解剖构造对人工林樟子松单板染色效果的影响1)

管雪梅 郭明辉

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

木材染色作为木材改性利用的重要方法已被人们广泛使用。木材是一种特殊的高分子材料，作为染色基材，其构造和材性的变化，对木材染色效果具有一定的影响，即木材染色效果和木材解剖因子等有一定的相关关系。然而，长期以来，人们对于木材染色的工艺研究较多，而对于木材本身的性质，特别是解剖特性对其染色效果的影响研究较少［1－3］，这在某种程度上制约了木材染色的发展。本研究以人工林樟子松单板为研究对象，测定其解剖性质和染色效果，对樟子松的解剖特性进行多元回归分析，建立相关模型，定量地阐释二者的相关关系和变化规律，寻找影响木材染色效果的主要木材解剖因子，为制定合理的配色方案提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试材:樟子松(Pinus sylvestnis var.mongolica Litv.)采自东北林业大学帽儿山实验林场，都为20世纪60年代种植的人工林。选取3株不同生长环境的样本，对每株样本均从胸高处(1.3 m)横向截取5.0 cm厚圆盘，标明记号，带回实验室气干处理，作为木材解剖构造特征测定和木材染色的试材。在完全气干的樟子松试材上，锯取3.0 cm宽的中心板，从髓心到树皮半径长的样条上，分早晚材截取裁剪，用砂纸光洁表面，分别作为木材解剖和木材染色试件。共获得樟子松解剖和染色试件3组各25块，分批次编号。所有指标均取3组试件测量的平均值。

化学药剂:活性艳红 X－3B(Reactive Brilliant Red X－3B)、渗透剂 JFC、均染剂、促染剂食盐 NaCl、固色剂纯碱Na2CO3、蒸馏水等。

1.2 方法

1.2.1 木材解剖构造特征的测定

采用常规方法制作木材解剖切片，利用木材图像处理分析仪对横切面木材解剖构造特征进行测定，对樟子松指标分早晚材分别标定。主要测量了胞壁率、导管形态、纤维形态、组织比量等木材解剖构造特征。

1.2.2 木材染色方法与试验步骤

木材染色为便于对照和分析，采用一种染料在相同染色条件下进行染色，最后评价解剖因子与木材染色效果的相关性。参考前人研究成果［4］，将试材用砂纸进行表面清洁，按照以下质量比例均匀混合染色溶液:m(染料)∶m(渗透剂)∶m(食盐)∶m(蒸馏水)=1∶0.1∶1∶100，倒入用于染色处理的大烧杯中(浴比为10∶1)。将试样装入不锈钢试样笼，确保试样之间留有空隙;然后将试样笼浸入到盛有染色液的大烧杯中;将烧杯放入恒温水浴锅中加热，室温入染;加热过程中，对染液不断进行搅拌，使其充分流动;当达到染色温度(75℃)后开始计时，在还有10 min达到染色时间时，加入和上面相同质量的食盐(NaCl);当达到染色时间时(60 min)，加入纯碱进行恒温固色处理;固色时间达到30 min之后，关闭水浴锅，取出烧杯。将染色单板取出用蒸馏水反复清洗至清洗液无色为止，然后晾干保存，等待颜色测定。

1.2.3 木材材色的测试

使用NF333型全自动分光光度计测定染色前(素材)、染色后试件的明度(L*)，红绿轴色品指数(a*)和黄蓝轴色品指数(b*)。每块试件均取3个有代表性的点进行测量，分别为靠近纵向、靠近横向，以及靠近中心。取3点的平均值用于计算和分析单板染色前后色度学指标的变化量，利用公式(1)计算色差ΔE*。

式中:ΔL*、Δa*、Δb*分别为光照前后 L*、a*、b*的差值。

1.2.4 解剖因子与染色效果相关性的分析方法

采用多元回归方法分析各个木材解剖因子对木材染色效果的影响和贡献，从而确定影响木材染色效果的主要解剖因子［5］。有关分析计算均采用数理统计软件SPSS进行处理。

2 结果与分析

2.1 樟子松的解剖特征

樟子松木材解剖特征结果见表1和图1。可见，早材管胞比晚材管胞短，早材管胞弦向直径为42.34 μm，比晚材的 17.45 μm 大 2 倍多;早材管胞壁厚为 8.232 μm，比晚材 11.04 μm 小;早材的胞壁率和壁腔比均小于晚材，这表明樟子松早材管胞腔大壁薄，而晚材管胞腔小壁厚。

樟子松木材主要由管胞、树脂道和木射线组成。其组织比量结果从表1可见，樟子松木材木射线比量为10.26%，管胞比量高达89.22%。这表明樟子松木材主要由管胞组成。

表1 樟子松木材解剖构造数据

2.2 染色前后樟子松色度学特征变化

樟子松木材染色前后色度学特征变化结果如表2所示。可以看到早晚材明度值L*都很高，黄蓝轴色品指数b*较高，红绿轴色品指数a*很低，各色度学指标早晚材之间相比差别较大;染色后早晚材的明度值L*都大幅度下降，早材降低幅度在－50.61～－60.42，平均值达－54.47;晚材降低的较早材要少，平均值为－49.17。红绿轴色品指数a*都显著升高，但早晚材红绿轴色数差Δa*变化幅度相差不大，早晚材的平均值分别为29.96和26.84。早晚材黄蓝轴色品指数b*降幅都不大，但相比而言，晚材的黄蓝轴色品指数差Δb*比早材下降得要大，早晚材的平均值分别为－9.172和－13.22。早晚材色差ΔE*变化范围分别为58.16 ～69.28 和52.78 ～63.74，平均值都超过55，表明早晚材染色前后木材材色都发生了明显变化。

表2 樟子松木材染色前后色度学特征变化结果

考查樟子松染色前后L*－a*－b*三维散点图和二维散点图(图1)可以更清楚地看出，染色前后颜色群体极为明显。在L*a*b*三维立体投影图中，未染色材样点位于图的左上角，而染色材样点位于图的右下角，表明染色后主要呈现的是活性艳红X－3B染料的颜色。而L*－a*、L*－b*、b*－a*二维散点图显示，未染色材样点比较集中于一个狭长区域，而染色材样点比较分散，表明早晚材色度学指标有区别，而不同试件的染色效果有差异。

2.3 樟子松解剖因子间的相关分析

2.3.1 木材解剖构造与木材染色效果的指标

以樟子松解剖构造的指标为自变量，早晚材管胞及组织比量等特征值共13个指标;以染色前后木材材色变化特征值为因变量，分早晚材来分析，共有ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*8 个指标。为做回归方程，将木材解剖构造和染色效果指标做以下规定，含义如表3所示。

图1 樟子松木材染色前后色度学特征变化图

表3 木材解剖因子和染色效果指标符号与含义对照

2.3.2 樟子松解剖因子间的相关性分析

樟子松解剖构造指标之间的简单相关系数如表4所示。可见，樟子松木材解剖构造13个指标间均有一定的相关性，其中早材管胞长度(x1)和晚材管胞长度(x6)、早材管胞弦向直径(x2)和晚材管胞长度(x6)、早材管胞弦向壁厚(x3)和早材胞壁率(x4)、晚材管胞弦向壁厚(x8)和晚材壁腔比(x10)、管胞比量(x11)和木射线比量(x12)之间的相关系数都很高，分别为0.911、0.671、0.695、0.714和－0.987，绝对值均超过了 0.65，表明这些因子之间相关性很高。

解剖构造指标之间的相关性分析表明，解剖构造指标间有一定的相关性，并且有部分指标之间高度相关。由于这些指标间还存在着由数学计算引起的相关性，根据相关分析结果，对樟子松可以剔除早材管胞长度(x1)、早材管胞弦向直径(x2)、早材管胞弦向壁厚(x3)、晚材壁腔比(x10)4个指标。

2.4 樟子松解剖因子与染色效果的多元回归分析

2.4.1 解剖因子与染色效果的多对多线性回归分析

以樟子松木材解剖因子的9个指标作为自变量，以木材染色效果即樟子松染色前后色度学变化特征值的8个指标作为因变量进行多对多线性回归分析。结果从表5可见，樟子松木材解剖因子的9个指标和染色效果指标之间均有较高程度的相关，其复相关系数为0.573 ～0.786。

2.4.2 解剖因子对染色效果的贡献分析

樟子松解剖因子很多，为确定木材解剖因子对木材染色效果的贡献，也就是寻找影响樟子松木材染色效果的主要因子。在此对樟子松木材解剖因子与其染色效果多对多回归系数进行标准化［6］，如表6所示。可见，对早材明度差(ΔL*)贡献较大的解剖因子为木射线比量x12(1.856)和管胞比量x11(1.68);对早材红绿轴色品指数差(Δa*)贡献较大的为木射线比量x12(1.948)、管胞比量 x11(1.513)和树脂道比量x13(0.56);对早材黄蓝轴色品指数差(Δb*)贡献较大的为木射线比量 x12(－1.031)、管胞比量 x11(－0.801)和树脂道比量 x13(－0.42);对早材色差(ΔE*)贡献较大的为早材胞壁率x4(－0.349)、早材壁腔比 x5(0.274)和树脂道比量 x13(0.248)。对晚材明度差(ΔL*)贡献较大的解剖因子为木射线比量x12(1.038)、晚材管胞长度x6(0.659)和管胞比量x11(0.473);对晚材红绿轴色品指数差(Δa*)贡献较大的为木射线比量x12(1.677)、管胞比量 x11(1.382)和晚材管胞长度 x6(－0.776);对晚材黄蓝轴色品指数差(Δb*)贡献较大的为管胞比量x11(0.715)、木射线比量 x12(0.323)和晚材管胞壁厚x18(0.346);对晚材色差(ΔE*)贡献较大的为晚材管胞长度 x6(－0.867)、管胞比量 x11(0.444)和树脂道比量 x13(0.405)。

表4 人工林樟子松木材解剖构造指标间相关系数

表5 樟子松染色前后色度学变化参数与解剖因子的多对多回归结果

表6 樟子松木材染色前后色度学变化参数与解剖因子的多元回归标准回归系数的比较

3 结论

对樟子松解剖因子与染色效果之间的多元回归分析表明，樟子松的染色效果与木材解剖因子之间存在较高程度的相关性。樟子松木材解剖因子与其各个染色效果指标间的复相关系数在0.573～0.786。采用比较多元回归分析的标准回归系数的方法，确定了影响樟子松木材染色效果的主要解剖因子为管胞比量、木射线比量、树脂道比量和晚材管胞长度等因子。

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