針 葉樹材仮道管 の壁孔構造 と縦 引張破壊

3E l

木 材に限 らず種 々の 固体材料の破壊時 における亀裂の挙動 は

,そ

れ らの材料が本来有 して いる微視 的な らびに巨視的な組織構造,と りわけ材料中の構造上の変異部 と密接な関係が あ る。 この よ うな構 造上 の変異部 は

,破

壊 時において一見矛盾す るよ うな

2つ

の働 きを有 している。第1は_{材料中におい} て応力集中源 として作 用す箔場合である。 この場合は変異部 を材料中における不均―な部分 とみな し,

この部分は応力が集中 しやす く

,破

壊の開始部位 とな ることが多い ことか ら甘料中にお ける欠陥部 と 考 え られ る。 したが って この場合

,材

料 の強度は欠陥部の存在 によ って低下す る。 これに対 して第² は材料中において亀裂の伝播 を阻止 し

,亀

裂先端に集中 した応力の緩和源 として作用す る場合であ る。

例 えば

FRCMの

ような異種材料の相界面では

,亀

裂が近づ くとそ こが剥離 し

,亀

裂先端に集中 した応 力が緩和 され ることによ り

,亀

裂の急速 な伝藩が妨 げ られ るとともに

,そ

の分だけ余分にエネルギを 吸収す るので材料 に靭性が賦与 され る。 したが って この場合 は変異部が存在す ることによ ってか え っ て材料の靭性は向上す る。 このよ うに材料中の変異部は応力集中源であるとともに応力緩和源で もあ

ることに注 目したい。

木 材 も本来 不均― な材料であると言われている。 このよ うな不均一性は本材を構成す る種 々の大 き さの構造上変異部に起因す る ものであろ う。すなわち,セ ル ロース ミクロフィブ リル内部の デ ィス ロ ケー シ ョンや ミクロフ ィブ リルの末端部

, 

ミク ロフ ィブ リル とそれ を取 り囲むマ トリックス物質 との 境界部,さ らに ミクロフ ィブ リルが特異的に配列 した壁孔部

,各

壁層 の境界部や壁 と細胞間層 との界 面

,そ

の他異種構成要素間の接合部 (と くに放射組織 との交差域)や早材 と晩材の境界部分

,節

の部 分な どが変異部 と考 え られ る。 これ らはいずれ も木材が本来有す る正常な構造で ある。 この他木材が 立本時の生長応力や環境な どによ って

,ま

た加工時に受 ける種 々の損傷や異常材な ども変異部の一種

と考 え られ る。

これ らの本材中の変異部の うち

,応

力緩和源 として作用す る変異部付近での亀裂の挙動 については 第

1章

_と第

2章

において既に論述 した。 したが って本章では応力集中源 として作用す る変異部の うち とくに針葉樹材仮道管の有縁壁子し(そ の中で もと くにR―

T壁

子と)1こおける亀裂の挙動 を取 りあげ

,壁

子し縁の構造 と関連 させ て論議す る。

3口

2  壁孔の構造

3.2.1  は じめ に

針葉樹材仮道管の有縁壁子しは樹液や化学薬剤の移動の通路 としてだ けでな く

,縦

引張破壊時に亀裂

概 説

(62)

が特異的に挙動す る部位 として重要である。すなわ ら

,R― ^T壁

孔は単一仮道管 の 破 壊 開 始 と

,ま

^た 針葉樹材切片の啜壊では亀裂の伝搭 と密接 に関係 している(古川 1975,1978b)。

 

これに対してT―

T

壁 孔は単一仮道管および針葉樹材切片 において

,破

壊が直接 そこか ら始まるよ うな ことはほとん どな く

,む

しろ亀裂の拡大 を阻止す るよ うな働 きがあることか らして

,破

壊に対 してかな りの抵抗性 を有 して いる もの と推定 されている(古川 1975,1978b)。 この よ うな

2つ

の型の有縁壁孔での破壊挙動 の相違 は,これ らの壁子との壁孔壁 (pit me bra礎)の構造 よ りはむ しろ壁了L縁

(pit border)の

構造 に起因す るものであろ う。

針葉樹 材仮道管,と くに早材仮道管の T―

T壁

孔縁の構造 については多 くの研究がな されてい る。 そ の結果

,壁

孔縁 は二 沃壁のみで構成 されてお り

,SIの

ミク ロフ ィブ リルは円状に配列す るのに対 し,

S2とS3は 本来の配列方向を保持 しなが ら子し口を周回 して配列す ること

(BAILEY VESTAL 1987,原

田 ら

1958),ま

た壁子と縁 の うち壁孔室 に面 した表面には Slと は異な る別の層

,す

なわ ち ミクロフ ィブ リルが同心円状に配列 した特異な層 (こ れは bOrttr thicttningと 呼ばれ

BTと

略記 されることが多い)

が存在す ること

(WARDROP 1954,1964,HARAD'C6托 1967),さ

らに壁 孔縁の Slは 壁孔以夕￨の部分 に比べて厚 く

,そ

の断面像で うろこ状の模様が観察 され ること (勘理臥

 C併

と

1967)な

どが明 らか に されている。今村 と原田

(1972b,1973,1974,1978)は

アカマツ

(P物 %s,9η

sttιοη

)の

早 材 お よび晩材仮道管のT―

T壁

孔の壁孔縁の形成過程 を レプ リカ法で調べ

,次

の よ うな結論 を得て い る。

すなわ ち

,早

材仮道管の壁孔縁 は Slの 塩積によ ってその輪郭(孔国の最終形状

)が

まずつ くられ,そ の上 に S2とS3が_{堆積 して壁子し}縁の肥厚が完了す る。 この場合Slの ミクロフィブリルは ラメラ状に堆積

し

,形

成途上 の孔 口をまた ぐよ うに堆積 した各 ラメラ (こ れ を ミクロラメラと呼んでいる )は 壁子し縁 の先端に沿 って壁子し室倶]に回 り込むよ うに して孔 回の縁に堆積す ることによ って

,孔

国の径 を次第に 小 さくする。

 

壁孔縁 の断面像 にみ られ るSlのうろこ状の模様は壁子と縁の先端 におけるSlのこのよ う な特異な堆積過程 を反映 した ものである。またS2や S3は壁 孔縁の拡大

,す

なわ ち子し国の径 を小 さ く す ることには寄与せず

,単

^にSlで形づ くられた子し口を迂回す るよ うに ミクロフィブリルは流線形 に配 列 して

Sl上

に堆積す る。 ところが晩材仮道管の壁子し縁では

,Slば

か りでな く

S2の

ミクロフ ィブリル も孔 口に沿 って回 り込み

,壁

子し縁の輪郭決定 に寄与 している。そのため子し回の長径方向はS2の ミクロ フ ィブ リルの走行方向 を示唆 して レンズ状 となる。 さらに

BTに

つ いては

Slの

堆積 と同時に壁孔室側 か ら壁孔縁を裏打 ちす るよ うに付加 され るのであろうと述べている。

針葉樹材仮道管の R―

T壁

孔につ いては

,そ

の子L国の形が針葉樹材識別の重要な拠点 となるため光顕 による観察例 は多い。本邦産針葉樹材の R―

T壁

孔にはつ ぎの

4つ

の型が あ る(島地 1964)。 すなわ ち

,マ

ツ,コ ウヤマキ両属に見 られ る窓状壁孔(windOw― like pit)と

, 

トウ ヒ

,カ

ラマツ, トガサ ワラ各属 に見 られ る トウヒ型壁孔(PiceOid pit)と

,ス

ギ

,モ

ミ

,ネ

ズ コ各属 に見 られるスギ型壁孔 (TaxOdiOid pit)と

,そ

れに ヒノキ,アスナロ, ビャクシン,カヤ各属に見られるヒノキ型壁子し(Cupressoid pit)の

4つ

である。 このよ うにR―

T壁

孔の光顕的特徴は明 らか に されているが,これ らの壁孔 線の 構造 を電顕的に調べた研究は少ない。

H無

れく 1965)￨よ スギの早材の R―

T壁

孔の壁孔縁の 縦 断 面 写

俗働 真(同論文中

Fig 21)を

_{示 してい るが}

,こ

れ につ いては言及 していない。 この写真ではT―

T壁

子とで 見 られた よ うな うる と状の模様が その断面像 において観察 されてい る点で興味深 いが

,惜

しい ことに は この写真では この部分がSlなのかS2なのかが半」定 しがたい。またOKllMURAら ′

(1976)は

二 次竪 堆 積 中の アカマツ晩材仮道管のR―

T壁

子との本 国断面像 (同 論文中

Fig.2③

)を示 してい るが,この部 分での壁層構成 につ いてはふれていない。 これ らの写真

,お

よび光顕観察によ って得 られている知見 か ら推定す ると

,R― T壁

孔の壁 孔縁の構造はT tt T壁 子しのそれ と類似 している点 もあ るが

,か

な り 異 ってい る点が あるよ うに思われ る。

したが ってここでは針葉樹材の典型的な R―

T壁

子しの壁孔縁 を レプ リカ法および超薄切片法 によ って^, それ を構成す る各壁層の ミクロフ ィブ リルの配 列 な らびに層 構 成 の 特 徴 を調べた結果について述べ る

(古

川 1978c,1979)。

3.2.2  試料 の調製 と観察法 3.2.2.1  試料の調製

1)供

試 材

材料 として はスギ (CTυ ρι^oη9Tカ カρ^Oηttα

 D DoN)の

幼 苗

,樹

令

18年

それ に樹令

67年

_{の各 木} 部

, 

ヒノ キ (Cんαηα9り,αttd Obttiα

 SIEB.et Zucc.)の

材鑑 ,エ ゾマツ (阿 θια ″^2o9 ιS ⑤思 )

の材鑑およびアカマツ

(P物

磨 諺熔げ^JοTrY/SIEB.et ZⅥ^c。 )の 樹令

35年

の本部 を用 いた。ただしスギ の幼苗か らは超薄切片用の小 ブロックを

,ま

た樹令

18年

生木か らは形成層 を含む早材分化 段 階 の小 ブ ロ ックを採取 した。他の材はすべて気乾状態の成熟材部 を供試 した。

2)レ

プ リカ観察用試料の作成

形成 を完了 した R―

T壁

孔の観察 には成熟材部か ら切 り出 した気乾状態の本材 ブ ロ ックを

,ま

た 形 成 段 階 の R―

T壁

子しの観察には分化段階の本材小 ブロックを用いた。

気乾状態の各材の小 ブロック(約

2(T)×

0.5(R)×

1(L)釦 )を

新 らしいかみ そ りの刃 を用いて ま さ目面で切 削 もしくは割裂す ることによ って露 出 した表面 を レプ リカ観察用に供 した。 この場合割裂 面は細胞間層か らSlにか けての壁層間で生 じることが多 く

(KOttN 1967),こ

^{のよ うな表面では壁}

子し縁の壁孔室側 に面 した表面(以下 この よ うな表面 を壁子し縁の外表面 と称す る)の構造が とらえられ るこ とを期待 した。一方切削 した表面 には仮道管の内 こうもしくは内こう側か ら壁層が一部剥 ざ取 ら れた表面が露出す ることが多いため,このよ うな表面では壁子し縁の 内こ う側 (こ れ を以下壁 子と縁の 内 表 面 と称す る)の構造が観察で きる もの と期待 した。 さらに これ らの表面 を希釈 した 」^EII FREY氏液 で 軽 く処理す ることによ って ミクロフ ィブ リルを取 り囲む物質 を溶脱 除去 し

, 

ミク ロフ ィブ リルの配列 状態 を明瞭 に見 るこ とが で きるよ うに した。

一方

,早

材分化帯 を含む木材珂ヽブロ ックの採取および試料の作製法は今村 らの方法

(1972a)に

準 拠 して行 った。すなわち

,小

^{ブ ロ ック}(約

1(T)× 1(R)X15(L)釦

)を採取後直ちに^0.8モルのしょ

(641

糖の高張液に浸漬 して

,原

形質分離 を促す とともに

,ブ

ロックは冷蔵保存 しておいた。 ブロックか ら 新 らしいかみそ りの刃 を用いて早材分化帯 を含 むま さ目切片 を切 り出 し

,切

り出 された切片 は水洗 し た後

,溶

媒置換乾 燥 して レプ リカ観察に供 した。 この場合新生 された仮道管 内表面の ミクロフ ィブ リ ルの配列を明瞭に見 えるよ うにす るため

,切

片 の表面 を

5%の KOH水

溶液で軽 く処理 した。

3)超

薄切片観須用試料の作製

R―

T壁

子しの断面の観察 には

,ス

ギの幼 苗の幹材部およびスギ,ヒ ノキ,エゾマツ各気乾材の成熟材 部 を用 いた。

幼 苗は根元で伐採後直 ちに

3%グ

ルタルアルデ ヒ ドで灌流固定 した後

,小

片

(約

^0.5(T)×

0.5(R)

×

2(L)π

π)を 切 り出 し

,常

法 に したが って脱水処理後

,エ

ポキシ樹脂に包埋 した。

また各気乾材の早材部か ら小片 を切 り出 し,これ を

2%KMn04水

溶液で染色 した後

,常

法 に した が って脱水処理後

,エ

ポキシ樹脂で包埋 した。

3.2.2.2  _{観 察 法}

1)レ

_{プ リカ観察法}

レプ リカ観察は C6Tと らの開発 した

Direct CarbOn ttplica法 (1964)に

準拠 して行 った。すなわ ち試料表面 を繊維軸方向か ら白金 ―パ ラジュウムで シ ャ ドウ ィング した後

,炭

素 を真空蒸着 した。試 料表面 をポ リステ レン板で補強 した後

,試

料 を

72%H2S04水

溶液 と

10%JEFFREY氏

液で完全に溶脱 し

,つ

づいてポ リステ レンを トルエンで溶解 した。 こうして得 られた レプ リカ膜 をグ リッ ドにす くい あげて検鏡 した。観察は主 として早材部 について行 った。

2)超

薄切片観察法

K

h04染

色 した試料は ウル トラ ミクロ トームで薄切 した後

,グ

リッ ドにす くいあげ

,そ

の ま まか もし くは クエン酸鉛で後染色 して検鏡 した。一方

,固

定包埋 した試料 は ウル トラ ミクロ トー ムで薄切 した後

,グ

リッ ドにす くいあげ,さ らにその上か ら白金 ―パ ラジ ュウムで シ ャドウ ィングしてか ら検 鏡 した。観察は主に早材部について行 った。

ドキュメント内 針葉樹材の縦引張破壊のフラクトグラフィー的研究 (ページ 65-68)