桦树皮的微观构造研究

2022-10-14

木材综合利用率是衡量一个国家林产工业水平的重要标志。现在我国与一些工业发达国家相比还相当落后, 主要表现在对木材加工剩余物的利用上, 往往把木屑和树皮看作无用之物而丢弃。树皮一般占原木材体积的8-15%, 如不利用, 不仅占用大面积的堆放场地, 而且往往滋生病虫害, 污染环境, 甚至酿成火灾。对树皮进行综合利用是解决上述问题的有效措施。国外树皮产量的估算方法是用原木产量乘以0.13 求得, 按这个方法推算树皮年产量, 全世界每年生产木材剥下的树皮约亿2.8m3, 其中我国约500 万m3。国内至今树皮利用量的比重还很小, 主要用于制取拷胶和做燃料。随着现代科学技术的发展, 人们逐渐注意到对树皮的利用并摸索出多种途径。树皮利用是全树利用的一项重要内容, 欧洲、北美和日本等工业发达国家多年来一直在进行研究, 利用方法又各有特点。解决树皮利用问题需要较大的投入, 尤其是运输和贮存方面耗资较多, 因此树皮利用是木材工业中还未完全解决的问题。实践证明, 树皮具有广阔的应用前景。而桦树林在我国东北, 华北、西北和西南各省 (区) 的林区分布很广, 林地面积约500 万m2, 占我国森林面积的5%。在东北少数民族的生活中, 衣、食、住、行等各个方面都离不开桦树皮制品。本项研究旨在通过对桦树皮进行制片观察, 得出其微观构造和表征方面的一些性质, 从而为更好的利用桦树皮, 发展桦树皮产业做出贡献。

目前国内的专家学者主要集中于研究木材与各类无机物质复合而成的无机纳米复合材料, 很少有关于树皮与其他材料复合成纳米材料的研究。就国内外现阶段的研究成果来看, 不同树种的树皮, 其构成和内含物不同, 其利用价值也各不相同。树皮的利用主要表现在以下几个方面:

1、制造树皮板:树皮人造板与木质刨花板相比, 其物理力学性能前者低于后者, 但是这类板材它有其独特的优点, 首先是具有低导热性和导音性, 因此, 是良好的隔热、隔声材料。木质树皮板可用于建筑物内墙、楼板、屋面板作隔热隔声材料, 其效果是良好的。密度为600—800kg/m3的树皮板, 还可用作地板 (表面覆盖塑胶) 和建筑物内装修材料。树皮板经过表面装饰处理, 可制成装饰树皮板, 可供建筑内部装饰结构材料。石膏树皮板具有良好的加工性能, 主要用于室内装修, 如作隔板、天花板等, 经过单板、塑料薄膜及其他材料覆面后, 可以作为装饰材料使用。水泥树皮板也是一种良好的建筑材料, 可以制成各种建筑预制结构件, 在许多国家的建筑中广泛应用。

2、制造胶粘剂。日本等国曾对许多树种的树皮成分进行过认真的研究, 并用树皮粉与少量酚和催化剂混合来制造胶粘剂, 用于胶合板生产。我国的一些研究人员对利用落叶松树皮抽提物制取胶粘剂也进行了探讨, 并取得了成功。从总的情况来看, 由于成本和加工工艺等多方面原因, 树皮的利用率还比较低, 使用面较窄。近几十年, 国外开始研究利用树皮制造树皮板, 用以扩大树皮的用途。早在60、70年代, 捷克、美国、加拿大、原苏联和西德等国家就对利用树皮制造纤维板及刨花板的工艺和性能进行了研究。如前苏联对利用云杉树皮制造无胶树皮板进行了研究。研究结果表明, 热压温度200℃, 压力5MPa时, 板的静曲强度最高可达25MPa。美国的科研人员曾对利用不同树种的树皮制造刨花板以及用树皮与木材混合制造复合板进行了研究。多数研究表明, 随着树皮含量的增加, 板的强度有所下降, 但绝缘性提高, 热导率降低。同一含量不同树种树皮对板的物理力学性能影响作用差异较大。利用化学试剂对树皮进行预处理, 有利于改善树皮板的力学性能。波兰与美国合作进行过利用云杉树皮制作刨花板的研究, 取得了一些积极的成果。

3、提取化工原料。树皮中含有复杂的有机成份, 可以提取多种多样的化工原料。如苦栋、枫杨、朴树等众多的树皮中富含单宁, 可提取拷胶。从树皮中可得到植物蜡、木素、纤维素、塑料填充料。由树皮可制得纯硅和硅铁合金冶炼的还原剂。用桑树皮可制成纤维纱。桦树皮提取的桦皮焦油可作制革和药用。苦栋树皮还可制成汽车垫圈, 具有优良的抗油性能。杨柳、黄柏的树皮可提取染料。还有部分对桦树皮的研究是基于桦树木材较坚硬, 富有弹性, 结构均匀, 心边材不明显, 抗腐能力较差, 受潮易变形等特征, 使之作为胶合板、卷轴、枪托、细木工家具及农具用材的原料。本项实验主要利用扫描电子显微镜对桦树皮的微观构造进行观察分析, 得出其在微观形态、表征方面的图像及数据, 为其进一步的利用开发提供基础。

一、试材的选择与处理

1、试材的选择

本研究选采用的桦树皮为内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院实验室桦树皮若干张, 均取自大兴安岭林业管理局。树龄大约在30—50 年之间树皮的长度为450mm, 厚度为4mm左右, 属于薄的级别, 其宏观形貌如下:

外皮: (1) 颜色:所选桦树皮表面灰白色而微带红。 (2) 外形:呈大张的反卷筒状, 树皮外表面卷于筒内, 且开裂 (横裂) 。 (3) 皮孔:明显, 呈横列长线形。

内皮: (1) 颜色:比外树皮颜色浅且树皮内表面露于筒外, 淡黄棕色, 有深色横条纹。 (2) 断面结构:桦树皮质地柔韧, 折断略显平坦, 可成层片状剥离;内皮横切面上所表现的图案长矛型 (辐射型) 。

2、试样的制备

选取无病虫害、生长良好的树皮, 沿着树干生长方向在树皮的底部、中部、上部三个部位取材, 根据不同位置将其切成4mm左右见方的小块儿, 分别编号为A、B、C。共分为5 组进行观察:1 组观察外表面, 2 组观察内表面, 3 组观察左纵截面, 4 组观察右纵截面, 5 组观察横截面。

二、桦树皮微观结构观察

所用扫描电镜型号为日立S-3400N。根据电镜照相的相片及电镜下观察, 树皮的基本构造由表皮、周皮、黑组织、次生韧皮部等四部分组成。

1、表皮的观察

把1 组试样分别放大到200 倍、500 倍、1000 倍进行观察。可以看到, 试样左右两个部分出现了明显的差别。但表面富有角质, 具有气孔。放大到500X后, 表皮细胞接近于长方形, 排列紧密, 没有胞间隙, 有各种表皮毛和气孔器分布。右侧的细胞被明显拉长, 但并未断裂, 可能与树皮的韧性有关;左侧细胞图像出现异常, 具体原因有待以后深入研究。

2、周皮的观察

在放大200倍的条件下, 观察其特征基本为:无树脂细胞, 韧皮纤维明显。周皮与次生韧皮部交互排列分开, 中间有薄壁细胞相连。周皮多层, 层层相连, 占整个皮部1/4。多不开裂, 有部分脱皮, 但外层周皮较厚, 层数较多。可见有一圈连续的脊状突起。微小差别可能是因为, 左截面, 在制作试样时是受力的一面;右截面, 是未处理的自然截面。

(1) 木栓形成层

试样在电镜下放大到1000 倍观察可见, 木栓形成层仅有一种原始细胞, 这些细胞在横切面上呈正方形, 径向轴短, 直径大约10um, 在弦切面上呈现不规则的多角形。

(2) 木栓层

木栓层细胞在弦切面上呈现不规则多角形, 在横切面上呈径向扁平。径向紧密排列成行、无胞间隙, 十分整齐, 木栓细胞的胞壁较厚, 细胞较长。树皮呈纸状分层脱落, 层与层之间有明显的区别。

(3) 栓内层

试样进行观察对比看到, 栓内层层数较少, 只有3 层细胞, 而且细胞较长, 叠生排列。对右半部分放大到1000 倍的条件下观察, 看到了单个分散排列的皮孔, 它们已经代替气孔, 成为气体出入的门户, 并将疏松组织包围, 在结构上属于封闭型。

3、黑组织的观察

树干上出现有小块、大块或圆筒状的、较坚硬的死组织, 颜色为红褐色或者黑褐色, 用刀刮有响声, 进行观察可见, 由石细胞、韧皮组织、韧皮薄壁细胞组成。石细胞有近似圆形的粗粒型和竖条型两种。

4、次生韧皮部的观察

试样进行观察可见, 次生韧皮部机械组织的排列方式有两种:一种以纤维为主, 石细胞少、呈束环状列于皮层与韧皮部交界处;另一种纤维细胞少, 而石细胞多, 并紧密连接成环, 应该是起到支持、加固的作用。放大到1000 倍后, 次生韧皮部组织细胞直径在5-15um。

三、分析与结论

(1) 表皮表面富有角质, 具有气孔。因为表皮由原始表皮层分裂出来, 所以细胞壁特别厚, 可以防止内部组织中水分的蒸发, 同时起到保护作用。

(2) 紧贴表皮的皮层其外边的细胞壁细胞会产生分裂, 生成木栓形成层。木栓形成层向内分生为栓内层, 向外分生为木栓层, 木栓层、木栓形成层和栓内层, 合称周皮。表皮破裂后, 木栓层替代表皮成为保护层。所见的一圈连续的脊状突起, 是皮层分化出的厚角组织。

(3) 木栓形成层是次生分生组织 (也叫侧生分生组织) , 位于中轴的侧面。

(4) 木栓层细胞的径向排列方式, 表明是由木栓形成层平周分裂而形成。经过电镜观察, 由薄木栓 (壁薄, 木栓化较轻) 和厚木栓 (壁厚, 强烈木栓化, 径向扁平, 具有深色树脂物质或单宁、色素等) 组成。树皮呈纸状分层脱落, 层与层之间有明显的区别, 说明随着木质部直径的不断增长, 在皮层的内部生成新的木栓形成层, 形成新的周皮。新的周皮形成后, 木栓组织外侧的树皮组织因缺水而死亡。

(5) 栓内层细胞是活细胞, 细胞壁不栓质化。

(6) 黑组织随周皮的位置不同而逐渐不同, 呈向外推移的趋势, 当覆盖在表面的周皮脱落时, 块儿状物就暴露在空间, 并显示为黑色。因此在利用树皮时考虑黑组织的位置变化。

(7) 次生韧皮部机械组织的排列方式有两种, 之所以会出现这样的区别, 是因为机械组织是随着树龄的增大而增多的。说明实验所用的材料的树龄是不同的。次生韧皮部韧皮纤维排列不整齐, 在靠近木质部部分细胞壁加厚, 形成带状。

四、问题与展望

(1) 树皮的比木材更容易燃烧, 科研工作一直在不断地寻求更高效的阻燃剂。有研究表明在黏土存在的情况下, 尼龙6 的阻燃性能得到了很大提高, 与常规阻燃尼龙相比更能体现出其特异的阻燃性能。原因是黏土/ 尼龙6 是复合层状结构, 黏土层起到了绝热作用, 阻止了尼龙6 分解产物的放出, 从而提高了尼龙6 基体的阻燃性。另有报道, 采用纳米技术的超细氧化锑、水合氧化铝等无机阻燃剂, 粒径的差别不仅会造成阻燃效果的差别, 而且会影响添加量的大小, 碳酸钙作为阻燃填充剂的微细化, 一方面可减少用量, 另一方面抗冲击性能和阻燃性能变好。

(2) 在我国东北游牧民族中很早就存在着的“桦树皮文化”—用桦树皮制作生活用品和工艺品。每年的初夏时节, 桦树水分大, 是鄂伦春人剥取桦树皮的季节。他们选取粗壮、挺直而又光滑的桦树, 用刀子在树干的上端和下端各划开一圈口子, 然后再在上下两口之间竖划一刀, 用双手将其顺刀口慢慢撕下, 整张的长方形桦皮便剥好了。来年, 这棵树又能生出新的桦皮。桦皮制品制作简单, 结实耐用, 不怕水, 不怕碰撞, 而又携带轻便。除了一般的生活用品外, 鄂伦春人还能用桦皮造船。桦皮船窄而长, 一般宽不到1 米, 长约5 米。它是用松木板做成两头翘起的骨架, 用大张没有孔洞的桦皮做船底和船帮。全船不用一根铁钉, 而是用松木削成钉, 用以加固各部位。这种船可乘坐二三个人, 用单桨划行即可。划行时声音极小, 划着它出猎, 有利于接近猎物, 捕获野兽。如图1 所示。除此之外, 桦树皮画更是一绝。由于桦树皮质地柔韧, 机械组织成封闭式环状排列, 围绕着韧皮部。而且由于外部的木栓细胞伸长性能好, 不易断裂, 胞壁厚, 因此在天然的桦树皮的花纹上运用熨烫等处理, 就能够制作出一副副栩栩如生的画面, 木栓层构造如图2 所示。如今, 我们希望能通过实验观察分析得出的结论, 使桦树皮这种天然材料能更好的与其他材料物质复合, 进一步改进其性能, 使桦树皮文化在新时期发挥更加巨大的作用。

(3) 由于纳米材料的小尺寸效应, 纳米材料能够渗入木材的细胞壁中成核、长大、聚集, 同时与纤维素等大分子发生作用, 成为细胞壁的组成部分, 保持细胞腔的毛细管系统, 因此可以研究借鉴这种性质来制备特殊表面性能的树皮。纳米材料由于具有小的尺寸和较大的比表面积, 在宏观上表现出很强的表面效应, 利用纳米材料的这种性质, 可以制备出超双疏性界面物性材料。利用超双疏性纳米材料技术处理的树皮可与极大地提高树皮的防水能力, 无需再行处理, 兼作树皮表面的天然涂料, 树皮的尺寸稳定性以及视觉特性、触觉特性、调湿特性和空间声学特性等应用特性必将大大增强, 应用纳米材料这方面的特性来提高树皮的性能是很有意义的。

摘要:为了表征桦树皮的微观结构, 本文利用扫描电镜对其结构进行观察发现, 桦树的树皮由表皮、周皮、黑色死组织和次生韧皮部组成。表皮细胞壁特别厚, 富有角质。周皮与次生韧皮部交互排列、分层, 且周皮层数较多, 中间有薄壁细胞相连。周皮的木栓层有薄木栓和厚木栓之分, 不同树皮其分化比例和时间均不相同。木栓细胞的胞壁较厚, 细胞较长, 使树皮呈纸状分层脱落。有部分树皮由于黑色死组织的紧固, 致使树干上常保持有较厚的周皮, 不易脱落。

关键词:东北桦树,树皮,微观构造,表征

参考文献

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