水存處理對刨花楠木材性能的影響

徐永宏，范建忠，余裕龍，陳志清，葉俊成，嚴輝霞，陳濟遠，李文珠

（1. 浙江省建德市壽昌林場，浙江 建德 311600；2. 浙江農林大學 化學與材料工程學院，浙江 杭州 311300）

刨花潤楠Machiluspauhio又稱刨花楠，隸屬樟科Lauraceae 潤楠屬Machilus，在我國主產于福建、浙江、廣東、廣西和湖南等地[1-2]。其木材花紋美觀，材質較輕軟，易干燥，易切削，切面光滑有光澤，內含膠質，浸水后有大量黏液產生，主要適用于造紙、家具和熏香原料等。干材無特殊氣味和味道，生材刨花或干材刨花浸水后有黏液，可用于潤發。民間婦女用其木材刨成薄片浸水產生的黏液做頭發定型水，也可作為造紙及粉刷墻壁用的黏合劑，新鮮濕材不需蒸煮軟化可直接旋切單板用于制作膠合板[3]。我國對進口木材的依存度高達近60%，木材供需矛盾日益加劇，木材資源的開發與利用面臨嚴峻的挑戰，研究、開發和利用優良的國產人工林和速生材具有深遠的現實意義。

國內相關研究主要集中在刨花楠的生長特性、種苗繁育和栽培技術領域，在林業和農業領域刨花楠研究的水平和深度有待提高[4-9]。本文以不同狀態（生材、氣干材和水浸材）的刨花楠木材為研究對象，進行木材物理力學性能和表面視覺物理量測試，對比水存處理對刨花楠木材性能的影響，為探究木材抽提物對木材的性質、加工工藝和木材利用的影響提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用刨花楠木材取自浙江省建德市壽昌林場綠荷塘林區。該林區地處建德市西南部，與淳安千島湖接壤，屬中亞熱帶北緣季風氣候區，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫為16.7 ℃，年平均降水量為1 600 mm。林區有45.33 hm2集中連片的刨花楠、紫楠Phoebesheareri、華東楠Machilusleptophylla、紅楠M.thunbergii天然群落。取樣的刨花楠為2008 年受雪壓后自然倒伏的樹干，樹齡60 年左右，胸徑36 cm。在刨花楠樹干較圓滿通直且無明顯缺陷處取兩段長度各為2.0 m 的木段，將其中一木段置于干燥通風處經大氣自然干燥，另一木段浸沒于水塘中進行水存處理，五年后取出再經大氣自然干燥，2022 年，取不同保存狀態下的刨花楠樹種木材樣品，參照GB/T 1927.2—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第2 部分取樣方法和一般要求[10]，進行木材物理力學試材鋸解及試樣截取，用于木材物理力學性能和表面視覺物理量測試樣品制備。

1.2 試驗方法

1.2.1 木材的密度測試 木材的密度及干縮特性是決定木材品質的重要參數，對木材及木制品的尺寸和結構穩定性與安全性具有重要影響[11]。

參照GB/T 1927.5—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第5 部分密度測定[12]，進行木材密度測試。取具備三個標準切面尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 的試樣。取試樣進行稱量（m1），同時在試樣各相對面的中心位置，分別測出弦向、徑向和縱向尺寸（Lw），計算得氣干體積（V1）；將試樣放入烘箱內，按GB/T 1927.4—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第4 部分含水率測定[13]的規定，將試樣烘至全干，冷卻后稱量（m0），在試樣各相對面的中心位置分別測量弦向、徑向和縱向尺寸（L0），計算得絕干體積（V0）；再將試樣沒入水中浸泡至尺寸不變狀態時測量弦向、徑向和縱向尺寸（Lmax），計算得到生材體積（V2）（飽水體積）。

氣干密度計算公式：

全干密度計算公式：

基本密度計算公式：

1.2.2 木材干縮性與濕脹性測定 參照GB/T 1927.6—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第6 部分干縮率測定[14]，測量木材在氣干狀態和全干狀態下的徑向、弦向和縱向尺寸，根據公式分別計算木材全干時的線性干縮率（包括徑向和弦向）及體積干縮率，比對氣干材和水存材的線性干縮性及體積干縮性。分別測出氣干試樣的徑向、弦向和縱向尺寸（Lw），再將試樣放入烘箱中，設定（103±2）℃條件下烘至全干，測出各試樣全干時的徑向、弦向和縱向尺寸（L0）。徑向、弦向的線性干縮率(βw)的計算公式為：

體積干縮率（βvw）的計算公式為：

參照GB/T 1927.8—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第8 部分濕脹率測定[15]，測量木材在全干狀態和氣干狀態下的徑向、弦向和縱向尺寸，根據公式分別計算木材全干到氣干時的線性濕脹率（包括徑向和弦向）及體積濕脹率。將試樣放入烘箱內，設定（103±2）℃條件下烘至全干，冷卻后在試樣各相對面的中心位置分別測出徑向、弦向和縱向尺寸（L0），再將試樣放置于溫度（20±2）℃、相對濕度（65±3）%條件下吸濕至尺寸穩定，測定試樣的徑向、弦向和縱向尺寸（Lw）。測定木材濕脹率，試樣從全干到吸水至尺寸穩定時，徑向和弦向的線性濕脹率(αw)計算公式為：

體積濕脹率(αvw)計算公式為：

1.2.3 木材的硬度測試 木材硬度根據受力方向不同又分為弦面、徑面和端面硬度，通常端面比側面高，側面中弦面和徑面的硬度相近。為了對比不同保存狀態下刨花楠木材的硬度，本次試驗只進行弦面硬度的測試。參照GB/T 1927.19—2021 無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法第19 部分硬度測定[16]，試樣尺寸為70 mm×50 mm×50 mm，以（3 ～ 6）mm·min-1的均勻速度將半球形鋼壓頭壓入試樣的試驗面，直至壓入5.64 mm 深為止，荷載讀數（P）精確至10 N，硬度（H）計算公式為：

1.2.4 木材材色測試 根據物理測色法原理，采用色差計測定試樣的反射光譜，在每個樣品表面分別測試6 個點平均三刺激值X、Y、Z，再通過計算機進行計算得到明度指數L*、（紅綠軸）色度指數a*、（黃藍軸）色度指數b*的色度學參數[17-19]。

2 結果與分析

2.1 木材密度比對

木材中水分含量與木材密度有密切關系，在不同的水分狀態下木材密度有氣干密度、全干密度和基本密度等。氣干密度是木材氣干質量與體積的比值，在實際生產中常作為評估木材質量的依據。基本密度是當木材體積最大時木材實際質量的大小，常用于不同樹種的材性比較。絕干密度是木材絕干時的質量與體積的比值，在實際生產中使用較少，但可為研究木材中的孔隙比例提供參考。本研究中刨花楠氣干材與水存材的密度測試結果如表1。

表1 刨花楠氣干材與水存材的密度測試結果Tab. 1 Density of air-dried and water immersed timber of M. pauhoi

從表1 可知，刨花楠木材經水存處理后密度有明顯增大，氣干密度由0.455 g·cm-3增大到0.585 g·cm-3，全干密度由0.372 g·cm-3增大到0.534 g·cm-3，基本密度由0.333 g·cm-3增大到0.467 g·cm-3。木材主要由細胞壁和孔隙構成，木材密度是單位體積內木材細胞壁物質的數量，木材細胞壁物質是決定木材強度和剛度的物質基礎，木材密度增大表明木材中單位體積內孔隙比例減小，木材細胞壁物質增多，木材結構更致密，木材強度和剛度增高。木材密度與力學性質有密切關系，在實際生產中也可以根據木材密度估計其力學性質，預測比較林木的材質。

2.2 木材干縮性和濕脹性比對

木材具有干縮性和濕脹性，是木材在失水或吸濕時，隨著木材內所含水分的變化導致木材尺寸和體積發生變化。木材吸濕時水分子進入細胞壁內與基本纖絲分子鏈上的游離羥基結合，使分子鏈之間的距離增大，最終使木材的尺寸變大；木材干縮時相鄰分子鏈上的氫鍵斷裂，脫離水分子，使分子鍵之間的距離縮小，最終使木材的尺寸變小。刨花楠氣干材與水存材的干縮性和濕脹性測試結果如表2。

表2 刨花楠氣干材與水存材的干縮性和濕脹性測試結果Tab. 2 Shrinkage and swelling of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

由表2 可知，刨花楠木材的干縮率和濕脹率在不同方向有明顯的差異，通常木材的徑向干縮率為3% ～ 6%，弦向干縮率為6% ～ 12%，而縱向干縮率很小常可忽略不計。刨花楠氣干材的徑向和弦向干縮率分別為3.4%和8.0%，水存材的徑向和弦向干縮率分別為4.6%和7.0%，徑向干縮率略有上升，弦向干縮率則略有下降，體積干縮率變化不明顯，說明水存處理對刨花楠木材的干縮性影響不大。刨花楠氣干材的徑向和弦向濕脹率分別為3.1%和7.5%，水存材的徑向和弦向干縮率分別為3.4%和3.5%，經水存處理后刨花楠木材的弦向和體積濕脹率明顯下降，徑向和弦向的濕脹率相近，木材的尺寸穩定性明顯提升。刨花楠氣干材的干縮和濕脹基本是可逆的，而水存材則不完全可逆。

2.3 木材硬度比對

木材硬度是指木材抵抗其他剛體壓入木材的能力，屬木材的工藝性質，與木材加工利用關系密切，可作為選擇建筑、家具、地板和模型等用材的依據。刨花楠氣干材與水存材的端面硬度測試結果如表3。由表3 可知，刨花楠木材經水存處理后硬度明顯增大。木材硬度與密度之間有密切的關系，木材密度對硬度的影響極大，木材密度越大，其硬度越大，這與前文中刨花楠木材經水存處理后密度有明顯增大結果相符。木材硬度也是衡量木材強度和剛性的有效指標，木材硬度又與木材種類、構造和處理方法等有關，在實際應用中可根據具體需求進行合理選擇。

表3 刨花楠氣干材與水存材的硬度測試結果Tab. 3 Hardness of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

2.4 木材材色分析

木材材色是木材表面視覺特征的重要物理量，人們習慣于用明度、色調和色飽和度來描述，采用色度學方法對木材材色進行定量測量。刨花楠氣干材和水存材木材表面材色測量結果如表4。由表4 可知，在XYZ 色空間中水存材的三刺激值均比氣干材的低，說明經水存處理后色調、明度和色飽和度都有所降低，材色由淺變深。

表4 刨花楠氣干材與水存材的色度參數測量值Tab. 4 Chroma of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

為了直觀地考察材色在三維色空間的分布特征，將上述材色測量值以三維立體散布圖的方式示于圖1。在圖1 中，立體圖表示木材材色測量值在L*a*b*三維色空間的位置，b*值大于a*值，說明黃色成分高于紅色成分，木材材色偏于黃色。經水存處理后刨花楠木材的L*值和a*值略有減小，b*值增大，材色由淺變深，并向偏黃方向變化，這與目視觀察的結果相吻合。

圖1 木材材色測量值在L*a*b*色空間的分布Fig. 1 Distribution of wood chroma values by L*a*b*

為進一步探討木材材色的變異性，對上述材色參數測量值進行雙因素方差分析。方差分析的A 因子為測量點因素（4 個水平），B 因子為經不同保存狀態的木材因素（2 個水平），分析結果如表5。從表5 分析結果可知，不同的測量點間的差異不顯著，不同保存狀態即氣干材和水存材之間的差異顯著（P＜0.05），不同的保存處理使木材表面視覺特征發生變化，顯著影響木材材色參數測量結果。

表5 材色參數雙因素方差分析結果表Tab. 5 Two-way ANOVA on chroma

3 結論與討論

經過水存處理后刨花楠木材的密度和硬度明顯增大，木材密度增大表明木材中單位體積內孔隙比例減小，木材細胞壁物質增多，木材結構更致密。

木材抽提物一般含有單寧、樹膠、色素、生物堿、可溶性礦物成分、單糖和淀粉等多種化合物[20]，沉積在細胞組織或填充在細胞腔中，對木材密度、材性、加工及利用有影響。木材經水存處理后密度增大，可能是刨花楠中的抽提物與水發生反應形成膠質物附著在木材細胞壁上增加重質量，同時起到膠結作用。

水存處理對刨花楠木材的干縮性影響不大，濕脹率變化明顯。經水存處理后刨花楠木材的弦向和體積濕脹率明顯下降，徑向和弦向的濕脹率相近，木材的尺寸穩定性明顯提升。刨花楠氣干材的干縮和濕脹基本是可逆的，而水存材則不完全可逆。

經水存處理后的刨花楠木材，在XYZ 色度空間內色調、明度和色飽和度都有所降低，在L*a*b*色度空間內L*值和a*略有減小，且a*范圍變小，b*增大，材色由淺變深，并向偏黃方向變化。