全场应变-核磁共振同步耦合探究红锥木材多尺度干缩开裂机制

摘要

【目的】珍贵用材树种红锥在加工利用过程中易发生开裂，严重影响其出材率和附加值，目前有关红锥易开裂的内在机制尚缺乏系统性研究。本研究旨在探究红锥人工林木材在水分变化状态下的多尺度结构干缩行为及其对开裂的影响机制，以期为红锥的防开裂改性及优化干燥工艺提供理论依据。【方法】为解析含水率变化引发木材开裂的动态过程，将非接触全场应变测量系统（VIC-3D）与低场核磁共振技术（LF-NMR）同步耦合，实现对木材心边材在干燥过程中全场应变分布与水分状态（自由水、结合水）的实时原位监测。结合激光共聚焦显微镜（CLSM）与小角X射线散射（SAXS），解析不同含水率阶段纤维细胞的形变特征及纤维素结构的演变，建立从宏观应变、介观水分到微观结构的多尺度关联。【结果】（1）红锥木材的干缩应变自髓心向边材呈阶梯状递减分布，心材应变大于边材，弦向应变大于径向。当含水率降至约40%时，心边材均开始产生径向微裂纹，且心材因干缩形变更大而最终形成更多非闭合裂纹。（2）结合水与自由水的横向弛豫时间均随含水率降低而减小。裂纹的扩展与结合水的排出过程密切相关，在水分进一步散失后，部分裂纹呈现闭合趋势。（3）从细胞到分子层面，心边材纤维细胞、细胞壁和细胞腔均发生干缩，且弦向干缩率大于径向，心材干缩程度总体大于边材；纤维素微纤丝间距缩小，且心材变化更为显著。【结论】人工林红锥木材的开裂是由水分变化诱发的多尺度干缩行为协同作用的结果。其中，结合水的排出是引发开裂的关键节点，当含水率降至40%左右时，协同作用下的应力集中诱发微裂纹的萌生与扩展。心材因在多尺度上表现出更大的干缩形变，导致其开裂程度更为严重。本研究基于多场信息同步耦合与多尺度关联分析，阐明了红锥木材水分迁移驱动多尺度干缩进而诱发开裂的动态过程，为其干燥工艺优化与防裂改性提供科学依据。

关键词

木材干缩开裂 / 红锥人工林 / 多尺度结构 / 水分迁移 / 全场应变测量(VIC-3D) / 低场核磁共振(LF-NMR) / 小角X射线散射(SAXS) / 珍贵树种利用

基金资助

中国林业科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CAFYBB2023MB020）