國產人工林柚木材性及木地板應用研究

何嘯宇 孔繁旭 王艷偉 邵海龍 包永潔 徐立 葉江 何雪洪

摘 要：為探究國產人工林柚木的材性及其作為地板材、家具材替代珍稀天然林柚木的可能性，本文將國產人工林柚木與傳統常用的緬甸天然林柚木進行對比，通過制樣分析兩者的宏觀結構特征差異;按照相應國家標準分析了2種柚木的化學組分（綜纖維素、半纖維素、酸不溶木質素3類成分）、物理性能（干縮率、濕脹率、密度、抗彎強度及抗彎彈性模量）差異;采用2種柚木制造相應的實木地暖地板產品，并對比所制產品的外觀及穩定性。結果表明：①宏觀特征方面，兩者較相似，僅在管孔分布、氣味以及觸感特征上存在一定差異;②化學組分方面，兩者主要差異為半纖維素含量，國產人工林柚木與緬甸天然林柚木的半纖維素含量均值分別為20.94%、23.10%，差值為2.16%，其他成分差值均不超過0.50%;③物理力學性能方面，2類柚木有顯著差異，緬甸天然林柚木尺寸穩定性與抗彎強度相對國產人工林柚木較優。前者的徑向氣干干縮率、弦向氣干干縮率、徑向氣干濕脹率、弦向氣干濕脹率分別為0.62%、1.01%、1.28%、2.06%，后者分別為0.84%、2.42%、1.61%、3.21%;前者的抗彎強度與抗彎彈性模量分別為100、12 360 MPa，后者分別為73.2、9 030 MPa。但國產人工林柚木性能仍可滿足家具、地板等用材使用需要;④對比2類柚木所制實木地暖地板產品，二者外觀相近，同時國產人工林柚木地板的長度干縮率、長度濕脹率、寬度干縮率、寬度濕脹率分別可以達到0.04%、0.01%、0.18%、0.08%，均滿足國家標準要求。研究表明，國產人工林柚木可用于加工實木地暖地板，并可作為家具、地板用材代替部分天然林柚木。

關鍵詞：柚木;人工林;木材材性;木材物理力學性能;木材化學組分

中圖分類號：TS62??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2021）04-0047-11

Research on Properties and Wood Flooring Application

of Domestic Plantation Teak

HE Xiaoyu1， KONG Fanxu1， WANG Yanwei1*， SHAO Hailong1， BAO Yongjie2，

XU Li1， YE Jiang1， HE Xuehong1

（1.Treessun Flooring Co.， Ltd， Nanxun 313009， China; 2.China National Bamboo Research Center， Hangzhou 310012， China）

Abstract：In order to explore the properties of domestic plantation teak and its possibility of replacing rare natural teak as the material of floor and furniture， this paper compared plantation teak with traditional Myanmar natural teak， and analyzed the differences of macroscopic structural characteristics of the two through sample preparation. According to the corresponding national standards， the difference of chemical components （cellulose， hemicellulose， acid insoluble lignin） and physical properties （dry shrinkage， wet expansion， density， bending strength and flexural modulus） of two teak trees were analyzed. Two types of teak were used to manufacture corresponding solid wood floor heating products， and the appearance and stability of the products were compared. The experimental results showed that： ① in terms of macroscopic characteristics， they were similar， but there were some differences in the distribution of tube holes， odor and touch. ② In terms of chemical composition， the main difference between the two kinds of teak was the content of hemicellulose. The average content of hemicellulose in plantation forest teak and Myanmar natural forest teak was 20.94% and 23.10% respectively， with a difference of 2.16%， and the difference of other components was less than 0.50%. ③ In terms of physical and mechanical properties， there were significant differences between the two types of teak. The dimensional stability and bending strength of Myanmar natural forest teak were better than those of plantation forest teak. Radial air dry shrinkage， tangential air dry shrinkage， radial air dry wet expansion and tangential air dry wet expansion of the former were 0.62%， 1.01%， 1.28% and 2.06%? respectively， those of the latter were 0.84%， 2.42%， 1.61% and 3.21% respectively. The flexural strength and modulus of elasticity of the former were 100 MPa and 12 360 MPa respectively， those of the latter were 73.2 MPa and 9 030 MPa respectively. However， the performance of plantation teak can still meet the needs of furniture， floor and other materials. ④ Two kinds of SWFG were investigated， the appearance of plantation teak SWFG was similar to nature teak SWFG， and dry shrinkage of length， wet expansion of length， dry shrinkage of width and wet expansion of width of plantation teak floor can reach 0.04%， 0.01%， 0.18% and 0.08% respectively， it met the requirements of national standards. Research showed that the domestic plantation teak can be used to process SWFG， and as furniture and floor materials to replace the natural forest teak.

Keywords：Teak; plantation; wood characteristics; wood physical properties; wood chemical composition

收稿日期：2021-03-10

基金項目：國家重點研發計劃課題（2017YFD0601105-02）

第一作者簡介：何嘯宇，助理工程師。研究方向為木材科學與工程。E-mail： Hoxiaoyu@163.com

*通信作者：王艷偉，碩士，高級工程師。研究方向為木制品新產品開發。E-mail： butterfly33333@126.com

引文格式：何嘯宇，孔繁旭，王艷偉，等. 國產人工林柚木材性及木地板應用研究[J]. 森林工程， 2021，37（4）：47-57.

HE X Y， KONG F X， WANG Y W， et al. Study on properties and wood flooring application of domestic plantation teak[J]. Forest Engineering，2021，37（4）：47-57.

0 引言

柚木（Tectona grandis L.F.）強度高、尺寸穩定性優異，可用于樂器、車輛、高級家具、儀器制造以及軍工等諸多領域[1]。現存柚木天然林主要位于印度、緬甸、越南以及馬來西亞等地區[2]，而在我國少有分布，目前我國柚木需求主要依靠進口。據統計，我國于2019年進口原木達到5 980.69萬m3，鋸材進口3 808.36萬m3[3]，其中包括進口柚木原木10 682.6 t，達616.3萬美元[4]。進口木材雖可滿足我國的柚木資源需求，但是該方法對國際木材市場依賴大且不穩定，相較于發展本土人工林仍存在一定的弊端[5]。19世紀初期，為逐步減少對東南亞柚木的依賴，我國引進柚木并進行小面積種植，其后又進一步在云南、廣州等地設立了柚木林場[6]，目前我國各柚木人工林已發展至一定水平。通過對我國柚木人工林進行合理化地加工利用，可降低柚木制品的成本，減少對進口木材的依賴，并進一步推動多類珍貴樹種人工林發展。然而受立地條件影響，國產人工林柚木與天然林柚木存在一定的材性差異，在實際生產利用中需進行適用性研究。通過對國產人工林柚木材性進行研究可為該材種的加工利用及材種培育提供有效參考[7]。

目前，方曉陽等[8]對人工林小徑柚木的物理力學性質進行了較全面的探索，但沒有涉及其結構特征、化學組成以及開發利用方面;王憲等[9]研究了人工林柚木的彎曲化學特性，表明其具有應用于曲木家具的可能性;葉雨靜等[10]研究了小徑柚木應用于單板層積材的可能性，拓展了人工林柚木的應用方向。除上述應用方向，實木家具、地板也深受消費者喜愛，將人工林珍貴樹種柚木合理應用于家具以及地板領域，可顯著提升其附加值。為確定國產人工林柚木代替緬甸天然林柚木作為實木家具、地板用材的可能性，本文對人工林柚木及天然林柚木分別進行化學組分檢驗以及物理力學性能測定，比對2類不同立地條件柚木所制實木地暖地板產品的外觀、尺寸穩定性差異，分析兩者材性差異，以考察國產人工林柚木作為家具、地板用材應用的可行性，為國產人工林柚木進一步開發利用提供參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

國產人工林柚木（簡稱為“人工林柚木”）鋸材，產地：西雙版納勐臘縣，規格：950 mm×135 mm×20 mm，樹齡：17～18 a;緬甸天然林柚木（簡稱為“天然林柚木”）鋸材，產地：緬甸，規格：950 mm×135 mm×20 mm，樹齡：50～60 a。由于柚木家具、地板多利用柚木心材部分，因此本文取樣研究對象均為心材部分。

1.2 實驗設備

實驗設備見表1。

1.3 檢測方法

1.3.1 外觀特征

將試材加工為尺寸20 mm×20 mm×20 mm的待檢測試樣40塊，并保證其端面分別為橫切面、徑切面以及弦切面。隨機選擇其中10塊，利用手持式顯微鏡對其三切面進行拍攝觀察，記錄其結構特征。

1.3.2 化學組分

化學組分分析項目包括水分含量、酸不溶木質素含量、綜纖維素含量測定，具體原料制備及測量方法的參照標準見表2 。

由于纖維素含量測定無相關標準，故采用“硝酸-乙醇法”[11]進行測定。

1.3.3 物理力學性能

物理力學性能測試項目包括干縮性、濕脹性、密度、抗彎強度和抗彎彈性模量等5個指標，具體測定方法參考標準見表3 。

1.3.4 產品對比

選取12片人工林柚木以及6片天然柚木鋸材按材種分為3個實驗組，其中6片人工林柚木鋸材作為低溫熱處理實驗組。低溫熱處理實驗組所用熱處理介質為常壓濕空氣，熱處理溫度為112 ℃，時間為48 h，該工藝可以提高木材尺寸穩定性且不會明顯改變木材材色。經處理后，低溫熱處理實驗組鋸材經砂光、開槽和涂裝等工藝，制得熱處理人工林

柚木實木地暖地板產品;另外6片人工林柚木鋸材與天然林柚木鋸材分別作為另外2個不經熱處理的實驗組，經相同工藝加工成實木地熱地板產品。

產品檢測過程包括，①將地板樣板分別放置在標準光源燈箱中，通過D65光源觀察，拍攝記錄其外觀差異;②參照GB/T 35912—2018《地采暖用實木地板技術要求》測定其尺寸穩定性。

2 結果與分析

2.1 宏觀結構特征

人工林柚木與天然林柚木2類木材宏觀結構特征如圖1所示。由圖1可以看出，兩者多數特征相似，但少數有差異，其結果見表4 。

（1）人工林柚木早晚材管孔差異較小，類似半環孔材，而天然林柚木早晚材管孔差異明顯，為環孔材，該差異與古鳴[12]研究結果一致。該差異的產生一方面可能與柚木樹齡有關，柚木幼齡材與成熟材的劃分年限為15～20 a，本研究采用的人工林柚木樹齡為17～18 a的小徑材，因此人工林柚木樣品極可能為幼齡材，而天然林柚木樣品的樹齡為50～60 a，所取部分為成熟材部分。根據Bhat 等[13]研究表明，柚木幼齡材與成熟材的管孔結構存在差異，如圖2所示。因此本文所示管孔分布差異可能是由幼齡材與成熟材的差異導致的。另一方面這種現象可能與實驗材料的生長地區及種源有一定關系，根據王潔瑛等[14]研究表明不同產地柚木的管孔特征存在類似本文所述的差異。

（2）人工林柚木的生長輪寬度約2.6 mm，天然林柚木的生長輪寬度約1.7 mm，前者約為后者的1.5倍，該現象一方面可能與人工林柚木所用樹種生長速度快有關，另一方面與制材所用部分可能多為生長速度較快的幼齡材部分有關。

（3）人工林柚木的氣味較天然林柚木淡，可適用于喜愛柚木外觀但無法接受其特有氣味的人群。

（4）柚木的縱切面晚材部分常有一類黑色線狀特征（俗稱“黑筋”）。由于人工林柚木生長輪寬度大，單位面積內年輪數量少，人工林柚木的“黑筋”也因此相對較少;但人工林柚木顏色淺，反而致使其“黑筋”特征更明顯。

（5）人工林柚木的觸感堅硬，天然林柚木的觸感柔和。

2.2 化學組分含量

木材的化學組分是木材材性的一個重要方面，該特性與木材物理性能、耐候性、顏色以及加工利用途徑等方面關系密切，是木材資源合理利用的重點[15]。兩類柚木心材的主要化學組分含量檢測結果見表5 。兩者含水率、纖維素含量以及酸不溶木質素含量的差值較小，均不超過0.50%，但是兩類柚木的半纖維素含量存在一定差距，人工林柚木與天然林柚木的半纖維素含量分別為23.10%與20.94%，二者差值為2.16%。半纖維素是一類含有大量羥基的高分支度低聚糖，易吸附水分，并對木材尺寸穩定性造成影響[16]。有研究表明天然林柚木具有較高尺寸穩定性的原因即在于其含有較少的易水解半纖維素[17]，而人工林柚木較高的半纖維素含量可能導致其尺寸穩定性下降。

2.3 物理力學性能

木材用途與其自身物理力學性能有關，天然林柚木適用于制造各類文具以及高檔家具[18]。表6—表8分別示出了人工林柚木與天然林柚木的干縮性、濕脹性、密度、抗彎強度以及抗彎彈性模量5個指標測定的結果。本文利用獨立樣本t檢驗方法對2種柚木的物理性能差異程度進行計算（SPSS 22），結果見表9—表11。由表9—表11可以看出，兩者的干縮/濕脹性、抗彎強度以及抗彎彈性模量等指標的方差在非齊性情況下，均值存在顯著差異;密度指標的方差呈齊性，其均值同樣存在顯著差異。因此可知，2種柚木的物理性能存在顯著差異。

2.3.1 干縮濕脹性

木材自身結構造成的干縮濕脹性對木材的加工利用有較大影響。

氣干濕脹率表示飽水木材在恒溫恒濕環境中干燥至平衡含水率后的尺寸變化率，而木材干燥多要求將木材的含水率從纖維飽和點以上降低至稍低于該木材的平衡含水率，兩者較為相似，因此氣干干縮率對于木材干燥具有較高的參考意義[19]。表6為人工林柚木與天然林柚木徑、弦向的氣干干縮（濕脹）率對比情況，由于軸向尺寸變化較小，對生產無較大影響，因此軸向干縮（濕脹）率在此處不被列出。由表6可知，兩者弦向氣干干縮率差異較大，人工林柚木弦向氣干干縮率均值為2.42%，天然林柚木僅1.01%，前者為后者的2倍多;兩者徑向氣干濕脹率差異較小，前者為1.61%，后者為1.28%，前者約為后者的1.26倍。因此人工林柚木在干燥過程中將會相對天然林柚木產生更大的收縮，需要保留更多的干縮余量。

差異干縮是弦向干縮率與徑向干縮率之比，可用于評價木材的易變形程度。差異干縮用D表示，共分為3個等級：小，D<1.5;中，1.5≤D≤2;大，2

圖3為2類柚木與香二翅豆、番龍眼、櫟木等3種常見的家具地板用材的氣干干縮率的對比情況[21]。由圖3可發現2類柚木的徑向氣干干縮率與弦向氣干干縮率均低于其他3種木材，說明2類柚木相對其他3種木材干縮過程中變形量小。

氣干濕脹率表示絕干木材在恒溫恒濕環境中吸濕至平衡含水率后的尺寸變化率，可用于分析木材在使用中吸濕變化情況。圖4為平衡含水率為12%的條件下，2類柚木和香二翅豆、番龍眼、櫟木這3種常見的地板用材的氣干濕脹率。由圖4可得，天然林柚木徑向氣干濕脹率為1.28%，弦向氣干濕脹率為2.06%，與香二翅豆等其他3種材種接近;人工林柚木的徑向氣干濕脹率為1.61%，弦向氣干濕脹率為3.21%，較其他3種材種高。因此，利用人工林柚木制造家具、地板時，應保留足量的伸縮縫，以防止由木材濕脹造成的家具攢邊“炸開”、柜門開關困難以及地板起拱等現象[22-23]。

由上述分析可知，2類柚木干縮濕脹率差異程度與2.2部分半纖維素含量分析結果相符，表明人工林柚木半纖維素含量較高可能導致其尺寸穩定性下降。因此，在開發利用人工林柚木時可考慮增設熱處理工藝，通過高溫分解其半纖維素組分，以降低其吸水性，提高其尺寸穩定性。

2.3.2 密度

木材強度與其內部胞壁物質數量、構造及胞腔內抽提物含量有關。其中，木材單位體積內胞壁物質數量宏觀上可由木材密度表示，木材密度與木材抗彎強度、抗彎彈性模量及硬度等多個物理性能指標呈顯著正相關[24]。由表7人工林柚木與天然林柚木的密度指標測定結果可知，前者氣干密度為0.610 g/cm3，后者氣干密度為0.707 g/cm3，人工林柚木氣干密度約為天然林的86.28%，因此各項力學性能可能較天然林柚木略低，但其加工難度也會相應降低。由木材宏觀結構特征發現人工林柚木年輪寬度相對天然林柚木較大，同時木材氣干密度與生長輪寬度間存在負相關關系[25]，這從另一方面印證了兩者密度的大小關系。

2.3.3 抗彎強度及抗彎彈性模量

椅凳類、桌案類以及柜架類等家具，其受載部件常需要經受較大彎曲應力，同樣木質地板使用時也需承受一定的彎曲應力，因此彎曲載荷是木質家具的一個重要指標[26]。木材抗彎強度與抗彎彈性模量按前10%、25%、50%和70%可分為表12 中的5個等級[27]。由表8人工林柚木與天然林柚木的抗彎強度及抗彎彈性模量指標測定結果可知，人工林柚木的抗彎強度為73.2 MPa，抗彎彈性模量為9 030 MPa，達到等級中的合格水平;天然林柚木的抗彎強度為100.0 MPa，抗彎彈性模量為12 360 MPa，達到良好水平。因此，人工林柚木用于床板、擱板以及地板等受到靜曲載荷的家具部件時，應合理設置板材橫截面面積以保證其抗彎性能。

2.4 產品對比

實木地暖地板使用環境溫濕度條件變化大，對木材耐濕/熱尺寸穩定性要求較嚴格，在衡量木材材性是否優異方面，具有一定的代表性。因此，本實驗組利用2類柚木經過相同工藝（除是否設置熱處理工序外）分別加工了對應的實木地暖地板產品。由于前文分析發現人工林柚木尺寸穩定性較天然林柚木低，且考慮到熱處理可提升木材的尺寸穩定性[28]，因此對部分人工林柚木進行了熱處理。而在工業生產中，由于天然林柚木尺寸穩定性較高，因此用于地暖地板時一般無須熱處理。

2.4.1 外觀效果對比

圖5為人工林柚木與天然林柚木經相同加工、涂飾工藝所制得的地板樣品。除人工林柚木地板的“黑筋”數量少、顏色淺外，兩者外觀較相似，均具有市場上認可的特有“柚木色”。因此，人工林柚木可通過一定的涂飾工藝，實現其外觀與天然林柚木地板高度相似。

2.4.2 產品尺寸穩定性對比

表13為幾種地板產品尺寸穩定性的對比情況。由表13可知，人工林柚木地板（未熱處理）、人工林柚木地板（熱處理）及天然林柚木地板均滿足標準要求，表明上述3類產品均具有較好的尺寸穩定性;另外可以看出，人工林柚木經低溫熱處理后，尺寸穩定性得到改善，寬度方向干縮率與濕脹率下降明顯，前者由0.52%下降至0.18%，后者由0.23%下降至0.08%，數值均已低于天然林柚木地板（0.39%、0.16%）。

3 結論

對人工林柚木和天然林柚木分別進行了材性檢測，分析了兩者物理力學性能及化學組分方面的差異程度，并對以兩類柚木為原材料加工制成的實木地暖地板產品的外觀與尺寸穩定性進行了對比，結論如下。

（1） 宏觀結構特征方面，較天然林柚木，人工林柚木早晚材管孔差異小，生長輪寬度小，氣味淡，晚材中的“黑筋”特征明顯。但本部分結論需要通過進一步的研究確定，例如使用樹齡更長的人工林柚木進行制樣，以減少幼齡材對實驗結果影響。

（2） 化學組分方面，人工林柚木的纖維素、木質素含量與天然林柚木無較大差距，但前者半纖維素含量低于后者約2.16%，可能是造成其尺寸穩定性低于天然林柚木的主要原因。

（3） 物理力學性能方面，獨立樣本t檢驗結果顯示，兩類柚木干縮濕脹性、抗彎強度以及抗彎彈性模量、密度均存在顯著差異，天然林柚木各項指標均優于人工林柚木，但人工林柚木仍滿足家具材原材料加工利用要求。人工林柚木的干縮濕脹性與香二翅豆、番龍眼、櫟木等相比，其氣干干縮率低、氣干濕脹率高，加工利用應注意控制其尺寸變化余量。

（4） 兩類柚木經相同工藝加工的實木地暖地板產品，外觀較相似，且人工林柚木的尺寸穩定性，也滿足國家標準要求。

綜上，人工林柚木雖然材性比天然林柚木較差，但外觀與天然林柚木較相似，材性同樣滿足家具、地板用材使用要求，可作為使用緬甸天然林柚木的次選。在后者稀少昂貴的現狀下，人工林柚木具有重要的推廣應用價值。

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