針葉樹材の縦引張破壊のフラクトグラフィー的研究

Summary

Fron the fractOgraphic pOint Of view, the fracture mechanism Of tra―

cheidal walls under 10ngitudinal tensile 10ad was exanlined by Optical and

scanning electrOn Hlicroscopy. In this article, the fol10wing three subiectS

are discussed:(1)the fracture behavior of the single cell wa1l of individual

coniferOus tracheid;(2)the fracture behaviOr of the dOuble cell wall present

in the several kinds Of HlicrOtomed sections involving single edge notch ;

(3)the fracture behaviOr of the bordered pits relating to their structure

of pit bOrder tO crack prOpagation.

In Chapter l, the fracture behavior of single tracheids was described.

As a result of the establishment Of visualizing methOds Of fracture process

and of fracture surface at the electron Hlicroscopic level, sOme new infor―

mation about the fracture oi cell walls was Obtained. In the fracture

process of a single tracheid prepared from normal wood, it was fOund that

the failure frequently Occurred at the ray― tracheid pit(R― T pit) near the

end of the ray crOssing, and the crack advanced in the wall through twO

characteristic stages. At the first fracture stage, which is called the

｀

｀

cross fracture″ stage in this article, the crack prOpagated across the

cell axis ; exactly speaking, perpendicular tO the direction of the micrO―

fibrillar Orientation of the S2 1ayer. And in the following stage, which

is called the ｀

｀

splitting fracture″

_{stage, the crack extended mainly a10ng}

the cell axis, strictly speaking, parallel to the direction of the S2-HliCro―

fibrillar Orientation,

On the basis of the topographic features on the fracture surface of the

S21ayer of the single tracheids prepared without chenical treatment, the

(ii)

appearance of the surface could be classified into six types,

け

.9.; the

cross―

fracture type工

(C-1), I(C―

■

_)and

_{Ⅲ (C― Ⅲ}

_{)and the sphtting―}

fraCture type I(S―

I), Ⅱ

(S―

Ⅱ

)and

Ⅲ

(S―

Ⅲ

)respectively. These various

types of fracture were estilnated to be strongly dependent on the kinds and

the directions of the acting main stress at the tip of an advancing crack

in a S2 1ayer. However, the whole fracture surface of the brOken end

always contained two or more kinds of fracture types. Then, it was

possible to classify the whole appearance of the brOken ends into three

large groups, J.9.; the predonlinant cross―

fracture group (G-1), the

predominant splitting―

fracture group (G-2), and the intermediate group

(G-3), containing boh types of fractures nearly equally.

When lignin and/or hemicellulose was removed from the cell wall,he

whole appearance of the fracture surface began to show indications of the

G-l grOup, and especially the C―

工

and the C―

I types of fractures were

observed on the fracture surface of the S2 1ayer. Moreover, the presence

Of a lamellar structure in the S2 1ayer was concluded from the fact that

the concentric patterns always appeared on the deligniied S2 1ayer.

In Chapter 2, the fracture behavior of a double cell wall within several

kinds of sliced sections of SUGI wood was describedo The crack propa―

gating systeHl in the double cell wall, and the topographic features of the

fracture surface in relation to the direction of crack propagation, w ere

investigated by use of single―

edge―

notched sections of a few cells with a

thickness of 60∼

120 H

crons prepared from an early wood, the intermediate

portion between an early and a late wood and a late wood respectively.

In the failure prOcess of the section, it was found that the crack always

occurred at the tip of a notch and developed thrOugh two characteristic

(iii)

relatively siOw(SCP phase). At the second phase, however, the crack

propagated rapidly in the unfailured part of the section (RCP phase)。

The S(3P phase was clearly Observed in the tangential-10ngitudinal sections。

In cOntrast with these sectiOns, the greatest part of the failure prOcess

of the thin―

walled sections was occupied by the RCP phase.

When the crack prOpagated from One wall in a dOuble cell wan to the

other one, it was found that there were three prOpagating manners, that

is, the early―

wood type, the intermediate― wOOd type and the late_w00d type

reSpectively. In the early wood sectiOn, it was observed that both wall

of the double cell wall were fractured silnultaneously by the crOss fracture

modeo One of the fundamental propagating manners in the double cell wall

was found in the intermediate wOOd sections, that is, the new crack parallel

tO the S2 H

Crofibrillar orientation in the one side of the double wall was

generated at the tip of an advancing crack on the other side of it. In

the late wood sections, the prOpagating crack often generated separation

between the double wall.

The shape of the failure line, which is the path Of the crack within the

section, showed a straight line perpendicular to the cell axis as the rate

of crack prOpagation was increased or the thickness of the cell wall was

decreased. HOwever, the failure line shOwed a wavy or a stepwise pattern

when the cell wall in the section was thick or the rate of crack grOwth

was small. During the SCP phase, it was detected that the sphtting

fracture mainly occurred in the S2 1ayer, and the separation between the

cell wall layers was generated at the vicinity of the Sl layer, At the

R(3P phase, both types of fractures, that is, the splitting and a cross

fracture types, were recognizedo Moreover, the ridgy pattern was usually

observed On the cross― fractured surface. FrOni this pattern, it was possible

(iv)

to estiinate the direction of crack prOpagation within the section.

In Chapter 3, the fracture behaviOr of bOrdered pits in the tracheidal

wall was discussed based On the structural features of the pit bOrder,

especially the One Of the R― T pit. h the case Of the R―

_{T pit, sOme new}

informatiOn about pit―

_{border fOrmatiOn was obtained, テ}

_{.c.i the rlicrofibrils}

of the Sl and the S2 1ayers iaid down in the pit― bOrder region maintained

their original orientatiOn, and the individual pit borders Of the Sl and the

S2 1ayers deve10ped perpendicular tO their Original orientatiOn, especially,

the deposition of the S2-miCrofibrils mainly cOntributed to fOrm the pit

border.

The differences between the fracture behaviOr of the R―

_{T pit and that}

of the intertracheidal pit(T―

T pit)can be explained in terms Of the

structural difference between their pit border. The T―

_{T pit bOrder has}

some resistance to crack propagation in comparison with the R― T pit bOrder

because of the presence of a thicker Sl layer and a lining layer Of sO―

called 正

;'「

or

｀

｀

initial border thickening″

. HOwever, the R― T pit bOrder

seems to be mechanically weak because of the lack Of B「 Γ and the unequal

deve10pment Of the pit border cOnsisting mainly of the S2 1ayer.

(1) 木材が梁 とか柱な どの構造用材料 として優れているのは次の

2つ

_{の破壊特性に因 るものである。す} なわ ち

,本

材 は繊維軸方向の引張 り(以下 これ を縦引張 りと略記)に対 して大 きな比強度 と破壊靭性 考有 していることである。 いいか えれば前者は軽 くて強 い とい うことであ り

,後

者 は急放 に破損 しな い とい うことである。 このよ うな木材の破壊特性は

,本

材 を構成 してい る種 々の微視的な らびに巨視 的構造単位の巧みな幾伺学 的配列

,す

なわ ち複合構造 に起因す ることが近年次第 に明 らかに されつつ あ る。それ故 に

,一

見迂遠 と思われ る木材細胞壁の縦引張破壊現象 をその構造 と関連 させて究明す る ことは

,本

材 を構造用材料 として加工・ 利用す る場合のみな らず

,本

質系材料の特性 をよ り高度 に活 か した新 らしい材料の開発・ 設計 を目指す場合 において

,そ

の基礎的知見 を与 えるもの として必要不 可欠で ある。 ところで

,本

材 に限 らず一般 に固体材料の破壊現象 は材料中にお ける亀裂

(crack)の

伝幡現象で あ り

,こ

れ を解明 してい くうえで従来 か ら

2つ

_{の ことが指摘 されている。その}1つは

_,亀

裂 は必ず固 体 材料 中に潜在的に存在す る欠陥部 を起点 として発生す るとい うことであ り

,他

の1つは

,発

生 した 亀裂の伝船は亀裂 を取 り巻 く限 られた領域 内のエネルギバ ランスに支配 され るとい うことである。 こ の よ うな概念は

GRIFHTH(1920)に

よ って始めて提唱 された。 まず第1の指摘 によ って

,破

壊 は特 定 の部位 に生ず る現象であることが認識 され るよ うにな ったが

,金

属 以外の材料につ いては この点に 関す る研究が少な く

,依

_{然 として破壊開始部位 に相当す る欠陥部の不明な ものが多 い。第}

2の

指摘 は 破壊基準 (c riterion)を 規定 した もので ある。材料 を均質連続体 とみなせば

,材

料 中におけ る亀裂の 挙動 をある程度予測す ることがで きるが

,こ

の手法では実際の材料 に即 した亀裂の真の挙動 を知 るこ とは困難である。なぜな らば材料 にはそれに特有の微視的な らびに巨視的な組織構造があるため

,亀

裂 はそれぞれの材料 に特有の伝幡様式(破壊様式)をとると考 えられ るか らであ る。 そ こで

,こ

_{の よ うな種 々の材料中における亀裂の伝幡に関す る直接的な知見 を得 る手法 としてはフ} ク トグラフィー

(fractography),と

くに電子顕微鏡(以下電顕 と略記)によ るエ レク トロンフラ トグラフ ィー(electrOn fractOgraphy)と _{呼ばれ る破面解析法が有効である。すなわ ち,フ ラク} トグラフィーは材料 内部 における亀裂の伝播過程の二次元的様相 を直接知 り得 る手法 として

,他

の手 法 では得難い知見が入手で きるとともに

,亀

裂伝幡の理論 を取 り扱 う破壊力学 (fracture mechan― ic s)の実験 的裏 づ けを与 えるもの として

,近

年 その重要性が認め られ るよ うにな って きた。 木材の縦引張破壊時の亀裂の挙動に関 しては ごく最近 に至 るまでほ とん ど調べ られなか った。その 理 由 としては

_,破

_{壊 までの変形量が小 さくかつ破壊が瞬間的に生 じることと}

_,破

_{壊先端は凹凸が激 し} くしか も壊れやすいためその直接可視化が困難 で あ った ことの

2点

を挙げることがで きる。 これ らの う ち

,と

くに後者 については走査電子顕微鏡

(scanning electrOn micrOscOpe以

下

SEMと

略記)の

登場 によ りほとんど問題 とな らな くなった。何故なら1ぎ

SEMは

,光

学顕微鏡(以下光顕 と略記 )レ ベ ロ ラ     ク

(2)

ルか ら透過電子顕微鏡(transmissiOn electrOn micrOscope以 下

TEMと

略記)レベルの観察が連

続 的にで き

,し

か も焦点深度が極めて深 く

,試

料 もバル クの ままで見 ることがで きるな ど従来の観察 機器で は持 ち得 なか った種 々の特性 を有 してい るか らで ある。

SEMを

木材の縦引張破壊部の観察に 適用 したのは

IFJU(1964)お

よび佐伯 ら

(1972)で

ある。 しか しなが ら

,こ

れ らの研究 は木材細胞 壁の破壊形態 をフラク トグラフィー的に解釈す るまで には至 らなか った。 これは フラク トグラフィー 自体の学問的性格に も一因が ある。すなわ ちフラク トグラフィーが材料の組織学 的

,物

性論 的

,力

学 的学問分野の境界領域 に属す る学際的

(interdisciplinary)な

性格 を有す る以上

,木

材細胞壁や木 材組織 の破壊現象 移 フラク トグラフィー的にアプローチす る場合には

,こ

れまで に集積 されて きた木 秘の微視的な らびに巨視的な組織構造や力学的諸性質に関す る知見 を整理統合 し

,総

合 的な見地か ら 検討することが必要である。 このよ うな観点か ら

,本

論文の 目的は本材 (と くに針葉樹材 )を 構成す る細胞壁

,す

なわ ち細胞間 層か らの拘束の影響 を うけていない単一な状態の仮道管

(以

下 これ を単一 仮道管 と称す る)の細胞壁

(single wan,以

下単一細胞壁 と称す る )と 組織 中に在 って細胞 間層 をは さんで相接す る1対の細胞 壁

(double wall,以

下重複細胞壁 と称す る)の縦引張破 壊挙動 を フラク トグラフ ィー的に解 明す る ことである。 本論文の構成 とその概要 を示せ ば以下の とお りで ある。 第

1章

では針葉樹材の単一仮道管壁の縦引張破壊について述べ る。まず

SEMレ

ベルで単一仮道管 の破壊過程 を直接可視化す る方法 を検討 し

,こ

の方法で もって破壊の開始部位な らびに亀裂の伝播過 程 を明 らか にす る。つ ぎに単一仮道管壁の破壊先端 を

SEMレ

ベルで詳細 に観察す る方法 を確立す る ことによ り

,仮

道管壁の破壊形態 をフラク トグラフィー的に解釈す るとともに破壊形態に関与す るい くつかの因子(化学組 成

,

ミクロフィブ リル傾角

,水

分 )と の関連性 を明 らかにす る。 第

2章

では針葉樹材の切片 における仮道管壁の縦引張破壊について述べ る。 まず光顕 レベルで切片 の破壊過程 を直接可視化す る方法 を検討 し,この方法で もって切片中の亀裂の挙動 を明 らかにす る。 さらに破壊先端の光顕な らびに

SEM観

察 よ り

,亀

裂の伝幡 と破壊形態 との関連性 を明 らか にす る。 第

3章

では仮道管壁の縦引張破壊 とかかわ りの深 い壁孔での破壊 と壁子L構造 との関連性 について述 べ る。 とくにこれまで研究の少なか った分野壁孔

(放

射柔細胞 と仮道管相互間の壁 子しとい うことで以 下

R―

T壁

孔 と略記)の壁孔縁の構造 を明 らか にす るとともに

,仮

道管相互間の有縁壁子し(以下T―

T壁

孔 と略記)の構造 とも比較 しなが ら

,こ

れ ら両壁孔の破壊の相違 を構造学的立場か ら検討す る。

(3)

第

1章

針葉樹材の単一仮道管壁の縦引張破壊

1.1 本材の縦引張破壊現象 は木材が本来有 している微視的構造(ミ クロフ ィブ リル構造や壁層構造)か ら巨視的構造

(構

成要素の配列や年輪構造)に至 る種々の構造 レベルでの破壊現象が重畳 して発現 し た もの と考 えられ るので

,い

きな リバルク状の木材の縦引張破壊現象 を解 明す るには相 当の困難が予 想 され る。そ こでまず個 々の構造 レベルでの破壊現象 を明 らかに し

,そ

の後 に各構造 レベル間の相互 関係について明 らかにす るのが至当と考 えた。 と ころで木材は種 々の形態および機能 を異にす る細胞の集合体であ る。 とくに樹体保持の役割 を担 っていた仮道管 と木部繊維は木材の強度的性質 に直接関与す る構成要素であ り

,な

かで も仮道管は針 葉樹材の

90∼

97%を

占め る構成要素であ り

,し

か も針葉樹材が構造用部材 として広 く利用 されてい ることを思うとき

,針

葉樹 材仮道管の縦引張破壊挙動 を究明す ることは重要 な ことと考える。 このよ う な観点か ら,こ こで は単一仮道管壁の縦引張破壊 を調べ ることとした。 単一仮道管壁の縦引張破壊を研究す るための手法は大別 して

2つ

_ある。1つは

MARK(1967)ら

に よ って始め られた細胞壁力学

(cell wall mechanics)的

手法であ り

,他

の1つは近年急速に発展 し つつ ある破壊力学的手法である。後者の手法には さらに亀裂近傍の応力分布や エネルギバ ランスを工 学 的手法によ って調べ る方法

(線

形破壊力学

)(岡

村

1976)と

フラク トグラフィー(ゴ LI H。 旭ヽ寺 沢

1977)の

2つ がある。 これ らの方法の うちフラク トグラフィー的な手法によ って細胞壁の縦引張 破壊挙動 を調べた研究は少ない。そ こで本章では単一仮道管壁の縦引張破壊機構 をフラク トグラフィ ー的手法 を用いて明 らか にす ることが主た る目的である。 この 目的 を達成す るためには予備知識 として仮道管壁の構造および細胞壁力学,さ らに細胞壁 と相 似 的な構造 をした複合材料 (composite material)の破壊機構 に関す る既往の研究成果について理解 してお くことが必要であ る。

<仮

道管壁の構造 に関す る研究

>

仮道管壁の構造 に関す るこれまでの研究 を大別す ると ミクロフィブ リルの構造 に関す る超微細構造 レベ ルの もの と壁層構造 に関す る微細構造 レベルの ものの

2つ

にな る。 ミ ク ロ フ ィ ブ リ ル の 構 造 に つ い て は

,ま

ず そ の 大 き さ(と く に 幅 )と断 面 形 状 に 関 し て 多 くの 関 心 が 払 わ れ て き た

(RANBYoRIB1 1950,FREY―

WYSSLING 1954,1976,Mむ

HLETHALAR 1960,

FENGEL 1970,つ

盗藤 ら 1972, 1975,HANNA・ C6Tと

1974,PRESTON 1974,GoTo 1976)。

と こ

ろで ミクロフ ィブ リルを細胞壁中の骨格物質

(framewOrk substance),す

なわ ち強度の担 い手 と考 えて細胞壁の縦引張破壊 を考察す る場合 には

,

ミクロフィブ リルの長 さ方向の構造 とか ミクロフィブ リル とそれ以外の構成成分(リ グニ ンとヘ ミセル ロース )と の関係 に関す る知見が必要である。

X線

説

概

(4)

回折法 を用 いた初期の研究では

,長

さ方向に

50∼

70η確の周期構造があ り,そ のつな ざ目に追る部分 は結晶学的にみてセル ロース分子の配列の乱れた領域 と考れ られていた。Mむ H LET HALAR(1960)は

負 染色法 を用 いて調べ た ところ

,長

さ方向に沿 って染め分 け られ る部分のない ことや直線的に折れ曲 が ったところのあることか ら

,

ミクロフィブリルは長 さ方向にほぼ一様に高い結晶性 を有 し

,か

つその ところどころに分子の末端

(chain end)や

乱れた ところ (dislocatiOn)が 存在す ると推定 している。

ミクロフ ィブ リル内部の結晶欠陥部につ いては最近電顕によ る暗視野観察法 によ って も確認 されてい る (PETERLIN・

INGRAM 1970,LAZARO・

C HIAVERINA 1973)。 また

FENGEL(1970)は

細胞壁 を物 理・ 化学的に解体処理 して

TEM観

察 した ところ30 0TPBの同期構造 を見い出 している。 他方,ミクロフ ィブ リル と他の構成成分 との関係については銅 イオンを吸着 させ た ミクロフ ィブ リルの電子線回折法

(PRESTON 1965)と

か酸加水分解処理前後の ミクロフ ィブ リル幅の変化(後藤 ら

1972)か

ら

,

ミ クロフ ィブ リルはセル ロースと分離 しがたいヘ ミセ ルロースでそのまわ りが取 り巻かれていると考 え られている。 近年

ALBERSCHEIM(1975)は

シカモァカカエデ(4θ″ ,s92,02ιαια免

"G)の

培養細胞 (一次壁 )を 解体後

,酵

素処理 して これの糖組成 を厳密に分析 し,さ らに これ らの糖類の結合様式 を 調べ た結果,セル ロース ミクロフ ィブ リルはヘ ミセル ロースを介 してペ クチン多糖類 と結合 してお り, しか も水素結合 は ミクロフ ィブ リル とヘ ミセル ロースの間でのみ認め られ ることを明 らかに している。 二次壁の場合は これに さらに リグニンが加わ るが

,

ミクロフ ィブ リル とヘ ミセル ロースの結合様式は 一次壁のそれ と同 じで あろ うと推定 されてい る

(PAGE 1976)。

仮道 管壁の壁層構造 については古 くか ら多数の研究があ り

,そ

の構造はほぼ解 明 されてい る。仮道 管壁 はその発達の順序に従 って一次壁 と二次壁 に分 けることがで き

,二

次壁 は さらに堆積の早い もの か らllkに二次壁外層_(以下 Slと 略記

),二

次壁 中層(以下 S2とBIS記

),そ

れに二次壁内層(以下S3 と略記 )の 3つの壁層 に区分で き

,最

内層 にいぼ状層が存在す るもの もある。一次壁は形成層か ら分 裂 した直後の細胞壁 で

,細

胞の形状の定 ま らない段階であるため

,そ

の構造 は ミクロフ ィブ リルの配

列 と 関 連 さ せ て 興 味 深 い も の で あ る が

(RoELOFSEN 1959,FREY―

WYSSLING 1976),強

度 的 に は

ほとんど無視 して も差 しつか えない壁層 と考えられる。これに対 して二次壁は仮道管壁中で量的にも 多 く

,そ

の ミクロフィブ リルの配列にも特徴があるため

,仮

道管壁の破壊を考える場合

,そ

の壁層構 造には十分注意を払 う必要がある。Slは ミクロフィブ リルが繊維 軸に対 して大 きし｀角度で配列した横 巻 き (flat hel

)構

造をしてお り

,し

か も ミクロフィブ リル配列が互いに逆向 きをしたい くつかの

薄 層 (ラ メ ラ )から成 る と さ れ て い る(WARDROP・

HARADA 1965,DuNNING 1968,1969)。

今 村

ら

(1972b)は

分化 中の仮道管壁の内表面のレプリカ観察か ら

,Slの

交差 構造はヘ リックスを異 にす る ミクロラメラ(ミ ク ロフ ィブ リル

1本

分 の厚 さの ラメラ)の雄積 によって形成 されるとしている。

S2

は ミクロフ ィブ リルが繊維軸に小 さい角度で配列 した急な らせん巻 き

(steep helix)構

造 を した

Z

―ヘ リックスをしてお り

,そ

の ミクロフ ィブ リルは リグニンや ヘ ミセルロースで密に充填 されている。 また S2の ラメラ構造の存在の有無については研究者によ って意見が分れてお り

,WARDROP(1964),

DuNNING(1969),KERRと GoRING(1975),RuELら

(1978)らは存在 を主張 し

,HEYN(1969)1よ

存

(5) 在 彦否定 してい る。S3は量 的に も少なく,そ の ミク ロフ ィブ リルは横巻 き構造 を してお り

,し

か もラメ ラ構造 をしてい るとされている

(WARDROP'HARADA

1965,DuNNING 1969)。

ところで Slと

S2,S2と

S3の_{間では ミク ロフ ィブ リルが 急 激 に走 向 方向を} 変 えるので はな く

,逐

次方向を変 えなが ら次第に次 の壁層が堆積す ることを示す よ うな移行層(veering iayer)の存在が認 め られている

(原

田 ら 1958)。 しか しこれ らの層 をSlや S2やS3の各 壁層 と区別 し て独立の壁層 として扱 うのか(原田 ら

1958),

そ れ とも

Slや

S2に

_{帰 属 す るラメラとして取 り扱 う}

(DuNNING 1969,今

村 ら

1972b)の

か は 現 在 で も定説を得ていない。 このような仮道管壁の壁層 構造に関する電顕的知見をもとに種々の細胞壁模型 が 提 案 さ れ て い る が (原田 ら

1958, WARDROP・

BLAND 1959, FoRCACS 1963, WARDROP・ HARADA

1965,DuNNING 1968),図

1に

は

DuNNINCの

_{提 案 し た 模 型 を 示 す 。} 以上 に述べた仮道管壁の構造はすべて壁孔を除いた細胞壁部分

(unpitted wall)に

つ いてである。 しか し実際の単一仮道管の縦引張破壊を調べ るうえでは壁子とを無視す ることはで きない。 とくにこれ らの部分の構造は破壊 と密接な関係があると考 えられ るため,この点 については章 を改めて述べ るこ とにす る。

<細

胞壁の力学的研究

>

細胞壁の強度 もしくは壁 内部の応力分布を予め知 ることがで きれば

,細

胞壁の破壊 をある程度予測 す ることが で きる。

COWDREYと PRESTON(1965)は

S2の _{ミクロフィブ リルを円筒巻 きばね (helicai spring mOdel)}

とみな して仮道管壁の強度的性質 を調べた結果

,S2中

の ミク ロフ ィブ リルは縦 引 張 応 力 の もとでは 互 いに強固に膠着 した (こ れ を

large aggregateと

_{称 してい る )改 フ ィブ リル "と して挙動す ると} 推定 してい る。 ここでい うフィブ リルは ミクロフ ィブ リルが106本程度凝集 した もの をさし_,これ は ち ようどS2の 断面積のほぼ

%に

相 当 し

,S2の

破壊に際 しては これ らの フィブ リル間に辻 りが生 じるの であろうと彼らは指摘している。 _{この概念 を正常な単一仮道管の縦引張破壊 に適用するには,フ ィブリル} とい う構造単位の実在性な らびに ミクロフィブリル間の充項物質の力学的評価がな されていないことな どか らかな り問題はあ るが

,圧

_{縮 あて材仮道管の破壊の解釈にはある程度適用で きるか もしれない。}

MARK(1965,1967,1972)は

_{仮道管壁 をセルロース ミクロフ ィブ リルの骨格物質 と リグニ ン・ ヘ ミ} セル ロースの充填物質

(matrix substance)と

か ら成 る

2相

系均質直交異方性 薄 板(壁層 に相 当) 図

1

回ングリーフパイン (PJη vd pα Jクι

TJOの

晩材仮道 管壁の 構造モデル (DuNMNG 1968)

(6) の連続積層体 と見な して仮道管の各壁層内部に発生す る応力分布を弾性定数な どの実測値 を もとに計 算 した結果

,最

大せん 断応力はSl内部に生 じ,しか もこの値は ミセルの理論せん断応力値 を上回るこ と,さ らにSI以外 の各壁層 内部に発生する応力 はすべてそれらの理論値 を下回ることを明 ら力耳こした。 この ことか ら

,彼

は単一仮道管が縦引張破壊するときはSIがせん断 応力によ って まず破壊す るであろ うと主張 して い る。Slにつづ く破壊については詳 しく述べ られていないが

,Slの

破壊によって壁 内部 で は応力の再分散が図 られ

,未

破壊部の S2やS3は別の機構 によって破壊す るのであろ うと述べている。 細 胞陛 肉部の応力分布に関 しては

,MARKの

この研究を契機 としてその後多数の成果が報告 されてい る

(SCHNIEWIND 1972, TANC 1972, 1973, BARRETT°

SCHNIEWIND 1973)。

<複

合材料 の破壊 に関す る研究

>

仮道管壁 は2相系複合材料の一種 と見 なす ことがで き

,そ

の構造 は繊維強化複合材料 (以 下

FRCM

と略記 )と 基本的に同 じである。 ここでは仮道管壁中で最厚層のS2が縦引張 りされ る場合 と対比 させ る意味で

,FRCMの

うち最 も構造 の単純な一方 向強化 材を一軸引張 りした場合の破壊 につ いて述べる。

FRCMの

破壊 に関す る研究を大別すると,骨格物質であ る繊維 (fiber)と これ を 充 填 して い る母 材 (mat x)と の相互作用 に関す る研究

(微

視的挙動 )と 板状 もしくは円筒状 を した

FRCMそ

のものの 外力 に対す る挙動 に関す る研究(巨視的挙動 )の 2つがあ る。 繊維 と母材の相互作用 とは基本的には外力 によ って生 じる繊維・ 母材界面のせん断応力(も しくは 摩 擦力 )と これ に対応 して繊維 内部の軸方 向に発生 す る応力(軸応力 )と の釣 り合いであ り,この釣 り合 いが崩れ る と繊維 もしくは母材内部で破壊が生 じる。 この問題 につ いては

Cox(1952)に

よ って 始 めて取 り組まれて以来

,複

合材料の発展 に ともな って多数の研究がな されてきた

(OuTwATER 1956,

COHEN・

RoMuALDl 1967, CARRARA・ M C GARRY 1968,

林 1969, RosEN・

ZWEBEN 1972,OWEN

1972,CHEN 1973)。

ところで

KELLYと

TYSON(1965)は

途 中に切れ 日の あ る繊維(不連続繊維)

もし くは短繊維が引張破壊す る際に

,破

断面か ら一定の範囲 内に末端 を もつ繊維は切断す ることな く 母材か ら抜 け出る (こ れ をpul卜

Out機

構 と呼んで いる )こ とに着 目 し,この よ うな機構は

FRCM

の破壊の際に亀裂の先端で繊維 を引 き抜 くために余分な仕事 を しなければな らない ことを意味 してお り,これが

FRCMの

破壊靱性 を高めている一 因で あろ うと指摘 してい る。 また最 近では不連続繊維 の末端部 とか繊維 と母材の界面にお ける亀 裂 の微 視 的 挙動 について も次 第に明 らかに されつつある (福田・ 河 田

1974b,FowLKES 1974)。

一方向強化材の 巨視的破壊挙動につ いては

,引

張方向 と繊維方向のなす角度(θ)に よ って破 壊 基準 が決定 され る。すなわち

,

θの小 さい ときは繊維 自体の切断による破壊が考 えられ

,

θが少 し大 きく なると繊維 と母材間のせん断による破壊 に変 り,さ らに 'が大 きくな ると繊維 と母材の界面 もし くは 母 梅中で繊維 に直角方 向の破壊が生 じるよ うにな る。 また θがかな り大 きい場合 には繊維軸のまわ りに 生 じるせん断力による破壊 も考 えられ る。 これ らの関係は円筒状の

FRCM,

すなわ ち一方 向ヘ リカ ル巻 きフィラメン トワインデ ィング材

(FW材

)にお い て もほ ぼ 当てはまることが 認 め られてい る (山脇・ 植村 1970a,b)。

(7) 以上

,単

一仮道管壁の縦引張破壊を論議す るうえで参考 とな る既往の研究成果 について述べた。 と ころが縦引張破壊時の単一仮道管壁 中の亀裂の挙動 に関す る直接的で しか も再現 性のある知見は これ まで報告 されて いない。 したが って,こ こまではまず単一仮道管の破壊過程の直接可視化を試 み

,次

に壁破断面の形 態 を詳細 に調べ るこ とによ り

,単

一仮道管壁中にお ける亀裂の挙動 を明 らか にす ると ともに

,壁

中での最厚層 S2の 破壊様式 を推 定 し

,S2の

破壊形 態に関与 す る

2,3の

囚 子 の 影 響 につ いて 明 らかに しよ うとして行 った研究成果 について述べ る

(古

ナl1 1973,1978a,FtlRUICAWAら

1973,

1974a,古

ナ「￨ら

1974b,1975)。

1日

2

単一仮道管の破壊過程

は じめ に

単一仮道管 移縦引張 りした ときの強度については

VAN DEN AKKERら

(1958)の

報告 を契機 として 種 々の因子 との関連性

,例

えば樹種や早・ 晩材によ る差違

(JAYNE 1959,1960),化

学組成 とくに

ヘ ミセ ル ロ ー ス の 影 響

(LEOPOLD o McINTOSH 1961,SHEGELBERG 1966),測

定 方 法 (」AYNE

1960,HARTLERら 1963)や

パ ル プ 化 法 に よ る 相 違

(L EOPOLD 1966,日

田 ら

1966), S2の

ミ ク ロ フ ィ ブ リ ル 傾 角 の 影 響

(TAMOLANGら 1967,PACEら

1972),含

水 率 の 影 響

(KERSAVACE

1973)な

どにつ いて多 数 の 報 告 をみるが

,破

壊時の挙動 に関す る ものは

2,3の

報告 をみ るにす ぎ ない(臼田 ら

1966,PAGEら

1971, 1972)。

これ にはい くつかの原因が指摘 されている。第1 は試料が小 さくその取 り扱 いが困難な こと

,第

2は試料の変形が微少でその コン トロールが困難な こ と

,第

3は破壊が瞬時に起 る ことな どである。 したが って

,単

一仮 道 管の破 壊 過程 を調 べ るため に は

,ま

ず これ らの技 術的 障害 を克服 しなけれ ばな らない。 そ こで本 研究で は このよ うな試料の特性 に 適合 し

,か

つ試料中にお ける亀裂の挙動 を直 接 可 視 化で きるよ うな研 究 手 法 を確 立す るのが第1の 目的である。 ところで亀裂が材料 中を伝幡す るときの亀裂の先端 には基本的に

3つ

の応力状態 (こ れを亀裂の変 形様式 もしくは破壊 モー ドと呼んで い る

)が

存 在 しうる(横堀 1974)。 す なわ ち図

2に

よ って理解 で きるよ うに

,モ

ー ドIは開 口型 とも呼ばれ, 平面応力状態

,平

面 ひずみ状態のいずれにお いて も応力は亀裂の進行面に垂直に作用 して い る。 モー ド

Iは

面内せん断型 とも呼ばれ, 平面応力状態

,平

面 ひずみ状態のいずれにお いて も応力 は亀裂先端 に垂直に しか も亀裂の 進行 面に平行 に作用 している。 モー ドILは面 (a)モ ー ドI (b)モー ドⅡ

(C)モ

ー ドll 図

2.亀

裂の変形様式(破壊モー ド)(横堀 1974) 外せん断型 とも呼ばれ

,応

力 が亀裂先端べ りに平行に作用 している。実際の材料の破壊では これ らの 破壊 モー ドが亀裂の先端で単独 に もしくは複合 して作用 していると考 えられ る。 このよ うな破壊 モー

(8) ドは伝 船中の亀裂の先端 を注意深 く観察す ることがで きれば

,あ

る程度識別で きるのではないか と思 われ る。 そこで本研究では単一仮道管壁中を伝播 している亀裂 を直接観察することによ り

,亀

裂先端 に発生 している破壊 モー ドを推定 し,さ らに破壊の開始か ら完了までの間における破壊 モー ドの変化 を把握す ることが第2の 目的である。

1.2.2

_{試料 の調製 と動的観察法}

1.2.2.1

試料の調製

1)供

試 材 材料 としてはスギ(θTυ_夕ιOη9″ぢα Jαροttθα

D.DoN)の

正常木(樹令

67年

,鳥 取県産)と雪害 木(樹令

25年

,

鳥取県産 )を 用 いた。雪害木中には多量の圧縮あて材が含まれていた。

2)解

繊用小片の作製

観

嚇

図

3に

示す よ うに

,胸

高部位 の成熟材部か ら 二方ま さ本取の月ヽブロックを作製 し

,こ

れ をさ らに厚 さ1∼2 ππのま さ目の薄片に分害_Jし,こ の薄片の所定の年輪部 (こ こでは第

49年

輪部) か ら実体顕微鏡の もとで早材 と晩材の解繊用小 片 を切 り出す。雪害本のあて材部か らも同様に して小片 を切 り出す。 これ らの小片 は解繊に先 だ って脱脂処理 を施 した。

L=10

上

図

3.解

繊用小片の作製

3)解

繊 単一仮道管 を小片か ら単離す る方法(解繊法

,maceration methOd)は

い くつか あるが

,代

表 的

な 方 法 と し て は 亜 塩 素 酸 塩 法

(JAYME 1942, WIsEら

1946),塩

素 ・」aノ→ レ法

(VAN BECKUM

・

R ITTER 1937),過

酢 酸 法

(PoLJAK 1948)の

3つがある。これ らの方法の うち

,薬

液の調整 が簡単で

,し

か もホロセルロースをほとんど劣化することな くリグニン移ほぼ完全

(残

存率

1%以

下)

に 除 去 で き るWIsEら の 方 法 を 少 し 改 良 し た JAYNE(1959)や THoM PsoNと KAUSTINEN(1964)の 方

法が解 繊法 としてよ く用 い られている。 したが って ここで も

,早

材 と晩材の小片の解繊には この方法 を用 いた。ただ し処理回数は晩材小片で3回

,早

材小片で2回とした。 ところで小片 を処理 しただけでは仮道管は依然 として互いにかな り強 く結合 されたままの状態にあ るので_{,これ を単離す るための方法 として ボール ミルを用 い る方法が提案 されてい る}

_{(J ENTZEN}

1964a)が

_{, これ は仮道管に折損の入 るおそれが あるため,こ こでは処理 した小片 を実体顕微鏡で見} なが ら

,先

の鋭い ピンセ ッ トを用 いて小片の端か ら

,注

意深 く仮道管を

1本

ずつ引 き抜 く方法を用い た

(FuRUKAWAら

1973, 1974a)。

また圧縮あて材単一仮道管は

,処

理後の小片か ら仮道管 を単離す るのにほ とん ど外力 を必要 としな

(9) い解 繊 法 で あ る希 釈 した

JEFFREY氏

液 を使 用 す る方 法 を用 い た(古川

1973)。

4)乾

燥 脱 リグニ ン処理 した単一仮道管を飽水状態か らその まま大気 中で乾燥す ると

,捩

れや落 ち込みや し わな ど処理前にはみ られない様 々な変形が生 じる。 ところが単一仮道管の強度 を測定す る研究におい ては この点 に関 してほ とん ど注意が払われていない。 ここではで きる限 り木 材 中で の形 状 を保持 し た単一仮道管 を調製す るため

,乾

燥には特 に注意 を払 った。乾燥に ともな うこのよ うな変形 を防 ぐに は表面張力の影響の少ない乾 燥法 を用いることが必要であ り,このための方法 としては

,溶

媒置換乾 燥法

(MERCHANT 1957,THoMAS・

NIcHoLAS 1966),凍

結 乾 燥 法

,臨

界点乾 燥法(ANDERSCjN

1951)な どが あ る。溶媒置換乾燥法は試料中の水 を逐 次表面張力の小 さな溶媒 に置 き換 えた後

,最

終 溶媒 を揮散 させ る方法で

,操

作 は容 易で あるが十分 な効果 は期待で きない。臨界点乾燥法は試料中の 水 を常温高圧下で液化二酸化炭素 に置換 した後

,二

酸化炭素を臨界点 (こ の ときの表面張力 はほぼゼ ロである)で揮散 させ る方法で

,乾

燥法 としては理想 的であるが高価な装置 を必要 とす る。 したが っ て ここで は比較的簡単 な装置

(古

ナ

￨1 1973)で

か な りの効果が期待で きる凍結乾燥法 を用いた。この 方法の要点は

,試

料 を液体 ちっ素中で急速 に凍結 した後

,試

料 を真空 系の内部に置 き

,試

料 の温度 を 徐 々にあげなが ら試料 中の氷 を昇率 させ ることと

,氷

の昇率 している間(すなわ ち真空度 の低下 して い る間)は試料の温度 を必ず氷点以下に保つ ことである。氷の昇率が終 り真空度が再 び元の状態に回 復す ると試料の温度 を室温付近にまであげ

,試

料 を真空 系か ら取 り出す 。乾燥試料 は吸湿 しやすいの で取 り扱いには十分気 をつ ける必要が あ る。

5)保

持 法 単一仮道管の よ うな小 さな試料 を正確に引張 るためには試料の両端 を どのよ うに して保持す るかが 問題 とな るが,これにつ いてはパル プ単繊維の強度測定のためにい くつかの方法が考案 されている。 これ らを大別す ると試料の両端 を特殊なチ ャックで機械的に直接把 む方法(以下直接法 と略記

,例

え ば

JAYNE 1959の

方 法 )と

,試

料の両端 を穴のあいた保持体(tab)1こ接 着 剤で固定 した後

,保

持 体 を装置の チャック間に取 り付 ける方法(以下 間接法 と略記)の

2つ

が ある。作業性の点か らは間接 法の方が優れてお り

(HARTLERら

1963),こ

こで も間接法 を用いることとした。保持体の材料 とし ては加工が容易で周囲の環境 による伸縮が少な くしか も電子線に対 して安定で電気伝導性の良いアル ミニ ュウムの薄板 を用い ることに した。 また接着剤 としては接着力が優れていて

,硬

化 時に収縮が少 な くしか も適 当な粘度 を有す るエポキシ樹脂系接着剤(商品名 アラルダイ ト)を 用 いることにした。 これ らを用 いて単一仮道管 を保持体 に 固定 した ところを図

4に

示す。試料 を 固定 した保持体は引張試験装置(後述) に取 り付 けた後

,試

料の両側の保持体 に切 り込みをつ けた部分 をかみそ りで 切 り離す。 図

4.動

的観察用試料 プレー ト mm

(10)

6)蒸

単一仮道管のよ うな非導電性試料 を

SEM観

察す る場合 には試料の表面 に適当な導電性 を付与す る ことが必要である。 このための方法 としては

,試

料表 面 を蒸着金属 によ って被覆す る方法 と帯電防止 剤 を吹 き付ける方法 (SIKORSKIら

1968,MCKEE・

BEATTIE 1970)と

があ るが

,後

者の方法 は操 作 は容易であるが解像度が劣 る。 したが って ここでは前者 によることとし

,蒸

着金属 として導電性が よ く

,二

次電子放 出能の大 きい金を用い,これ を

10∼

35ηれ蒸着することにした。 ただしこの場合に は金が試料の 自由な変形 を拘束す ることな くしか もこの変形 を完全 に追随す るか どうか とい う問題が ある。 この点について金の蒸着膜 と仮道管壁のそれぞれの断面積 と弾性定数か ら

,蒸

着膜の単一仮道 管 に及ぼす力学的影響 を試算 した結果

,こ

れ はほぼ無視で きることが分 った。 また

,金

蒸着膜の厚 さ が 8∼ 14η 紀の場合は

300%以

上の試料の可逆的変形に も耐 えることが知 られてお り(田ナII・森 1971), 単一仮道管の変形に対す る追随性の点で も問題はない と考 え られる。

1.2.2.2

動 的観 察法

試料 に加 えられた刺激に対応す る微視的な らびに巨視的応答の経時的な変化 を連続的に可視化す る 方法 を ここで は動 的観察法

(dynamic Observation methOd)と

呼ぶ ことにす る。動的観察法 を単 一仮道管の破壊過程 に適用す ることによ り

,亀

裂の発生部位な らびに壁 中における亀裂の挙勃 を直接 見 ることがで きる。 しか しこの場合波の

3つ

の点 を解決 して おかねばな らない。すなわ ち

,第

1は単 一仮道管のままで しか も微細構造 レベルで観察す ることがで きる観察機器が必要な こと

,第

2は

その よ うな観察機器 に装着で きしか もよ く制 御 された状 態の もとで 単 一仮 道 管 を破 壊で きるよ うな引張 試験装置が必要な こと

,第

3は

観 察 した 動 的 現象 をいつで も記 録 。再 生で きる装置の必要な ことの

3点

である。第

1点

と第

3点

については

SEMお

よ び

KIMoToら (1969)の

開発 した テ レビ走査装置, それ に ビデオテー プレコーダー

(VTR)を

用 い るこ とによ ってほ とん ど問題 とな らな くな った。 と ころが第

2点

に関 しては該当す る装置が これまでにな く

,新

らしく考案 しなければな らなか った

(Fu

―RUKAWAら

1974a)。

したが って ここでは考案 した装置についてまず述べ

,次

に この装置 を

SEM

に取 り付 けて観察す る方法 につ いて述べ る。

1)引

張試験装置

テ レビ走査装置 と

VTRが

市販 され るよ うにな り

, 1970年

以降急速 に

SEMを

用 いた動的観 察 の ための試験装置が考案 され るよ うにな った

(CLARKら 1970,Mc KEE・ B EATTIE 1970, CROSS

・

SANDS 1971,田

川・ 森

1971,M cM ILLIN 1974a,b)。

本研究のために考案 した引張試験装 置の特徴は次の とお りである(F uRUKAVAら

1974a)。

(1)装置の大 きさは

SEM(」

SM―

U3,

日本電子製 )の ゴニオステージ上で使用で きる大 きさとした

(35(幅

)×

37(奥

行 )×

38(高

さ)翻 )。 (2)装置 は観察中にた えず電子線に さらされ るため電気伝導性がよ く

,し

か も磁性 を帯 びた り帯電 した

りす ることのない材質(銅

,真

ち ゅうまたは ァル ミニ ュウム )を 用 いた。(3)単一仮道管の破壊 ひず み

(11) 試料 はほぼ全乾状態 とな り

,破

壊 ひずみは さらに小 さくな ると考 え られ る。 したが って クロスヘ ッ ド (移動端)の動 きは十分小 さくかつ滑 らかでな ければな らない。 このため本装置の移動端の動 きは固 定端 との間に張 った金属 線 (ス テン レス線)の熱膨脹 によ って制御す る(井村

1970)こ

とに した。 この方式では金属線 に流す電圧 を変 えることによってlμμ/″″以下の超低速引張 りも可能 であ る。(4) 単一仮道管の引張破壊の際の異常の有無 をチ ェックす るとともに

,破

壊の開始時期 を予測す るために 試料の負荷 と変位量 を常時検 出で きるよ うに した。本装置の検出感度 は荷重で約

05夙

″

.,変

位 置 で 約0.5μれで

,最

大負荷重は約

500た

,最

大変位量は約200μ脇である。なお

,本

装 置 によ って検 出 され た荷重および変位量 は単一仮道管の力学的性質 を検討す る うえで興味深い ものであるが

,本

論文 で は割愛す ることに した。(5)試料保持体の着脱 を容易に行な えるよ うに した。すなわ ち

,保

持体は移 動端および固定端 に瞬間接着剤(シアノアク リレー ト樹脂系接着剤の一種で商品名 ア ロンアルフ ァ) そ接着 し

,取

りはずす時には樹 脂 をアセ トンで溶 脱す る。(6)本装 置 全 体の移 動や傾 斜

,お

よび荷 重 や変位 量の測 定 はすべて鏡体の外か ら操作で きるよ うに した。(7)本装 置 の 作 勃 中に金 属 線 か ら発 生す る磁 界や熱の影 響 を遮 断す るために

,金

属 線のまわ りをアル ミニ ュウム板で遮へ い した。

2)観

察

,測

定および記録 観察 と記録 には

TV走

査装置 と市販の

VTR移

用 いた。 また

VTR再

生画像か らの こま撮 りはブラ ウン管上か ら直接市販の カメラで撮影 した。撮影の際に シャッター速度 を

%秒

よ り遅 くす ると

,フ

ィ ル ムの 1こ まに再生画像の 2こ まが同時に記録 され ることが ある。観 察 時 の加 速 電 圧 は

loKVを

用 いた。 ところで この方式の観察では,(1)観測 しうる速度 に限界があること,(2)通 常の二 次電子像の観察よ り解像度が劣 ること,(3)チ ャー ジア ップ

(charge―

up)が

発生す ること,(4)電 子線 によ る試料の損 傷

(bean damage)が

生 じやすいな どの問題が ある。(1)については1画像の走査速度が

%秒

で あ るため,これよ り速 い動 きを追跡す ることが不可能であ る。 また(2),(3)および(4)については試料面上 を走査す る電子 ビームの走査速度が通常の

SEM観

察 に比べ てか な り大 きく

,画

面上で必要な コン ト ラス トを得 るために ビー ム電流 を強 くせ ざるを得ない ことによ って生 じる問題点である。 しか し

,解

像度 も数千倍 までな ら問題 とな らず

,ま

た破壊開始部 に生 じるわずかなチ ャージァ ップは逆に破壊開 始部 をい ち早 く見つ け出す手掛 りとな ることが多か った。 また電子線 によ る損傷の有無については試 料の切断荷重の値な らびに破壊後の破面 を詳 しく調べ ることによって チ ェックす ることが できた

(Fu

―_{RUKAWAら 1974a)。} 試料の荷重おょび変位量 はひずみゲージと輸 ひずみ測定器

(DS6/RY型

,新

興通信製)によ り 測定 し

,電

磁 オシ ログラフ

(RMV-33 UC型

ラピコーダ

,共

和電 業 製)に記録 した(渡 辺 1968)。 ちなみに動的観察 に供 したスギの晩材単一仮道管の切断荷重 は

28∼ 38ル

.であ り

,

この値 は同 じ部 位か ら採取 し同 じ処理 を施 したスギの晩材単一仮道管の気乾状態での平均切断荷重270量生(試験 本 数

70本

の平均値

,古

川 ら

1975)と

比べ て劣 るものではなか った。 ところが観察途中で電子線によ り損 傷 をうけたスギの晩 材単 一 仮 道 管 の 切 断 荷 電 は14量_{生 とな り}

_,著

_{し く低 い値 を示 した}

_(FuRU

(12) 一KAIVAら

1974a)。

1.2.3

早材単一仮道管の破壊過程

まず観察に供 した試料の外観につ いて述べ

,つ

ぎに典型的な破壊過程

(古

川 ら

1975)に

ついて述 rミ_る。 写真

1は

観察 に供 した スギの早 材単一仮道管の外観 を示す。放射組織 との交差域

(分

野)は放射柔 細 胞の形状にな らって くびれてお り

,そ

こにはR―

T壁

子とが存在す る。

R―

T壁

子とには壁子[壁が破損 す ることな く付着 してい ることか ら考 えて

,仮

道管はほぼ細胞間層の ところで分離 された もの と判定 で きる。 したが つて供試仮道管壁の壁層構成はほぼ元のままの状態 にある もの と見 なせ るであろ う。 さらに

,試

料の外形 も損われてお らず表面に しわな ども少 ない ことか ら

,試

料 作 製 時 に お け る人 工 産物

(artefact)は

ほ とん どなか った もの と思われる。勃的観察では試料が スパ ン全長 にわた って こ のよ うな状態 を保持 している もののみについて行 った。 写真

2は

スギの早材単一仮道管の典 型 的な破 壊 過 程 を

VTR再

生 画 像か らこま撮 りした ものであ る。写真

2-①

は破壊開始直前の仮道管の外観,と くに放射組織 との交差域周辺 を示す。仮道管の接 線壁が 内 こうに向 って落 ち込んでいる(矢印)。 これは

PACEら

(1971)が

指 摘 してい るよ うに引 張 りに ともな う

buckling現

象であろ うと考 え られ る。

PAGEら

は単一仮道管 を一方向 らせん巻 きの円 筒 とみな し

,こ

れが引張 られ るに したが って仮道管は繊維軸の まわ りに捩れ を生 じ

,遂

には らせん巻 きに沿 って bu c klingを 生 じるとい う考 え方 を提案 してい る。

bucklingの

発生 を支配す る因子 とし て彼 らは細胞壁の弾性定数

,ら

せん角 (と くにS2の ミクロフィブ リル傾角)およ び厚 さを挙 げている。 この考え方に したが えば

,早

材単一仮道管 は晩材のそれ に比べ てS2の ミク ロフ ィブ リル傾 角 が大 き く

,細

胞壁 も薄 く

,仮

道管の直径 も大 きいなど

bucklingの

生 じやす い試料であると言 えよ う。 また

,放

射組織 との交差域の外力 によ る変形の有無 は この写真で は判定で きなか った。 写真

2-②

は破壊が開始 した直後

,亀

裂の進展が一旦停止 した ときの破壊部 を示 して い る。早材単 一仮道管の破壊の ここまでの段階を破壊の第

1段

階

(first stage of fracture)と

呼ぶ こと にす る。 この段階では3つの特徴が認め られた。すなわ ち,(1)亀 裂 は放射組織 との交差域の端 に位置 す る

R―

T壁

孔 に生 じること,(2)発 生 した亀裂は瞬間的に分野 を横切 って進み

,こ

の場合分野の細胞 壁 は繊維軸に対 してほぼ直角方向に破断 され ること

,お

よ び(3)分野 を横 切 って進んだ亀裂 は一旦停 止 し,こ の とき破断部は横方向に互いにずれていることであ る。 早 材単一仮道管の縦引張破壊において

,破

壊 はまず放射組織 との交差域の端に位置す る2つのR一

T壁

子とをつ な ぐよ うに して生 じる(破壊の開始)。 これは この部分

(分

野域)の細胞壁が この部分以 外の細胞壁 と比べ てなん らかの構造的特異性 をもつ こと考示唆す る ものであろ う。 とくに この場合間 題 とな るのはR―

T壁

孔の構造で あろ う。R―

T壁

子との構造の うち壁子と壁 に関 してはい くらか知見が 得 られてい る (I 仏

hruRA 1974,HARADAら

1976)が ,壁

孔縁に関す る研究はほとん どない。 し たが って

,R―

T壁

子との 壁 子と縁の 構 造 を調べ ることは,構造学的見地か らだ けでな く

,仮

道管壁に

お ける破壊の開始部位 として破壊学的見地か らも重要かつ興味深いことと言えよう。 しかしなが ら本 節ではR―

T壁

子と_{が破壊開始点 となることを強調 してお くにとどめ}

_,そ

_{の構造学的}

_,破

壊学的検討は 第

3章

で行 うことにす る。一方

,分

_{野での破壊発生の頻度については動的観察か らだけでは十分な結} 論が下せない。 とぃ ぅのは

,動

的観察では

1本

_{の仮道管 を試験す るの にその準備か ら観察までに要す} る時間が長 く

,被

_{検 試料数が少な くな らざるを得ないか らである。 これを補 うためには次節}

_(1.3)

で述べ る破壊形態の観察結果 と突 き合わせて調べ ることが必要である。 早 材単一仮道管の場合

,破

壊 の第

1段

_{階にお ける亀裂は瞬間的に伝幡す るためその過程 を追跡す る} ことはで きなか った。 また この場合の細胞壁の破壊形状は短いとげが並んだ鋸歯状を呈 し

,全

体的に は繊維軸に対 してほぼ直角である。 この ことは壁中 (と くにs2中 )を亀 裂は ミクロフィブ リル間の短 い裂 けと ミクロフィブ リルの切断 を交互に繰 り返 しなが ら伝搭 したことを示す とともに

,破

壊の第1 段階では ミクロフ ィブ リルの切断 (こ の ような破壊を以下切断破壊

(crOss fracture)と

_{称 す} る

)が

_{優先的に生 じてぃた ことを示唆す るものであろ う。} 亀裂発生直後 にみ られ る破断部のずれは

,破

壊直前の壁中,と くにS2中_{には繊維軸 のまわ りにS2} の ミクロフ ィブ リル間を引 き離すよ うな方向

(時

_{計 まわ り方向 )の せん断応力が作用 していた ことを} 示 唆す るものであろ う。 このよ うなせん断応力が単一仮道管の縦引張 りの際にS2中に発 生す る こと は

,細

_{胞壁の力学的研究か らも明 らかに されてい る}

_{(ScHNIEWIND 1972)。}

すなわ ち

,単

一仮道管 を縦引張 りす るとS2に_{は このよ うなせ ん断 応 力 が 生 じ}

_,こ

_{のため仮道管は} 繊維軸の まわ りに沿 って捩れよ うとし,このよ うな状態でS2に_{亀 裂が入れば 亀裂 によ って解放 され} たせ ん断応力 に相 当す る変形分がずれ として生ずるものと推定 される。

Mc MILLIN(1974a)は

単 一 仮道管 を繊維軸のまわ りに時計 まわ り方向に捩 ることによって生 じる破壊 を

SEMで

動的に観察 した 結果

,3つ

_{の破壊 タイプを見い出 してい るが}

_,そ

_{の うちの1つの タイプ (こ れ を彼 は}

_type

Ⅱと称 し てい る_{)の破壊直後の形態が ここで問題 としている早材単一仮道管の第}

_1段

階の破壊形態 と酷似 して い るのは興味深い ことである。 破壊の第

1段

階の後,さ _{らに引張 りをつづけると一旦停止 していた亀裂は再び生長 し出 し}

_,遂

_には 仮道管 を

2分

_{す る最 終 的 な 破 断 に至 る。 この段階をここでは破壊 の 第}

_2段

_階

_{(secOnd stage}

of fracture)と

_{呼ぶ ことにす る。 この段階の亀裂の挙動には2つ} の特徴が認め られた。すなわち, (1)写真

2-③

_{に も示 されてい るよ うに破壊の第}

1段

_{階に生 じた亀裂(以下 これ を一 次亀裂 と呼ぶ )と} 離れ た ところに別の亀裂(矢_{印 ;以 下 これを二次亀裂 と呼ぶ )の 発生が観察 されることと,(2)仮道管} の隅

(cell cOrner)に

_{おいて特異な挙動が認め られ ることであ る。} ところで観察 した試料のなかには

,一

次亀裂が破壊の第

2段

_{階で もそのまま発達 し最終的な破断に} まで達す るもの もあ ったが

,多

_{くの場合二次亀裂の発生が認め られた。二 次亀裂の発生位置はR―}

_T

壁孔 とは関係な く一 次亀裂か ら離れた ところに発生する。 これは一 次亀 裂 の先 端 に集中している応 力が

,そ

の先端に接 して らせん状

(Z―

ヘ リックス)に走向す るS2の ミクロフ ィブ リルに伝 達 され, これ らの ミクロフ ィブ リルが強 く引張 られ ることによ り

,一

次亀裂の先端 とは別の ところ

,例

えば ミ

(14) クロフ ィブ リルが小 さな曲率で配列せ ざるを得ない仮道管の隅などに応力が集中することによって生じ るものかもしれなしぉ また次のよ うに も考 えられ る。すなわ ち一次亀裂によ って破 断 した部 分の

S2の

ミクロフ ィブ リルはその全長にわた って負荷が解除 され

,代

わ りに壁中では応力の再分散が隠 られ, 負荷 は未破 壊 部 の

S2が

負 担 す ることにな る。未 破 壊 部 のS2は先 に破断 した部分 とは関係な く挙動 し

,未

破 壊 部の内で最 も弱い ところか ら破 壊が始 まると考 えれば これ が 二 次亀 裂 とい うこ とにな り

,二

次亀裂は一次亀裂 と全 く異 る位置か ら発生す ることも十分考 え られる。 しか し

,二

次亀裂の発 生の機構については不 明の部分 が多 く更に検討 移要す る。 しか しいずれに して も

,一

次亀裂 と二次亀 裂の発生 によ って仮 道 管 壁 中 に蓄 積 されていた応 力(ひず みエ ネルギ)はほ とん ど解放 され

,実

質 的な荷重負荷能力はほぼゼ ロになる もの と推定 され る。 しか しらが ら二次亀裂の発生 した段階では仮 道 管はまだ完全に

2分

_{されてお らず一部でつなが っている。 このよ うな部分の破壊の様子が写真}

2-④ と③ に示 されている。 この場合の破壊は写真か らも明 らかなよ うに仮道管壁の裂 けを主に した破壊 が生 じるのが特徴である。すなわち

,一

次亀裂 と二次亀裂の先端同志が互いに引 き合 うことによ り, 両 亀裂 には さまれ た部分のS2中にはその ミクロフ ィブ リル配列方向に沿 ったせん断応力が働 くと考え られ

,そ

のため亀裂は一 次亀裂 もしくは二次亀裂の先端か ら相手方の亀裂の先端に向 って ミクロフ ィ ブ リル間を裂 きなが ら拡大する もの と考 え られ る(以下 このよ うな破壊 を裂 け破壊 (split fracture) と称す る)。 ただ し写真

2-①

,⑤

では裂 け破壊の途中で切断破壊 も生 じているため階段状の破壊形 が認め られ るが

,こ

のよ うな亀裂の発達 によ って仮道管は最終的に

2分

され る(写真

2-⑤

)。 ところで早材単一仮道管の破壊の際には亀裂が仮道管の隅に沿 って進行す るのが観察 された。 この 原 因 については現在明 らかでないが

,た

だ単一仮道管 を模型化 して扱 う場合単な る円筒パ イプと見な す こ とには問題が あろ う。 したが って今後仮道管壁の破壊をモデル化 して考 えるときには

,仮

道管の 形状 とか仮道管の隅において ミクロフ ィブ リルの曲率が急激に変化す ることや各壁層 の厚 さが変化す るこ とな ども考慮す る必要があろ う。 次 にこれ らの観察結果か ら

,各

破 壊 段 階 における亀 裂 の変 形 様 式(破壊 モー ド)1こつ い て考 察 す る。 破壊の第 1段階では

,亀

裂 は まずR―

T壁

子との ところで繊維軸にほぼ直角方向に生 じ

,っ

づ ぃて

R

―

T壁

孔の周囲の壁(半径壁)中および これに接す る接線壁中の一部 を繊維軸にほぼ直角方向に伝幡 す るとともに破断部にずれ を生 じさせ る。 この ことか ら亀裂はまず モー ド

Iに

よ ってR―

T壁

子とを切 断破壊 した後

,モ

ー ドⅡもしくはモー ドⅢによ って半径壁および接線壁の一部 を切断破壊す るもの と 推定 され る。ただ しこの段階の亀裂の伝搭は速 く

,モ

ー ドIの段階 とモー ドⅡやⅢの段階 とを明瞭に 区別 して観察す ることはで きなか った。 しか し,も しこのよ うに破壊 モー ドが伝播の途中で変化 して い るのであれば

,仮

道管壁破断面にはこれ ら変遷の跡が何ん らかの形で しるされているであろ う。 こ の点につ いては次節

(1.3)で

詳 しく検討す る。 破壊の第

2段

階で は

,一

次亀裂 とは別の ところに二 次亀裂が繊維軸に直角方向に生 じ

,っ

づ ぃて こ

れらの亀裂の先端をつなぐょぅに裂け破壊が生ずることにより仮道管は2分 される。このことから二

次亀裂 も一 次亀裂 と同様 にモー ドI によ って生 じた後

,モ

ー ドⅡもしく はモー ドⅢによ って仮道管壁 を切断 破壊 した後

,両

亀裂の先端 をつな ぐ よ うにモー ドⅡの裂 け破壊が生 じて 仮道管 は最終的に破 断 され る もの と 推定 され る。 以上 か ら

,ス

ギの早材単一仮道管 の破壊過程 を模式的に描 くと図

5の

よ うにな る。図の(a)と(b〉よ破壊の第

1段

階 を,(CIと(d)は破壊の第

2段

階 を示す。

(b) (c)

図

5

早材単一仮道管の破壊過程

1.2.4

晩材単一仮道管の破壊過程

晩材単一仮道管の縦引張破壊 の メカニズムにつ いては細胞壁の力学 的研究

(MARK ]965,1967,

1972)に

よ って間 接 的 に推 定 されて はいるものの

,そ

の破 壊過程 を直接観察 した例 は少ない

(FuRU

―_KAWAら

_1974,古

_{川 ら}

_1975)。

_{ここではまず観察に供 した試料の外観について述べ}

_,次

_に典型 的な破壊過程 につ いて述べ る。 写真

3は

供試 した スギの晩材単一仮道管の外観 を示す。写真

3-①

は同一年輸内で早材部に近い晩 材の

,ま

た写真

3-②

は典型的な晩材の単一仮道管の放射組織 との交差域の ところを示 している。 こ れ らの仮道管は

,横

断面形 状が前者ではほぼ方形であ るのに対 し後者では狭 い内 こ うを有す る短形で あ るこ とと

,壁

が後者で著 しく厚 いことか ら区別で きる。 また これ らの試料 も早材仮道管の場合 と同 様 にR―

T壁

孔の壁子と壁が残 って い ることか ら

,試

料 は解繊の際に細胞間層付近で分離 された もの と 推定 され る。 したが って試料の壁層構成 はほぼ元の状態 を保持 している もの と考 えられ る。 さらに, 晩材仮道管 の場合 は放射組織 との交差域 で著 しくくびれているの も特徴の1つで ある。 写真

4と

5は

スギの同一年輪内で早材部 に近い晩材単一仮道管の

,ま

た写真

6と

7は

同 じ くスギの 晩材単一仮道管の典型的な破壊過程 または破壊のある段階 を示 した ものである。 晩材単一仮道管では引張 り荷重下にお け る壁の bu c klingは 認め られなか った。 これ はSどの ミクロ フ ィブ リル傾角が小 さく

,壁

も厚 くしか も内こうが族い ことによるものであろ う。 しか し

,半

径壁 の くびれた部分

(放

射組織 との交差域 )は 引張 りによ って引 き伸 ば され るのが観察 された。 写真

4-①

は引張 り開始前の放射組織 との交差域 考板 目方向か ら見た ところ を示す。写真

4-②

には この部分で 破壊の開始 した直後の状態(左の仮道管 )と 破壊開始直前の状態(右の仮道管)が同時に写 ってい る

(16) (これ は

VTR再

生 画 像 の ち ょ う ど2こま 分 が

1視

野 に撮 影 され た もの で あ る)。 これ らの 比 較 か ら くびれた部分が伸ば され ることが推定 され る。 晩 材単一仮道管の破壊過程 も早 材の それ と同様 に2つの破壊段階 を もつ。すなわ ち亀裂が発生 し, それがS2を切 断 破 壊 しなが ら伝播 す る段階 と,これにつづいて亀裂がS2を裂 け破 壊 しなが ら伝播 し 最終的に仮道管を

2分

す るまでの段階 とであ り,これ らをそれぞれ破壊の第1段階

,第

2段

階 と呼ぶ こ とにす る。 破壊の第1段階では

,亀

裂の発生箇所な らびに亀裂の拡大の仕方 において特徴が認 め られ た。すな わ ち晩前単一仮道管の縦引張破壊においては亀裂はまず壁子と

(R― T壁

子とと

T―

T壁

子Iの両者 )の と ころに発生す る。 この ことは動的観察済の試料の破壊部を再度金蒸着 して

SEMで

観察す るこ とによ リー層は っき りと見 ることが で きる。例 えば写真

3は

写真4の

,写

真

9は

写真

6の ,ま

た写真

10は

写真7の破壊先端 をそれぞれ示 してい る。 この場合写真 8と 10の試料はR―

T壁

孔 (矢 印)から

,ま

た写真9の試料 はT―

T壁

孔(矢印)から破壊が生 じた ことが分 る。 ところで壁孔 に亀裂が生 じる場 合 は写真

5か

らも明 らかなよ うに子と口

(pit aperture)の

中央付近の壁子し道

(pit Canat)側

か ら 発生す る。 この ことは晩 材仮道管 のT―

T壁

子との子と国の最終形状が

IMAMURA(1974)の

指摘するよう にS2の堆積 によ って決定 されてい る ものであれ ば

,S2中

に最初か ら亀裂が生ず ることを示唆す る も のである。 このよ うな破壊の開始は細胞壁力学的な手法では全 く予測ので きなか った ことである。 ま た このよ うに壁子とが破壊の開始 と関係 していることについては壁子と縁の構造 になん らかの原 因が あ る もの と考 え られ るが

,こ

の点 については第

3章

で改めて検討す る。 また破壊の第

1段

階では

,亀

裂 は 繊維 軸に対 して ほぼ垂直な面 (と くに壁子とを横切 る面)に生 じ

,そ

のまま拡大生長す る(写真

7-②

,

8,9, 10)。

これ は繊維軸にほぼ平行に配列 しているS2の ミクロフィブ リルが互いに辻 ることな く 切断破壊 され ることを示す ものであろ う。 さらに この段階ではすでに破壊 した ところが

,早

材仮道管 で み られたよ うにずれ ることはなか った。 これはS2の ミクロフィブ リル傾角が小 さいため繊維軸の ま わ りに生 じるせん断応力が小 さいか らであろ う。 つづいて亀裂は壁中彦しば らく伝踏 した後

,一

旦停止す るかに見 えその先端付近で S2の 裂 け破 壊 を引 き起こす こ とがよ く観察 され る(写真

6-③

,7-②

,10)。

このよ うな亀裂の挙動の原因につ いては,COOItと

GoRDON(1964)の

提 案 した考 え方によ ってある程 度 説 明す ることがで きる。彼 ら はモー ドIの亀裂の先端近傍の応力分布 を調べた ところ

,先

端近傍 で亀裂面 に重直な しか も剥離 しや すい界面

(weak interface)が

存在すれば,このよ うな界 両 は亀 裂が到着す る前に剥離す る可能 性の あることを指摘 してい る。 このよ うな界面の剥離は

,最

初の亀裂 によ る破壊 とは別の破壊 と考 え られ る。 この剥離の発生によ って

,最

初 の亀裂の先端 に集 中 していた応力 は緩和 され

,亀

裂の生長が 鈍化す るとともに

,亀

裂の伝幡方 向 も変 るもの と考 えられ る。晩材仮道管壁の縦引張破壊では ミク ロ フ ィブ リル とこれ を取 り巻 くマ トリックス物質

(主

に ヘ ミセ ルロース )と の界面が ここで言 う剥離 し やすい界面に相 当す るもの と見なせば

,晩

材仮道管壁 を切断破壊 しなが ら伝播 している亀裂が途中で 裂 け破壊 を引 き起 こす ことは十分考 えられ る。 このよ うに

,破

壊の第

2段

階では S2の 裂 け を 主 に し