木質繊維の引張プレストレスと微細構造との関係

拉伸预应力与木纤维微观结构的关系

基本信息

批准号：
02F00805
负责人：
杉山淳司
金额：
$ 0.51万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

木は中空の繊維細胞の集合体で、個々の繊維は引っ張り性能に優れたセルロースミクロフィブリルを骨格物質とする細胞壁から形成されている。木の幹では、風雪などの外部からの力に対抗する手段として、幹の外周部をプレストレス下(引っ張り)に保っている。したがって、幹より木材を切り出すと、応力が開放されることにより表面ひずみが観測される。このような力を成長応力と呼び、その発生機構に関して、相反する説明が提案されている。「セルロースが縮む」説と「マトリックスが縮みミクロフィブリル傾角(MFA)が変化する」説である。これらは、いまだ実験的に証明されない命題であるが、名古屋大学において奥山教授のグループが長年研究しており、その多くの蓄積にもとづいて「セルロースが縮む」であろうことが示唆されている。しかし、分子あるいはナノレベルの機構に関してはいまも結論が出ていない。本研究はその点を実験的に明らかにするために以下のような実験を行った。播磨のSPring8放射光X線実験施設(課題番号2003B0436-NL2a-np)において、広葉樹ポプラあて材部の成長応力解放前後の小角および広角のX線図を撮影した。試料にもちいた広葉樹ポプラあて材部の組織は、立木の状態でひずみゲージを貼り、実験終了まで応力が開放されないように工夫した。成長応力解放前後の小角X線散乱図からは、ミクロフィブリル傾角にほとんど変化がないことが分かった。また広角のX線回折図上の004面の回折点は成長応力解放時に広角側へシフトした。このことから、セルロース結晶格子が縮むことが初めて実験的に示された。すなわち、あて材部の大きな生長応力の発生要因の一つは「樹体内のでセルロース結晶が引張状態にあること」であるという画期的な成果を得ることが出来た。

木材是一种空心纤维细胞组件，单个纤维由由纤维素微纤维制成的细胞壁形成，具有出色的拉伸特性。树干在预应力（拉）下使躯干的外围外围是一种反对风和雪等外部力量的方式。因此，当从躯干上切出木材时，应释放应力，并观察到表面应变。这种力称为生长压力，并提出了有关其一代机制的矛盾解释。有一些理论“纤维素收缩”，并且“基质收缩，微纤维倾斜角（MFA）变化”。这些是尚未通过实验证明的命题，但是Okuyama教授的小组在Nagoya University多年来一直在研究它，这表明纤维素会因其大量积累而缩小。但是，关于分子或纳米级机制仍然没有结论。这项研究进行了以下实验，以实验阐明这一点。在Harima的Spring8 Synchrotron X射线实验设施（受试者号2003B0436-NL2A-NP）中，在硬木杨树血小板中释放生长应力之前和之后的小角度和广角X射线图。用于标本的硬木杨树结构截面的结构被用在站立树中的应变量表施加，旨在防止应力释放到实验结束。生长应力释放前后的小角度X射线散射图显示，微纤维倾斜角度很小。此外，广角X射线衍射图上004平面的衍射点在释放生长应力后向广角侧移动。这是第一次通过实验表明纤维素晶体晶格收缩。换句话说，导致附着部分较大生长应力的因素之一是“纤维素晶体由于树的内部而处于拉伸状态。”