細胞壁から見る木材の力学挙動

摘要

近年，木材は非住宅や中高層建築への利用も促進され，その構法の技術開発が盛hである。新しい木質材料の開発ゃ異素材との混構造も増加しており，木材の構造利用は新しい局面を迎えている。こうした背景の中，木材の力学性能発現機構を解明することは構造材料の基礎的な知見として重要である。しかしながら木材は他の構造材料と比較して，その力学的メカニズムは不明な点が多い。これは木材の複雑な階層構造に起因する。すなわち，木材は第1図に示すように成長輪(温帯地域の場合は年輪)構造を有する早材層と晚材層があり，その下位構造として針葉樹のおよそ95%を占めている仮道管細胞壁の層構造がある。この細胞壁の層構造は，細胞の表層に薄く形成された1次壁(P層)と，肥大生長によって形成した2次壁から成る。2次壁は外層からS1層，S2層，S3層の3層で成り立っている。また，それぞれの層はセルロース，へミセルロース，リグニンの3つの主成分から成る。このうちセルロースの分子鎖が束となったセルロースミクロフィブリルは細胞壁の主要骨格である。リグニンは骨格の周りを充填し，へミセルロースはこれらを結ぶ結合要素のような役割を有している。唯一の結晶骨格を持つセルロースミクロフイブリルは木材の力学性能に大きく関与していると考えられている。このセルロースミクロフィブリルの集合体であるラミー繊維やクラフトパルプに，分子の配列方向への引張負荷を作用させた結果，その引張弾性率はおおよそ140 GPaであることが分かっている。これは一般的な木材の10倍以上の性能を有しており，大きな乖離がある。したがって，木材の力学性能発現機構の解明には，第1図に示すような階層的な組織構造の影響を検討する必要があると言えよう。