金 枝 李伯濤 尹江蘋 陳 倩 付躍進 呂 斌

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

木材是一種天然有機復(fù)合材料，具有結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造復(fù)雜有序、分級結(jié)構(gòu)鮮明、多孔結(jié)構(gòu)精細等特性(李堅， 2016)。按尺度大小不同，木材孔隙可分為宏觀孔隙、介觀孔隙和微觀孔隙(趙廣杰， 2002)，主要來源于闊葉材導(dǎo)管、針葉材管胞、木纖維細胞、樹脂道、紋孔和細胞壁中的孔隙及微纖絲間隙等構(gòu)造元素(金枝等， 2021； 劉一星等， 2012； 王哲等， 2014； 尹江蘋， 2016)，這些孔隙之間形成的互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是木材中水分遷移、藥劑滲透的主要途徑，對木材干燥、浸漬和改性等工藝質(zhì)量起著決定性作用(劉紀建等， 2016； Papadopoulosetal.， 2019； Qinetal.， 2020； Redmanetal.， 2016)，影響產(chǎn)品的密度、硬度、吸水性和力學(xué)強度等一系列性能(Fangetal.， 2012； Songetal.， 2018； Yinetal.， 2017； 2020)。同時，孔隙連通性也是影響木質(zhì)產(chǎn)品吸音、保溫和調(diào)濕等功能特性的重要因素，連續(xù)互通的內(nèi)外孔隙、較小的孔徑以及復(fù)雜的孔道均有助于木質(zhì)產(chǎn)品吸音和保溫性能的提高(Caoetal.， 2018； Jinetal.， 2021； Muthurajetal.， 2019； Rahimabadyetal.， 2017)； 在調(diào)濕過程中，孔隙連通性決定水蒸氣的可及性從而影響吸放濕容量和效率(Jinetal.， 2021； Korjenicetal.， 2011； Wuetal.， 2014)?？梢?，木材孔隙連通性研究對木材加工工藝改進和木質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量提升具有重要意義。

然而，現(xiàn)有木材孔隙結(jié)構(gòu)評價指標主要包括孔隙度、孔徑與孔徑分布、孔容、比表面積和孔隙形貌等，針對孔隙連通性評價尚未開展全面、系統(tǒng)探索。目前，用于木材孔隙結(jié)構(gòu)的表征方法中，氮氣吸附法、壓汞法、核磁共振法和計算機斷層掃描(computed tomography， CT)三維成像法在木材孔隙連通性信息提取方面具有很大應(yīng)用潛力。20世紀90年代，基于滲流理論，Seaton(1991)、Liu等(1992； 1994)針對不同類型氮氣吸附滯后曲線開展了孔隙連通性量化研究； Portsmouth等(1991)通過假設(shè)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)機理解析和數(shù)值模擬，從壓汞數(shù)據(jù)曲線中提取出多項特征參數(shù)用于確定孔隙連通性； Guyer(1993)、McCall等(1991； 1993)對連通孔體系的磁化演變開展一系列研究，證實了孔隙空間幾何形態(tài)與弛豫過程的相關(guān)性。21世紀以來，隨著成像技術(shù)的飛速發(fā)展，CT技術(shù)在木材孔隙網(wǎng)絡(luò)三維可視化方面發(fā)揮了重要作用。利用CT技術(shù)，Brodersen等(2011； 2013)、Wason等(2021)重建葡萄樹(Vitisvinifera)的導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)，對其連通形式和分布特點進行了分析； 通過進一步提高分辨率，Trtik等(2007)捕捉到了針葉木紋孔的位置和三維構(gòu)造； Wason等(2017； 2019)對導(dǎo)管末端形態(tài)特性、闊葉木年輪間連通形式等展開了細致探討。本文擬圍繞氮氣吸附法和壓汞法等吸附分析法、核磁共振法和CT三維成像法3類孔隙表征技術(shù)在木材孔隙連通性評價方面的研究進行回顧梳理，并提出科學(xué)問題和展望，旨在進一步促進木材原料孔隙特征信息挖掘，為木材高效利用及其制品質(zhì)量提升提供有力數(shù)據(jù)支撐。

1 吸附分析法

1.1 氮氣吸附法

氮氣吸附法是基于液氮溫度下氮氣的吸附和脫附曲線，對吸附等溫線特定部分進行計算以表征多孔固體孔隙結(jié)構(gòu)的方法，適用于測量孔徑范圍為0.4～2.0 nm的微孔及2.0～100 nm的中孔和大孔(GB/T 21650.3—2011)，可用于表征木材構(gòu)造單元中的細胞壁孔隙、微纖絲間隙等孔隙結(jié)構(gòu)(表1)，已被廣泛用于各類木材及其相關(guān)制品的孔隙形狀、孔徑分布、比表面積、孔容等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)提取(萇姍姍等， 2011； 金枝等， 2013； Jinetal.， 2014a； 2014b； Tanetal.， 2020； Yinetal.， 2015)。

脫附等溫線在一定范圍的相對壓強區(qū)間高于吸附等溫線，該現(xiàn)象稱為吸附滯后，與孔隙連通性緊密相關(guān)。在脫附過程中，一定孔徑中的吸附氮應(yīng)同時滿足以下2個條件才能完成脫附： 一是吸附氮必須由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)或亞穩(wěn)態(tài)等滲流態(tài)，即壓力應(yīng)減小至所在孔隙孔徑對應(yīng)的冷凝壓力； 二是形成的滲流態(tài)吸附氮能夠接觸到滲流基團(Seaton, 1991)。由開爾文方程可知，孔徑與冷凝壓力呈正比，故隨著脫附過程中壓力逐漸減小，大孔中的吸附氮轉(zhuǎn)變成滲流態(tài)時，小孔中的吸附氮仍為液態(tài)。假設(shè)大孔未與多孔材料表面互通且僅與小孔連通，此時大孔中的吸附氮因接觸不到表面或其他滲流基團無法進行脫附，從而導(dǎo)致吸附氮滯留。依據(jù)滲流理論，隨著壓力減小至滲流閾值，形成的滲流態(tài)吸附氮足以擴散至整個孔隙系統(tǒng)，此時脫附等溫線迅速與吸附等溫線匯合，表現(xiàn)出明顯的膝處拐點，滯后回環(huán)逐漸閉合。

基于滲流理論的吸附滯后回環(huán)孔結(jié)構(gòu)信息提取是氮氣吸附法表征孔隙連通性的主要方法。該方法以雙擴散結(jié)構(gòu)為理論模型(圖1a)，采用一系列晶格表示不同的微孔/中孔網(wǎng)絡(luò)N1，每個晶格與相應(yīng)的N1具有相同孔徑分布。在每個晶格中，用連接鍵表示孔隙，連接鍵之間的交點表示孔隙之間的連接節(jié)點，利用平均配位數(shù)Z(即一個連接節(jié)點相連的連接鍵個數(shù))和相應(yīng)N1的平均線性尺寸L對孔隙連通度進行量化。IUPAC定義的H1、H2、H3和H4吸附滯后回環(huán)(圖2)相應(yīng)的Z和L計算方法已有系統(tǒng)性研究(Sing， 1985)。木材的氮氣吸附滯后回環(huán)多呈H3型，其Z和L是在H1和H2型分析方法基礎(chǔ)上進一步考慮“二次脫附”源滲流基團(Xv)對滲流概率的影響進行求解的(Liuetal.， 1993； 1994)。對于H1和H2吸附滯后回環(huán)，依據(jù)孔徑分布及脫附過程中滲流閾值附近等溫線數(shù)據(jù)，采用非線性最小二乘法對反映孔隙中滲流態(tài)吸附氮形成概率與滲流概率之間的函數(shù)關(guān)系方程進行擬合可獲得Z和L(Seaton, 1991； Liuetal.， 1992)。相較H1和H2型，H3型滯后回環(huán)的不同之處在于最大壓力處氮氣吸附量仍呈持續(xù)上升趨勢，這主要是因為最大壓力不足以令一些孔徑較大的中孔完成氮氣的毛細管冷凝，即大中孔中仍存在未冷凝的氮氣，從而形成Xv。此時，在脫附起點處，吸附氮除通過接觸表面滲流基團發(fā)生汽化外，還可以通過接觸Xv發(fā)生汽化。Liu等(1994)綜合考慮非表面滲流基團、表面滲流基團以及Xv對脫附過程的影響，發(fā)現(xiàn)Xv增加或L減少均會引起脫附等溫線膝處斜率變緩和滯后回環(huán)面積減小，即通過調(diào)整L和Xv大小可對滲流概率產(chǎn)生相同影響，并進一步指出H3型等溫線的Z可采用當Xv=0時擬合得到的ZL作為上限、當L無窮大時擬合得到的Zv作為下限組成的區(qū)間值表示。此外，針對最大壓強處大中孔孔隙的“二次脫附”現(xiàn)象，Murray等(1999a)提出“整體冷凝”方法以消除Xv對脫附過程的影響，即在最大壓強處繼續(xù)施加高于飽和蒸汽壓的壓力直至最大孔隙中的氮氣徹底完成冷凝，之后減小壓力至飽和蒸汽壓以下開始脫附過程，獲得的脫附等溫線用于計算Z和L。

圖1 孔隙結(jié)構(gòu)理論模型示意Fig. 1 Schematic diagrams of theoretical models for pore structurea. 雙擴散結(jié)構(gòu)Bidisperse structure(Seaton， 1991)； b. 三維球形隨機網(wǎng)絡(luò)模型(右側(cè)為不同連通數(shù)示意)3D spherical random network (schematic diagrams of different connectivities are shown on the right)(Portsmouth et al.， 1991)； c. 同心球體孔體系Concentric spheres pore system(Ghomeshi et al.， 2018).

圖2 IUPAC分類的吸附滯后回環(huán)類型(Sing, 1985)Fig. 2 Types of hysteresis loops classified by IUPAC

1.2 壓汞法

壓汞法指依據(jù)液體汞的非浸潤性，通過施加壓力將液體汞壓入孔隙，利用壓入汞體積及相應(yīng)的壓力與孔容和孔徑之間的相關(guān)性獲得孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，測量孔徑范圍為0.003 ～400 μm(GB/T 21 650.1—2008； Pl?tzeetal.， 2011)。由于汞對木材微觀孔隙的滲透性較差，故壓汞法更適用于木材構(gòu)造單元中紋孔、胞腔、樹脂道等宏觀孔隙和介觀孔隙的測定(表1)。壓汞法可以表征木材中除閉孔外的所有通孔和盲孔，已被廣泛用于各種針、闊葉木材及竹材的孔徑分布和孔隙度等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)提取(何盛等， 2017； Jangetal.， 2018； Pl?tzeetal.， 2011)。

表1 木材構(gòu)造單元的孔隙結(jié)構(gòu)(王哲等， 2014； 何盛等， 2020； 劉一星等， 2012)①Tab.1 Pore structure of wood structural elements

當進汞結(jié)束時，逐漸減小壓力可獲得退汞曲線，當壓力減至零時，退汞曲線對應(yīng)的汞體積為孔隙系統(tǒng)中的殘余汞。木材進汞-退汞曲線形狀能夠反映其內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)，孔隙連通性是導(dǎo)致汞殘余的主要因素。研究表明，陡峭的進汞曲線和平緩的出汞曲線是木材中“墨水瓶狀”孔隙的典型特征，前者是由于促使汞通過小的“瓶頸”進入孔隙需要足夠高的壓力進而導(dǎo)致大孔填充緩慢，后者則是由于孔隙的連通性導(dǎo)致汞滯留于孔隙中(Dingetal.， 2008； Giescheetal.， 2006； Vitasetal.， 2019)。Zhao等(2021)基于進汞和退汞數(shù)據(jù)測定落葉松(Larixspp.)、楊樹(Populusspp.)、樺(Betulaspp.)和橡樹(Quercusspp.)的壓力閾值、孔喉比和分形維數(shù)，指出汞在孔隙中進出受孔徑和孔隙連通性的支配，汞殘余量越大表明孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。然而，木材孔隙連通性對進汞-退汞行為和殘余汞的影響機制尚未得到詳細闡述，也未形成孔隙連通性的相關(guān)評價方法。

不過，已有研究證實依據(jù)殘余汞量、進汞曲線等信息可對孔隙連通性進行量化。Portsmouth等(1991)以三維球形隨機網(wǎng)絡(luò)為分析模型(圖1b)，在確定進汞和退汞機制的基礎(chǔ)上采用高斯孔徑分布進行進汞-退汞數(shù)值模擬，并結(jié)合微型滯后回環(huán)法(通過多次進汞壓力序列形成多個微型滯后回環(huán)，圖3)，利用殘余汞體積、孔徑參數(shù)σ/μ(σ為孔徑分布的標準差，μ為平均孔徑)以及二次進汞體積Vm與總體進汞體積Vt比值隨微型汞滯后回環(huán)相應(yīng)孔徑的變化曲線量化孔隙連通性。Murray等(1999b)認為，在孔隙連通網(wǎng)絡(luò)中，進汞過程和氮氣脫附過程機制類似，即當壓力變化到吸附質(zhì)足以在小孔隙中流通時大孔隙中吸附質(zhì)才能流通，并進一步推導(dǎo)出將進汞曲線轉(zhuǎn)換為汞脫附等溫線以替代氮氣脫附等溫線的方法，指出當平均孔徑大于150 ?時，汞脫附等溫線能夠有效替代氮氣脫附等溫線用以計算Z和L。

圖3 進汞-退汞曲線中的微型滯后回環(huán)示意Fig. 3 A schematic representation of mini-hysteresis loops on the intrusion and extrusion curvesVt為總體進汞體積； Vm為二次進汞體積； Vtr為殘余汞體積。Vt is the volume of mercury injected during the overall intrusion cycle; Vm is the volume of mercury re-injected during the secondary instrusion process; Vtr is the quantity of residual mercury.

值得指出的一點，孔隙形狀假設(shè)模型的精準性是氮氣吸附法和壓汞法等吸附分析法量化孔隙連通性面臨的共性問題，直接影響量化結(jié)果的準確性。對于氮氣吸附法，Liu等(1992)研究發(fā)現(xiàn)基于圓柱狀和裂隙狀2種孔形狀假設(shè)的Z和L計算結(jié)果差異明顯，真實連通性可采用基于2種假設(shè)形狀的計算值作為上下限形成的區(qū)間表示； 壓汞法一般采用圓柱狀孔模型，但其忽略了多孔材料孔隙間的內(nèi)部連通結(jié)構(gòu)，如“墨水瓶狀”孔隙等，會導(dǎo)致孔隙屏蔽效應(yīng)從而降低孔徑分布結(jié)果的準確性，而Portsmouth等(1991)提出的微型滯后回環(huán)法能夠弱化孔隙屏蔽效應(yīng)，通過獲得足夠準確的孔徑參數(shù)σ/μ來提高孔隙連通性量化準確度。

盡管吸附分析法能夠?qū)崿F(xiàn)孔隙連通性的量化表征，但用于木質(zhì)材料時，其適用性和準確性還有待考證。例如，孔徑分布作為量化孔隙連通性涉及的重要指標，計算時采用的孔隙形狀多假設(shè)為圓柱狀和裂隙狀，與木材的“墨水瓶狀”“管狀”“多邊形狀”孔隙(表1)有一定出入，這將對量化準確性產(chǎn)生一定影響，故仍需結(jié)合木材孔隙形狀特征對評價方法進行進一步驗證和完善。

2 核磁共振法

對靜態(tài)磁場中的原子核施加射頻脈沖，原子核從射頻脈沖吸收能量由低能級向高能級躍遷； 達到平衡態(tài)后，撤掉施加的射頻脈沖，原子核則釋放吸收能量向低能級恢復(fù)，該過程稱為馳豫過程。馳豫過程是由原子核自旋與流體和孔壁之間的相互作用導(dǎo)致的，利用馳豫過程中產(chǎn)生的核磁共振信號能夠反映相關(guān)的孔隙信息(李新宇， 2017)?；诤舜殴舱窦夹g(shù)表征木材孔隙時，多以水分子的1H核為質(zhì)子探針，由于水分子的充分滲透，針對飽水試樣，核磁共振法可反映所有類型的孔隙信息?，F(xiàn)有研究主要利用橫向弛豫時間(原子核自旋-自旋弛豫時間)T2數(shù)據(jù)對木材孔隙孔徑分布進行表征，所依據(jù)的基本原理有2種： 一是依據(jù)T2數(shù)據(jù)與孔徑之間呈線性關(guān)系，在常溫下測定木材試樣T2分布，再分別選用與木材細胞壁和細胞腔孔隙相近且具有已知平均孔徑的標準樣品，對相應(yīng)T2峰與孔徑間的轉(zhuǎn)換系數(shù)進行定標從而獲得孔徑分布(李新宇， 2017； 周云潔， 2015)； 二是基于Gibbs-Thomson方程反映的孔隙中水的凝固點溫度和孔徑之間的關(guān)系式，采用核磁共振凍融分析技術(shù)，通過在不同冷凍溫度下測定未凍結(jié)的吸著水T2馳豫信號量研究木材細胞壁的孔徑分布(Gaoetal.， 2015)。

多項理論研究和數(shù)值模擬試驗證實，孔隙連通性增加能夠加速馳豫，促使弛豫圖譜由多振幅分布向單振幅分布轉(zhuǎn)變，且振幅隨之增大。McCall等(1991)基于超立方體孔喉狀孔隙網(wǎng)絡(luò)體系，分別采用攝動理論、有效介質(zhì)理論和矩陣對角化研究連通孔體系的磁化演變過程，結(jié)果均表明，當孔隙之間無連通或連通性極弱時，總磁化矢量弛豫速率圖譜表現(xiàn)為單個孔隙的馳豫圖譜； 隨著孔隙連通性增加，總磁化矢量弛豫速率圖譜分布向高速率方向偏移； 孔隙高度連通時，總磁化矢量弛豫速率圖譜表現(xiàn)為狹窄的單振幅分布。Ghomeshi等(2018)采用Bloch-Torrey方程建立的雙孔連通體系磁化演變理論模型得出類似結(jié)論，即隨著孔隙連通處喉道變大，馳豫時間分布呈現(xiàn)由多振幅轉(zhuǎn)變?yōu)閱握穹内厔荩荫Y豫時間逐漸縮短，這主要歸因于雙連通孔中激發(fā)態(tài)質(zhì)子發(fā)生了共同馳豫現(xiàn)象； 進而，針對一系列三維同心球體孔體系模型(圖1c)進行數(shù)值模擬，通過改變孔隙連通個數(shù)和連通處喉道半徑探討喉道大小對T2分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙連通個數(shù)增多或喉道半徑增大，大孔T2峰位左移并伴隨振幅增大，而小孔T2峰位置不變且振幅逐漸減小，這是因為流體在通過小孔快速擴散至大孔過程中與更多的孔壁表面相互作用導(dǎo)致弛豫加強； 同時指出，在孔隙之間相互獨立或弱連通的情況下，小孔隙較大孔隙馳豫更快，從而形成T2分布的多振幅特征，當孔隙之間高度連通時，如一個大孔周圍有許多較小孔隙與之相連的情況，T2分布表現(xiàn)為單振幅。此外，核磁共振凍融技術(shù)亦可用于分析指定孔徑下的孔隙連通情況。Filippov(1997)以環(huán)乙烷為吸附質(zhì)，首先將環(huán)乙烷完全凍結(jié)在孔隙中，然后將樣品加熱至一個確定溫度Td，該過程中，孔徑≤d孔隙中的環(huán)乙烷融化為液態(tài)； 由于結(jié)晶(冰凍)狀態(tài)下T2為10～1 000 μs，遠小于液態(tài)狀態(tài)的T2(0.1～10 s)，通過選擇相應(yīng)的脈沖序列參數(shù)可獲得被束縛于孔隙中環(huán)乙烷液體的自旋回波信號，進而采集自擴散系數(shù)隨擴散時間的變化數(shù)據(jù)推測孔隙連通情況。

綜上，通過比較吸附質(zhì)T2分布曲線形態(tài)或核磁共振凍融技術(shù)下不同孔徑中吸附質(zhì)自擴散現(xiàn)象差異可推斷木材孔隙內(nèi)部連通情況，但相關(guān)馳豫現(xiàn)象與孔隙連通性之間的相互作用關(guān)系與影響程度還有待開展更細致的研究。

3 CT三維成像法

CT技術(shù)指利用穿透射線(X射線)從多個方向沿某一選定斷層進行照射，測定透過的射線量，并采用數(shù)學(xué)方法進行量化，然后經(jīng)計算機層析重建獲取斷層圖像的技術(shù)(彭冠云， 2009； 戚玉涵等， 2016)。CT技術(shù)能夠在無損狀態(tài)下探測到整個木材樣品的三維空間數(shù)據(jù)，而不僅僅局限于某個暴露的表面，從而重現(xiàn)出不同木材細胞間的空間關(guān)系。木材三維孔隙網(wǎng)絡(luò)可依據(jù)木材組分與孔隙中空氣灰度值的顯著不同進行識別(Hassetal.， 2010)。

學(xué)者們應(yīng)用CT技術(shù)對闊葉木導(dǎo)管間的橫向連通情況開展了一系列研究工作。Hass等(2010)使用3.7 μm分辨率同步輻射CT以濾波反投影算法進行層析數(shù)據(jù)三維重建，采用分層blob分析法對山毛櫸(Fagussylvatica)導(dǎo)管的橫向合并及分支情況進行分層標識，結(jié)合聚類分析證實弦向?qū)Ч苓B通性高于徑向，并通過對連通部分的軸向長度進行統(tǒng)計分析，推測出導(dǎo)管連通主要存在紋孔連通和多級連通2種形式。Brodersen等(2011； 2013)采用4.5 μm分辨率CT分別研究葡萄樹導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)管間直接連通和中繼導(dǎo)管(即光學(xué)顯微鏡下沿著或個別穿過木射線，位于大直徑導(dǎo)管(>75 μm)之間跨度為30～300 μm的一系列軸向重疊的小直徑(<25 μm)導(dǎo)管分子鏈)2種連通形式。針對導(dǎo)管間直接連通形式，結(jié)合363對導(dǎo)管的掃描電鏡觀測數(shù)據(jù)得出，導(dǎo)管間紋孔在導(dǎo)管間距≤14 μm時存在，并以此作為判定導(dǎo)管互通的準則，依靠基于層析數(shù)據(jù)的木質(zhì)部網(wǎng)絡(luò)自動分析外部程序提取出導(dǎo)管數(shù)量、單個導(dǎo)管平均連通數(shù)、導(dǎo)管間直接連通數(shù)、平均導(dǎo)管直徑、平均偏移角度、所有導(dǎo)管的直徑及徑向相對位置、某個連通點相連導(dǎo)管數(shù)量、單個導(dǎo)管的總導(dǎo)管間直接連通數(shù)、每個導(dǎo)管間直接連通角度、連通中點處的徑向位置及導(dǎo)管間直接連通面積等量化信息； 而中繼導(dǎo)管主要分為短型和長型2類，短型平均長度476.7 μm，軸向僅跨越一個大導(dǎo)管分子，長型平均長度1 774.4 μm，軸向跨越多個大導(dǎo)管分子，大多數(shù)中繼導(dǎo)管位于莖的背部或腹部次生木質(zhì)部，在臨近葉片、果實的側(cè)部很少，與導(dǎo)管間直接連通形式的分布情況相反。在此基礎(chǔ)上，Wason等(2021)同時考慮以上2種導(dǎo)管連通形式，重建2.7 cm葡萄樹莖節(jié)間樣品的三維木質(zhì)部網(wǎng)絡(luò)，通過研究不同導(dǎo)管間距下導(dǎo)管連通概率隨樣品段長的變化規(guī)律得出，在0～50 μm 導(dǎo)管間距下，導(dǎo)管間直接連通形式占主導(dǎo)地位，為木質(zhì)部導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)局部連通性的主要表現(xiàn)形式； 隨著導(dǎo)管間距增加，導(dǎo)管間直接連通形式顯著減少，中繼導(dǎo)管分布概率逐步提升且高于導(dǎo)管間直接連通概率，以在徑向上連通相距較遠的導(dǎo)管群方式對木質(zhì)部導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)的整體連通發(fā)揮了重要作用。

此外，提高CT圖像分辨率能夠捕捉到木材孔隙連通處更精細的形態(tài)構(gòu)造。Trtik等(2007)使用同步輻射相位對比CT以0.7 μm分辨率重建云杉(Piceaabies)紋孔三維構(gòu)造，并采用分水嶺分割法間接確定了具緣紋孔塞位置。van den Bulcke等(2008)通過1 μm3分辨率亞微米CT重建受真菌侵襲的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)邊材細胞壁結(jié)構(gòu)，對菌絲侵入具緣紋孔、菌絲在窗格狀紋孔周圍生長等過程進行了可視化。Wason等(2017)在1.25 μm3分辨率下比較北美紅楓(Acerrubrum)根段木質(zhì)部無導(dǎo)管末端和存在導(dǎo)管末端2種CT圖像研究導(dǎo)管末端的形態(tài)特性，結(jié)果表明鄰近末端導(dǎo)管間紋孔密度和導(dǎo)管分子長度變化不大，但導(dǎo)管直徑逐漸變細，穿孔板更陡。Wason等(2019)研究發(fā)現(xiàn)，北美紅楓在0.625 μm3分辨率下于13個年輪中有18個年輪間連通，這些年輪通過位于年輪邊界的早晚材導(dǎo)管之間、周壁具有廣泛紋孔場的無孔管狀分子進行連通； 美洲白蠟(Fraxinusamericana)在1.25 μm3分辨率下于8個年輪中有12個年輪間連通，年輪邊界的早晚材導(dǎo)管間分布著致密紋孔。

CT三維成像法能夠直觀呈現(xiàn)木材孔隙網(wǎng)絡(luò)局部或整體形態(tài)，相較吸附分析法和核磁共振法等評價方法具有獨特優(yōu)勢，但因圖像分辨率受視野大小制約，在評價全面性方面具有局限性。此外，應(yīng)繼續(xù)深入開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過圖像數(shù)據(jù)深度挖掘進一步提取木材孔隙網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)。

綜上所述，表2歸納出以上3類木材孔隙連通性評價方法的技術(shù)特點。

表2 木材孔隙連通性評價方法的技術(shù)特點Tab.2 Technical characteristics of wood pore connectivity evaluation methods

4 科學(xué)問題與展望

木材孔隙之間形成的互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是木材中水分遷移、藥劑滲透的主要途徑，對木材干燥、浸漬和改性等工藝質(zhì)量起著決定性作用，也是影響木質(zhì)產(chǎn)品吸音、保溫和調(diào)濕功能特性的重要因素。現(xiàn)有針對木材孔隙連通性評價的研究尚不成熟，氮氣吸附法和壓汞法等吸附分析法、核磁共振法和CT三維成像法用于木材孔隙結(jié)構(gòu)表征的可行性已得到廣泛證實，其在木材孔隙連通性信息提取方面具有一定理論基礎(chǔ)，應(yīng)開展更深入的實踐。

1) 木材孔隙連通性評價體系構(gòu)建。首先，形成木材孔隙連通性評價理論基礎(chǔ)和研究方法。孔隙連通性評價通常針對一種假設(shè)模型開展數(shù)值模擬研究以確定所定義參數(shù)之間的量化關(guān)系，而現(xiàn)有研究所作模型假設(shè)均不是基于木材原料的孔隙特征，故應(yīng)對現(xiàn)有方法的適用性和準確性進行評估和驗證，結(jié)合木材孔隙特征進一步修正理論模型并優(yōu)化相應(yīng)評價方法。其次，通過多種表征技術(shù)聯(lián)合互補，完善評價范圍及評價指標量化等研究內(nèi)容。木材孔隙尺度跨越多個量級，僅采用單一表征技術(shù)具有局限性，不足以全面評價木材孔隙連通性，可通過多種表征技術(shù)聯(lián)合進行互補。如吸附分析法中，氮氣吸附法只能用于分析木材微觀孔隙，壓汞法只能用于分析木材宏觀孔隙和介觀孔隙，微觀孔隙與宏、介觀孔隙之間的連通情況無法反饋。此外，吸附分析法的量化指標僅體現(xiàn)樣品平均信息，不足以描繪木材復(fù)雜、多樣的孔隙網(wǎng)絡(luò)，無法反映孔隙連通的特征性和多樣性，如相同孔隙連通性下不同的孔隙空間構(gòu)象等。而核磁共振法基于流體的充分滲透可反饋所有量級孔徑孔隙的結(jié)構(gòu)信息，CT三維成像法能夠?qū)崿F(xiàn)木材孔隙網(wǎng)絡(luò)的空間分布可視化，二者可用于補充評價范圍的完整性并提高量化指標的全面性，從而完善木材孔隙連通性評價體系。

2) 木材孔隙空間拓撲結(jié)構(gòu)解譯。木材孔隙分布與連通在縱、徑、弦向各不相同，孔徑大小差異大，形貌多樣且交聯(lián)互通程度不一，具有十分復(fù)雜的空間拓撲結(jié)構(gòu)。木材孔隙連通性評價研究可為木材孔隙空間拓撲結(jié)構(gòu)解譯開拓新的空間，在充分提煉特征指標參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過對特征指標數(shù)據(jù)間潛在關(guān)系及規(guī)則的深度解析實現(xiàn)木材孔隙空間拓撲結(jié)構(gòu)的全面解譯，促進傳統(tǒng)表征技術(shù)及評價體系的升級和優(yōu)化。