張?jiān)茙X ，杜紅巖 ，關(guān) 倩

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開發(fā)中心，河南 鄭州 450003；2. 國家林業(yè)局杜仲工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

杜仲木材的物理力學(xué)性能指標(biāo)研究

張?jiān)茙X1，2，杜紅巖1，2，關(guān) 倩1，2

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開發(fā)中心，河南 鄭州 450003；2. 國家林業(yè)局杜仲工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

為增強(qiáng)杜仲全樹開發(fā)的力度，提高木材利用價(jià)值，按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對杜仲木材的密度、順紋抗壓強(qiáng)度、硬度和握釘力4個(gè)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：杜仲木材的密度范圍在0.63～0.70 g/cm3之間，平均密度為0.67 g/cm3；順紋抗壓強(qiáng)度平均達(dá)47.72 N，顯著高于黃榆木、文縣楊；平均硬度達(dá)6215.50 N；握釘力為49.92 N/mm。杜仲木材具有較好的力學(xué)性能，是優(yōu)良的商品木材原料，可廣泛用于家具制造、木質(zhì)工藝品、建筑等領(lǐng)域。

杜仲；木材；力學(xué)性能

杜仲Eucommia umoides Oliv.，別名思仙、木綿、思仲、銀絲樹等，單科單屬單種，是我國特有的珍貴樹種[1-2]。杜仲的全身都是寶，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。其根、皮、葉、雄花、果內(nèi)含有較為豐富的硬質(zhì)天然橡膠—杜仲橡膠以及α-亞麻酸、桃葉珊瑚苷、綠原酸、杜仲黃酮等80余種活性物質(zhì)，在軍事、化工、醫(yī)療、保健、食品、飼料、環(huán)保等諸多關(guān)系國計(jì)民生的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域受到極高的關(guān)注[3-5]。同時(shí)，杜仲適應(yīng)性強(qiáng)，適生區(qū)廣，在我國亞熱帶到溫帶的27個(gè)?。▍^(qū)、市）均有栽培，地理南北橫跨17°約2 000 km，東西橫跨50°達(dá)4 000 km左右，垂直分布海拔達(dá)2 500 m。并形成了以河南、山東、陜西、甘肅、湖北、湖南、貴州、安徽等?。▍^(qū)、市）的集中種植區(qū)，全國栽植面積約36.0萬 hm2，占世界杜仲資源總量的99%以上[6-9]。作為重要的經(jīng)濟(jì)樹種，全面開展杜仲綜合開發(fā)利用，對于提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，持續(xù)擴(kuò)大杜仲栽培面積，滿足杜仲產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

杜仲除了是優(yōu)質(zhì)天然橡膠和名貴中藥資源外，杜仲的木材還是十分珍貴的優(yōu)質(zhì)用材，其干體通直、紋理細(xì)膩，材質(zhì)密度大、纖維長度長，硬度高等是理想的商品木材原料。而這種特性在幼年期即表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，杜仲一年生平茬枝木材的纖維平均長度大于800 μm，基本密度小于杜仲成熟材，木纖維含量高，而纖維壁腔小[10]，是造紙和纖維工業(yè)的理想原料。

目前，對杜仲的研究多集中在栽培[11]、育種[12]和杜仲皮、葉、果的利用等，而將杜仲木材作為建筑和家具材料的研究尚未見報(bào)道。本文通過測定杜仲木材的4種物理學(xué)性能，為進(jìn)一步認(rèn)識、開發(fā)及利用杜仲木材提供基礎(chǔ)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可充分利用我國豐富的杜仲木材資源優(yōu)勢，從一定程度彌補(bǔ)了我國木材缺口，緩解木材長期依賴進(jìn)口的尷尬局面。

1 材料與方法

所用杜仲木材采自河南省嵩縣21年生杜仲原木，高3.5 m，最窄年輪寬度1.16 mm，最寬年輪寬度10.21 mm，平均年輪寬度為3.72 mm，平均胸徑為15.5 cm，共計(jì)6株，分別標(biāo)記為樣株1、樣株2、樣株3、樣株4、樣株5和樣株6。依國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制備試材，其中密度測定由質(zhì)量與體積比值計(jì)算，順紋抗壓強(qiáng)度、硬度和握釘力測定通過MWD-20萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)完成，其中硬度測試中壓入深度為5.64 mm，握釘力測試中圓釘釘入深度為30 mm。各測試指標(biāo)、試件規(guī)格與數(shù)量見表1。

表1 測試指標(biāo)、試件規(guī)格與數(shù)量Table 1 Testing index, specimen size and number

2 結(jié)果與分析

2.1 杜仲樣株木材密度測試分析

木材密度是衡量木材品質(zhì)的重要指標(biāo)[13]。木材密度大小直接影響木材的干縮和濕漲等力學(xué)性質(zhì)。因此，木材密度可以較為直觀方便地反映木材的基本性質(zhì)。

根據(jù)木材常用力學(xué)性能等級劃分可知，Ⅲ級木材密度值在0.55～0.75 g/cm3范圍內(nèi)[14]。經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，本文所測杜仲木材氣干密度范圍在0.63～0.70 g/cm3之間，平均密度為0.67 g/cm3（見圖1），達(dá)到國家Ⅲ級木材標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同樣株杜仲木材密度測試結(jié)果Fig.1 E.ulmoides wood density test results of different sampling trees

2.2 杜仲順紋抗壓強(qiáng)度測試分析

順紋抗壓強(qiáng)度測試表明，杜仲木材的抗壓強(qiáng)度均值為47.72 MPa（見圖2），比黃榆木、文縣楊的抗壓強(qiáng)度均高，但低于參試的雞翅木、古夷蘇木、紅酸枝木和花梨木。結(jié)合順紋抗壓強(qiáng)度值并依照木材力學(xué)性能劃分等級可將杜仲材歸為Ⅲ級用材。

圖2 杜仲與幾種木材順紋抗壓強(qiáng)度結(jié)果對比Fig.2 Comparison of endwise tensile strength between E.ulmoides and several woody species

2.3 杜仲木材硬度測試分析

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對木材硬度測試的要求，為對試件4個(gè)切面來進(jìn)行測量，取4個(gè)切面硬度的平均值為所測試件的硬度值。測試結(jié)果表明，杜仲材端面木材硬度高于徑面和弦面，差值在2 300 N左右；徑面和弦面之間的硬度差異不明顯，6株杜仲材的平均硬度為6 215.50 N（見圖3）。

2.4 杜仲握釘力測試結(jié)果與分析

木材的握釘力決定了板材的固定力強(qiáng)弱。由圖4可知，杜仲材3個(gè)切面的握釘力大小順序依次為徑面、弦面、端面；6樣株杜仲材平均握釘力大小為49.92 N/mm。

圖3 不同樣株不同切面杜仲木材硬度Fig.3 E.ulmoides wood hardness of different sections in different sampling trees

圖4 不同樣株不同切面杜仲木材握釘力Fig.4 E.ulmoides wood nail-holding ability of different sections in different sampling trees

3 討 論

木材的力學(xué)性能衡量木材抵抗外力的能力，是木材利用的主要材性指標(biāo)[13-15]。杜仲木材的密度達(dá)到了國家Ⅲ級木材密度標(biāo)準(zhǔn)，在參試樣株中所有參試木材的密度下限也比國家標(biāo)準(zhǔn)高0.08 g/cm3，上限比規(guī)定的范圍低0.05 g/cm3，說明杜仲木材在國家Ⅲ級木材密度標(biāo)準(zhǔn)中處于中等偏上水平，具有理想的理論密度。而杜仲木材的順紋抗壓強(qiáng)度顯著高于黃榆木、文縣楊，接近名貴的古夷蘇木、紅酸枝木和花梨木，表明杜仲木材具有較高的順紋抗壓強(qiáng)度，與多數(shù)名貴木材的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí)，杜仲木材具有較高的切面硬度和握釘力。從總體上，杜仲木材的力學(xué)性能優(yōu)良，可廣泛家具制造、木質(zhì)工藝品、建筑等領(lǐng)域。

[1] 李芳東, 杜紅巖. 杜仲[M]. 北京: 中國中醫(yī)藥出版社, 2001.

[2] 杜紅巖. 杜仲優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社,1996.

[3] 杜紅巖. 杜仲高產(chǎn)膠無性系遺傳參數(shù)估計(jì)與改良效果分析[J].林業(yè)科學(xué)研究, 2007, 20(4): 458-463.

[4] 杜紅巖, 李 欽, 傅建敏, 等. 杜仲雄花茶的食品安全性毒理學(xué)[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(2): 91-94.

[5] 杜紅巖, 李 欽, 劉攀峰, 等. 不同變異類型杜仲皮及再生皮中木脂素類成分含量比較[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,30(7): 38-42.

[6] 杜紅巖, 胡文臻, 俞 銳. 杜仲產(chǎn)業(yè)綠皮書:中國杜仲橡膠資源與產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2013)[M]. 北京:社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社,2013.

[7] Sun ZQ, Li FD, Zhu GP, et al. Eucommia ulmoides Oliver: A promising multipurpose industrial crop for bioproducts [C].Biore fi neries Congress Proceedings 2012, (1): 212-222.

[8] Sun ZQ, Li FD, Du HY, et al. A novel silvicultural model for increasing biopolymer production from Eucommia ulmoides Oliver trees [J]. Industrial Crops and Products, 2013,42:216-222.

[9] 刁 鋼, 程寶棟, 李曉瀟, 等. 中國木材進(jìn)口風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 林業(yè)資源管理, 2014(2): 21-25.

[10] 趙涇峰, 馮德君, 王新愛. 一年生杜仲平茬枝木材纖維形態(tài)與密度的研究[J]. 陜西林業(yè)科技, 2003(1): 7-9.

[11] 杜蘭英, 劉攀峰, 朱景樂, 等. 環(huán)剝與環(huán)割強(qiáng)度對果園化栽培條件下杜仲生長和結(jié)果的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013, 33(8): 14-18.

[12] 李鐵柱, 杜紅巖, 劉慧敏, 等. 杜仲果實(shí)和葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)組裝及基因功能注釋[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(11):122-130.

[13] 楊 柳, 李 暉, 楊志斌, 等. 木材炭化及其物理力學(xué)性能的研究[J]. 湖北林業(yè)科技, 2011(171): 32-35.

[14] 張 帆, 李 黎, 張 立, 等. 五種家具常用木材彈性常數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)的測定[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2012,40(1):16-19.

[15] 馮 冰, 楊臨弟. 文縣楊木材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析[J]. 甘肅林業(yè)科技, 2006, 31(1): 12-14.

Study on performance index of physical mechanics of Eucommia ulmoides timber

ZHANG Yun-ling1,2, DU Hong-yan1,2, GUAN Qian1,2
(1. Non-timber Forestry and Development Center, Chinese Academy of Forestry, Zhengzhou 450003, Henan, China;2. The Eucommia Engineering Research Center, State Forestry Administration, Zhengzhou 450003, Henan, China)

To strengthen the tree development level and increase the utilization value of E.ulmoides, the timber mechanical property relating to the density, compressive strength parallel, hardness and nail holding ability were analyzed. The results showed that the density value was between 0.63～0.70 g/cm3, the average is 0.668 g/cm3; the average value of compressive strength parallel was reached to 47.72 N; the average value of hardness was 6 215.50 N; and the average value of nail holding power was 49.92 N/mm. It is suggested that Eucommia timber have the excellent mechanical property and good wood material. Eucommia timber will have a very bright application among furniture industry, woody handicraft articles and construction materials, etc.

Eucommia ulmoides; timber; mechanical property

S781.3；S727.3

A

1673-923X(2016)06-0089-03

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.018

2015-04-23

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAD21B0502）

張?jiān)茙X，副研究員

杜紅巖，研究員，博士，博士生導(dǎo)師；E-mail：dhy515@126.com

張?jiān)茙X，杜紅巖，關(guān) 倩. 杜仲木材的物理力學(xué)性能指標(biāo)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(6): 89-91.

[本文編校：吳 彬]