞(d)Axi

21、al?parenchyma?cells(e)结晶细胞(e)Crystal?cellsABCDEFGABBACDCBA阔叶黄檀阔叶黄檀阔叶黄檀阔叶黄檀阔叶黄檀图 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 14.4

22、2%。长度、宽度最大为鼓形,平均192.54 m 和 284.87 m,长度、宽度最小为圆柱形(图 3(a)中 A、B),平均 169.63 m 和 144.90 m;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参数Parameter圆柱形Cylindrical值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation纺锤形Spindle值域/mDomai

23、n平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation鼓形Drum值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation矩形Rectangular值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation长度 Length107.20207.10169.6315.73109.00220.30178.2319.63153.20254.60192.5421.4799.40205.80183.3221.09宽度Width109.50187.10

24、144.9021.7849.30106.2083.8124.89265.80364.90284.8724.58196.10249.40184.0218.44长宽比Aspect ratio0.571.891.1725.631.034.472.1330.220.420.950.6819.290.401.050.9926.33比例(%)The proportion50.0818.1917.3114.422.3.2 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

25、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。88第 5 期黄广华,等:阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角表 3 木纤维细胞几何形态Tab.3 Geometry morphological of wood fiber cells参数Parameter值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation长度Length342.601 098.90731.9519.52宽度Width10.1030.0019.1229.77长宽比Aspect ratio11.4210

26、8.8038.2842.83壁厚Wall thickness3.6610.015.7322.47腔径Cavity diameter5.0510.957.6038.97壁腔比Wall-cavity ratio0.251.760.7540.332.3.3 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 23 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 m,长宽比 5.74。表 4 木射线细胞几何形态Tab.4 Geometr

27、y morphological of xylem wood ray cells参数Parameter值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation长度Length73.7778.8575.42 31.20宽度 Width12.0814.4113.14 14.82高度highly11.4025.7018.03 20.01长宽比Aspect ratio5.126.535.74 40.522.3.4 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

28、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、22.11m,长宽比 4.43。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。表 5 轴向薄壁细胞几何形态Tab.5 Geometry mor

29、phological of axial parenchyma cells参数Parameter值域/mDomain平均值/mThe average变异系数(%)Coefficient of variation长度Length61.20191.1097.9417.65宽度Width14.5037.2022.1119.38长宽比Aspect ratio3.687.224.4325.05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

30、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 35 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%细胞类型Cell types平均值Average变异系数Coefficient of variation导管Vessel cell

31、s10.5418.11木纤维Wood fiber cells71.1020.43木射线Xylem ray cells16.2620.06轴向薄壁组织Axial parenchyma cells2.0117.96结晶细胞Crystal cells0.1130.4798森 林 工 程第 39 卷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(),木材的 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 7 阔叶黄檀木材的表面接触角()Tab.7 The surface contact ang

32、le()of D.latifolia时刻/sMoment接触角/()Contact angle 变异系数(%)Coefficient of variation058.4518.42446.1520.53845.8828.441245.2725.171643.7919.882043.2230.412442.7829.082842.0119.433241.5724.583841.2121.094040.4320.85变化率(%)Rate of change30.8329.37 表面接触角 在 0 90时,固体表面是亲水表面。由表 7 可知,0 s 时 为 58.45,4 s 时 为 46.15,下

33、降了 21.04%;而40 s 时 为 40.43,后面 36 s 只下降了 12.39%;从 1 s 到 4 s,急剧减小,而后的 36 s 内 平稳地减小。整个 40 s 内表面接触角下降了 18.02,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,

34、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 23 个,高度细胞 417 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 m 和 22.11 m;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

35、%);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。【参 考 文 献】1 国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.红木:GB/T 181072017S.北京:中国标准出版社,2017.General

36、Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the Peoples Republic of China,Stand-ardization Administration of the Peoples Republic of Chi-na.Hongmu:GB/T 181072017S.Beijing:Stand-ards Press of China,2017.2 翟东群,姜笑梅,殷亚方.红木资源现状及变化趋势J.木材工业,2014,28(2):26-30.ZHAI D Q,JIANG X M,YIN Y F

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39、.09第 5 期黄广华,等:阔叶黄檀木材解剖构造及其表面接触角DENG D L,LI W F,PENG Z B,et al.Study on wood structure characteristics of three species of red wood from southeast Asia J.Eucalypt Science&Technology,2021,38(3):58-62.6 黄广华,陈瑞英,陈居静.巴里黄檀木材解剖构造、颜色及接触角研究J.西北林学院学报,2019,34(2):234-239.HUANG G H,CHEN R Y,CHEN J J.Anatomical s

40、truc-tural,color and contact angle of Dalbergia bariensis woodJ.Journal of Northwest Forestry University,2019,34(2):234-239.7 赵敏,陈瑞英.3 种鸡翅木木材的各类细胞属性J.福建林业科技,2016,43(4):80-84.ZHAO M,CHEN R Y.The properties of all kinds of cells of three kinds of chicken-wing woodJ.Journal of Fujian Forestry Science a

41、nd Technology,2016,43(4):80-84.8 邓冬莲,樊香相,黄福禄,等.3 种鸡翅木木材构造特征比较J.桉树科技,2021,38(2):58-61.DENG D L,FAN X X,HUANG F L,et al.Study on struc-ture characteristics of three species of wenge woodJ.Euca-lypt Science&Technology,2021,38(2):58-61.9 张贝,徐峰.5 种假冒降香黄檀木材解剖构造及识别研究J.绿色科技,2014(9):250-254.ZHANG B,XU F.Rese

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49、ce),2019,20(2):249-255.19 魏鑫,秦志永,陈复明,等.4 种东南亚黄檀属红木的表面润湿性能J.西北林学院学报,2017,32(6):240-244.WEI X,QIN Z Y,CHEN F M,et al.Surface wettability of four kinds of Dalbergia rosewoods in southeast AsiaJ.Journal of Northwest Forestry University,2017,32(6):240-244.20 费本华.铜钱树木材纤维形态特征和组织比量变异的研究J.东北林业大学学报,1994,22(4):61-67.FEI B H.Variability in fiber dimension,tissue proportion of Paliurus hemsleyanus rehd.J.Journal of Northeast Forestry University,1994,22(4):61-67.19

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