任豆木材材性分析及综合开发利用概述

陈桂丹，梁瑞龙，黄腾华

(广西壮族自治区林业科学研究院， 南宁 530002)

任豆木材材性分析及综合开发利用概述

陈桂丹，梁瑞龙，黄腾华

(广西壮族自治区林业科学研究院， 南宁 530002)

本文通过对任豆木材的基本材性及其材质优缺点进行分析，探讨任豆木材的改性处理方式，并提出综合开发利用的方法。

任豆；材性；改性；开发利用

任豆(Zenia insignis)又名翅荚木、任木、砍头树，苏木科任豆属速生落叶大乔木，国家Ⅱ级保护野生植物。任豆对环境有较强的适应能力，萌芽能力强，根性深，侧根粗状发达，穿透力强，可在石缝中生长，是石漠化治理主要造林树种，在我国南方石山地区得以大面积种植，主要分布于我国中亚热带至北热带之间的广西、广东、湖南、云南、贵州等地[1]。

任豆在石灰岩地区种植，可以涵养水源，保持水土，调节气候，改善生态环境，具有良好的生态价值[2]。任豆生长迅速，造林容易，种植约15 a就可砍伐，且树形高大通直，其木材是极具经济价值和开发潜力的短周期工业用材。目前发现最大任豆树是在靖西县合山乡三鲁村石山，树龄约270 a，树高49.5 m，胸径1.9 m[3]。当前任豆木材综合利用率不高，不少地区仅把其作为薪材使用，不能充分发挥其经济价值，造成资源的极大浪费。为合理开发利用任豆这一南方珍贵速生树种木材，本文通过对任豆木材主要材性进行分析，并参考相关研究，提出对其进行开发利用的方法和途径，以期为该树种木材的综合利用提供参考。

1 任豆木材主要材性

1.1 基本构造特征

宏观构造特征：心边材区别略明显，心材淡红色，边材浅黄褐色。生长年轮明显至略明显，宽度不均匀。散孔材，管孔在肉眼下可见，分布均匀。轴向薄壁组织丰富，在肉眼下明显，呈傍管带状。木射线稀少，极细至略细。在肉眼下径切面上射线斑纹略明显；波痕及胞间道未见。无特殊气味和滋味。纹理直，结构粗。

微观构造特征：单管孔，少数2～3个径列复管孔，部分管孔内含树胶。管间纹孔式互列，单穿孔。轴向薄壁组织环管带状、翼状、聚翼状及环管状，薄壁组织带宽2～6细胞。木射线叠生，单列或对列射线较少，多列射线宽2细胞，高4～12细胞。射线组织异Ⅲ型，少数异Ⅱ型。射线细胞内含树胶。

1.2 纤维形态特征

余光等[4]对福建省南靖县紫胶站引种的10 a生任豆木材进行了测定，任豆木材纤维形态具有明显的阔叶材特征，纤维平均长度为1.01 mm，纤维宽度为23.1 μm，长宽比43.7，和白桦(Betula platyphylla)、大叶桉(Eucalyptus robusta)等造纸原料相关指标相当。侯伦灯等[5]对福建省永安市东坡林场的任豆木材进行了分析，导管平均弦径184 μm；纤维长度0.91～1.49 mm；纤维宽度15.0～18.0 μm；长宽比50.6～99.3。柳新红等[3]对湖南5 a生任豆木材的纤维形态特征与同树龄桉树进行比较，5 a生任豆木材纤维长度、宽度分别为1.01 mm、19.6μm，纤维长宽比为52，纤维长度和宽度均大于赤桉(E.camaldulensis)、尾叶桉(E.urophylla)等多种桉树。根据国际木材解剖学会对阔叶树材纤维长度的评等规定，任豆木材纤维长度属中等(900 ～1 600 μm)，长宽比也大于40，因此是理想的纤维材料。

1.3 主要物理力学性能

侯伦灯等[5]对任豆木材物理特性进行了测定，绝对含水率为19.4%，全干密度为0.335 g·cm-3，气干密度为0.378 g·cm-3，基本密度为0.314 g·cm-3，6 h的吸水率为45.6%，24 h的吸水率为178.5%。余光等[4]对任豆木材硬度进行了测定，端面硬度49.0 MPa，弦面硬度32.4 MPa，径面硬度为38.0 MP，硬度偏小，但比白桦(Betula platyphylla)和杨树(Populus spp.)硬度略高。

1.4 主要化学组分

余光等[4]对10年生任豆木材化学组分进行了测定，纤维素含量50.11%，属于高含量的范畴；木素含量22.01%，属中等水平。该两项指标与白桦、大叶桉指标接近。侯伦灯等[5]的测定结果为：纤维素48.72%，戊聚糖25.65%，木质素20.35%，1%NaOH抽出物14.34%，热水抽出物3.8%，有机溶剂抽出物2.42%，灰分0.48%。

1.5 燃烧性能

任豆木材燃烧性能好，烟少火旺，燃烧值达17 614 KJ·kg-1，与木荷(Populus spp.)燃烧值(17 686 KJ·kg-1)相当，略高于桑树(Morus alba)燃烧值(16 720 KJ·kg-1)[3]。

2 任豆材质特点

2.1 材质优点

任豆木材材质优点，表现在：(1)实木质感好，心材颜色浅红，花纹美观，色泽高贵淡雅，装饰性能较好，可用于仿制高档红木家具；(2)木质均匀，木材收缩率低，制品尺寸稳定；(3)加工性能良好，切削容易，切面光滑，胶合性好；(4)着色容易，易与其他木材色调相搭配，油漆涂饰性能良好。

2.2 材质缺点

任豆木材材质缺点，表现为：(1)密度低，硬度小，材质轻软，不宜直接用作承重材；(2)生材含水率高，新砍伐木材易出现开裂现象；(3)材质疏松，耐久性差，采伐后如果不及时进行处理，易发生变色、发霉和腐朽等缺陷。

3 任豆木材处理及改性方法

3.1 干燥处理

为避免任豆木材产生变色、发霉、腐朽等缺陷，需对所锯制的板材及时进行干燥处理。李本贵等[6]通过百度试验法研究了任豆木材的干燥特性，试样尺寸为20 cm×10 cm×2 cm，四面刨光，试验得出任豆木材干燥性能良好，初期干裂和内裂级别分别为1级，截面变形为2级，扭曲值3级，干燥速度4级，通过试验得到了合理的干燥基准：(1)干燥初期温度为70℃；(2)干燥初期的干湿球温度差为4℃；③干燥末期温度为90℃。在实际生产中，可参考上述基准进行窑干试验并作适当调整，并运用到大规模工业生产中。

3.2 强化处理

木材的强化处理是指应用物理或化学方法，提高木材密度，使木材强度、硬度得到增加。任豆木材材质轻软，强度较低，通过进行强化处理可增强材性、提升档次，对扩大其使用范围具有重要意义。国内关于这方面研究最多的是浸渍处理和压缩处理[7]。利用已开发的处理技术，并结合国内外现有对其它材质相似树种的研究经验，开展针对性的研究将会取得巨大收获。

3.2.1 浸渍处理 木材浸渍是指将木材浸泡在水溶性低分子量树脂溶液中，树脂通过扩散进入木材细胞壁，而使木材增容，然后经干燥除去水分，最后加热使树脂固化的木材改性技术[8]。傅婷等[9]采用松香和紫胶的甲醇溶液对思茅松(Pinus kesiya)现代木材进行常压浸渍处理，经处理后基本密度、尺寸稳定性均得以显著提高，木材顺纹抗压强度、抗弯强度及抗弯弹性模量都有不同程度的提高。稀土的注入对提高杨树硬度也有良好的增强效果[10]。采用改良的脲醛树脂处理杉木(Cunninghamia lanceolata)间伐材做地板木，处理后的杉木间伐材物理力能提高，符合了地板木尺寸稳定、硬度、耐磨等性能的要求[11]。采用聚乙烯树脂(PP)处理云杉(Picea asperata)木材，硬度增加约30%，耐磨性增大8倍，抗弯强度增加约20%[12]。将旱冬瓜(Alnus nepalensis)、枫香(Liquidambar formosana)、烟苞木、西南桦(Betula alnoides)4种云南常见轻质木材，用改性单体苯乙烯(ST)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)在50℃条件下进行减压浸渍，然后在高频高压电子加速器上按设定的辐射剂量进行辐射处理，经过改性，木材的密度、硬度和压缩强度均可提高50%～100%[13]。参照思茅松、杨树、杉木等树种的浸渍处理方式对任豆木材进行改性，将能有效增强其材性。

3.2.2 压缩处理 木材压缩是指通过热压处理，制成质地坚硬、密度大、强度高的材料的改性技术。木材经压缩密实后，其组织构造、物理力学性质都发生了重大变化，力学强度增强，木材变形将变小，耐磨性、耐久性好，从而有效地改善了木材的性能，提高了木材的利用价值。经压缩处理的软质人工林木材，可以代替普通硬质甚至高档阔叶树材[8]。目前世界上大多采用的是横向压缩技术，在进行木材横向压缩时，壁薄腔大的早材管胞发生变形被压密实，木材密度得到了提高而且应力较小，而晚材管胞几乎不变，早材管胞的变形从表层到中心层几乎一致，基本消除了木材材性的不均匀性[14]。陈玉和等用泡桐(Paulownia fortunei)进行热压实验，结果表明，试材含水率为13.89%，热压温度为190℃，时间为8 min，压缩木的回弹率较小，尺寸稳定性提高，表面密度增强，实验结果较理想[15]。杉木速生材经过热压制成压缩木后，不仅保留了木材本身的结构特性，而且密度增大，物理力学性能得到很大提高[16]。如对任豆木材进行高温压缩处理，其密度、强度及硬度等性能可显著提升。

3.2.3 浸渍+压缩处理 浸渍+压缩处理是浸渍处理和压缩处理两种方式的结合，处理效果更优。沈晓玲等[17]用天然有机物改性剂对杉木进行真空加压浸渍，然后再进行热压，结果表明：处理后试件平均气干密度增加了30%～100%；端面硬度提高了45%～144%；弦面硬度提高了23%～123%；径面硬度提高了21%～225%；顺纹抗压强度提高了45%～134%；抗弯强度提高了35%～59%；抗弯弹性模量提高了35%～186%，处理效果理想。

4 任豆木材综合开发利用

4.1 制作实木家具

近年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，对家具材料的追求更加注重天然化和实木化。目前市场上常见的实木家具多是采用红酸枝(Dalbergia cochinchinensis)、花梨木(Dalbergia odorifera)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、榉木(Zelkova schneideriana)、榆木(Ulmus pumila)等中高档硬木树种为原材料，少部分中低档家具采用杨树、松树、枫香等速生软质木材。速生林木材由于生长速度快，具有材质软、密度小、强度低等缺点，用其制作出来的家具强度不够，易变形，使用寿命短，一般适宜做硬木家具的挡板、抽屉里板等附料，未经改性处理的任豆木材亦可用于该方面。孙德林等[18]在利用速生材设计实木家具结构上也开展了研究，根据速生材的基本特性，结合现代家具的设计与制造技术，研究得出通过嵌入木楔和改变榫孔的形状的方式，诸如采用木模、梯形榫孔、塞角、弹簧垫圈等多种方法来增强结构和家具零部件的连接，该研究进一步扩展了任豆等速生材在实木家具中的应用范围。近些年来，红木资源遭大量砍伐及使用，再加上国际环保组织制定了一系列的限制措施，致使红木资源严重紧缺。由于任豆木材颜色与红木颜色相仿，经过强化处理的任豆木材物理力学性能得到大幅度提升，可用于制作仿红木家具，迎合市场需求，且该原料来源广泛，产品价格会大大低于红木家具，市场前景广阔。

4.2 加工装饰薄木

随着家具和木制品生产中各种木质人造板的应用，需要采用各种贴面作表面装饰处理。装饰薄木是家具制造与室内装修中最常采用的一种木质高级贴面材料。装饰薄木是木材经一定的加工或处理后，再经过刨切或旋切成厚度一般小于0.8 mm的表面装饰材料。装饰薄木按结构可分为天然薄木、集成薄木和人造薄木[19]。天然薄木与集成薄木一般都需要珍贵木材或质量较高的木材，生产上受资源限制较大，因此，出现以普通树种制造高级装饰薄木的人造薄木工艺技术。它是用一般树种的木材单板经染色、层压和模压后制成木方，再经刨切而成。人造薄木可仿制各种珍贵树种的天然花纹，也可制出天然木材没有的花纹图案。任豆来源广泛，生长迅速，径级较大，纹理通直，质地均匀，易于切削，涂饰、胶合性能好，是制作人造薄木的理想树种。任豆木材加工的人造薄木可用作刨花板、中密度纤维板、胶合板等人造板材的贴面材料，也用于家具部件、门窗、楼梯扶手、柱、墙等的饰面和封边，大大提高其经济价值。随着国家禁伐措施和天然林保护政策的实施，可利用的珍贵树种日渐减少，使得人造薄木成为天然装饰材料的替代品，将具有广阔的开发潜力。

4.3 制作单板层积材

单板层积材(LVL)是用旋切的厚单板，经施胶、顺纹组坯、施压胶合而得到的一种结构材料。单板层积材是近年来从胶合板生产工艺中派生出来的一种结构功能人造板材料，其强度高，韧性大，稳定性好，最大程度地再现了木材各项异性的特点，在结构受力时木材的纵向强度可以得到充分利用，从而减少非受力方向木材资源的浪费，提高木材原料的利用率，在板子密度较低情况下仍可获得较大的纵向强度，比实木锯材在强度、韧性方面提高了3倍，且出材率可达60%～70%[20]。速生任豆木材强度低、密度小，利用其生产单板层积材可代替大径级原木锯制的大规格锯材，可实现其高效利用。侯伦灯等[5]开展了任豆阻燃单板层积材的试制试验，阻燃剂使用自行研制的有机树脂类型阻燃剂，试制过程中采用低温浸泡(50～60 ℃温水)软化处理木段，避免旋切厚单板产生背面裂隙，最终所加工出来的单板层积材物理力学和阻燃性能优良，可进行大规模实际生产。任豆木材单板层积材可用做弯曲木家具、高档家具台面的芯材或框架、门窗构架、内部墙壁支柱和门窗框、楼梯等建筑部件。目前，单板层积材在美国、加拿大、日本等国有着较高的利用率，我国目前使用相对较少，但随着优质木材的日益减少，利用速生材生产的单板层积材将会越来越受到重视[21]。

4.4 加工中密度纤维板和刨花板

任豆树生长迅速，砍伐周期短，丰产，出材量高，纤维长度适中，是加工中密度纤维板和刨花板的理想原料，充分利用其枝丫材及林木“三剩”物，可实现资源的综合利用。目前侯伦灯等[13]以任豆木材为加工原料试制阻燃中密度纤维板、刨花板已成功，采用低温蒸煮软化(135～160 ℃)热磨制浆工艺，保证纤维浆质量和制浆得率，并减少任豆木材热解产物和可溶物的含量，同时加强纤维防水性能的处理，使得中密度纤维板的物理力学性能得以稳定和提升；在试制刨花板过程中使木段含水率在保持在40%～60%范围内，所得刨花形态、刨花长度和厚度尺寸比较均匀，刨花表面光滑，质量较好。试验结果表明任豆木材适合用于生产普通或者特种功能中密度纤维板和刨花板的生产，且生产工艺简单、生产成本较低、产品物理力学性能优良，经阻燃处理性能理想，建议人造板生产企业积极推广应用[22]。

4.5 制浆造纸

任豆木材纤维长度中等，长宽比大于40，软硬适中，是优良的造纸原料。福建金清远丰产(造纸)基地有限公司对任豆木材的各种造纸指标进行测试表明，其出浆率比桉树高，该公司在广东阳上已将该树种作为纸浆丰产林的首选造林树种[3]。此外，任豆树生长迅速，据测算5 a生任豆树高12 m，胸径17 cm，平均年轮宽3.4 cm[23]，推广和应用这一树种必将具有广阔的实际应用前景。

4.6 开发生物质固体燃料

任豆树具有良好的萌芽更新能力，萌株生物量大，更新周期短，木材燃烧值高，是理想的生物质固体燃料原料。据统计，在6 a生头木林中，每公顷1 200～1 350株计，4 a为一轮伐期，每伐一次可砍干柴73.5 t[3]。任豆树造林容易，投资少，见效快，是石灰岩地区燃烧能源林的理想树种。

4.7 木屑栽培食用菌

任豆木材中含有丰富的木质素、纤维素等营养物质，并且所含的氮素比一般树种稍高，且无油脂、无芳香，是海鲜菇、香菇、黑木耳、银耳等食用菌栽培的良好的材料。王军峰等[24]采用不同配方对任豆木屑进行袋料香菇栽培试验，结果表明，任豆木屑可以作为香菇栽培基质使用。福建省顺昌县林技中心以任豆木材替代其它树种原料作培养基辅料成功培育出了海鲜菇[25]。

5 展望

任豆树适应性强，易于繁殖，是我国南方短周期工业原料林建设和石山美化绿化的理想树种。任豆木材具有花纹美观、木质均匀、加工性能良好等优点，无论是任豆原木、锯材，还是枝丫材、加工剩余物、次小薪材，甚至是木屑，均有着广阔的开发利用空间，不仅可开发应用于家具、装饰薄木、单板层积材、中密度纤维板、刨花板、生物质固体燃料等产品的加工制造，还可用于制浆造纸，此外木屑可用于栽培食用菌，具有巨大的经济价值。

目前国内对任豆树的种子育苗和引种造林技术已有较多研究，但木材材性方面研究不够全面，改性处理技术研究尚未开展，综合开发利用较少，资源浪费率高。建议加大对任豆木材的研究和开发力度，提升林农及木材加工企业对任豆木材价值的认识，充分合理利用任豆木材资源，实现任豆经济价值最大化的同时缓解我国林木资源供需紧张的矛盾。

[1] 简兴，苗永美．任豆的利用价值与造林技术[J]．中国林副特产，2005(6)：28．

[2] 刘定朗．来宾市珍贵乡土树种任豆发展现状、存在问题及对策[J]．吉林农业，2011(7)：210-211．

[3] 柳新红，何小勇，袁德义．中国翅荚木[M]．北京：中国林业出版社，2009．

[4] 余光，张亚宁．我省引种的任豆木材纤维形态初步研究[J]．福建林业科技，1998，25(1)：31-33．

[5] 侯伦灯，李玉蕾，李平宇，等．任豆树综合利用研究[J]．林业科学，2001，37(3)：139-143．

[6] 李本贵，喻云水，王建峡．百度法制定翅荚木干燥基准[J]．湖南林业科技，2003，30(1)：51-52．

[7] 冯净，刘刚连．轻质木材的应用[J]．木材加工机械，2014，25(2)：57-59．

[8] 雷得定，周军浩，刘波，等．木材改性技术的现状与发展趋势[J]．木材工业，2009，23(1)：37-40．

[9] 傅婷，邱坚，夏炎．天然树脂对轻质木材的加固强化作用[J]．广西林业科学，2014，43(1)：108-111．

[10] 邱玉玲，董岩，姜日顺．稀土改性杨木材质初探[J]．东北林业大学学报，1993，21(1)：85-89．

[11] 陈瑞英，邓邵平，唐兴平，等．福建杉木间伐材改性做地板木[J]．东北林业大学学报，2000，28(4)：44-46．

[12] 林海，王岩，陈忠东，等．人工林改性木材研究及应用前景[J]．林业机械与木工设备，2006，34(6)：11-13．

[13] 唐辉，徐兴伟，马涛，等．几种云南本地木材的密实化改性研究[J]．化学世界，1999，40(8)：420-425．

[14] 王立昌，张双保，常建民．木材压缩处理技术简介[J]．建筑人造板，2001(3)：8-10．

[15] 陈玉和，李强，James H Muehl．泡桐木材压缩硬化研究初报——泡桐压缩木回弹率的影响因素[J]．中南林学院学报，1997，17(1)：46-51．

[16] 魏萍．杉木速生材压缩密化过程水分的研究[D]．福建：福建农林大学，2003．

[17] 沈晓玲，陆旭，孙瑾，等．天然有机物对速生杉木的改性研究[J]．福建林业科技，2005，32(2)：10-12．

[18] 孙德林，姚文亮．基于速生木材特性的实木家具结构设计[J]．林产工业，2014，41(1)：37-38．

[19] 吴智慧．薄木(木皮)装饰贴面技术及其应用[J]．中国木材，2007(2)：11-17．

[20] 吴立农．单板层积材的生产工艺及发展前景[J]．林业机械与木工设备，2000，28(11)：30-32．

[21] 刘杨，冶敏，赵方，等．单板层积材的研究与发展趋势[J]．木材加工机械，2010，21(5)：40-43．

[22] 侯伦灯，李玉蕾，李平宇，等．任豆树材性及阻燃纤维板的研制[J]．林业科技开发，2000，14(2)：30-32．

[23] 蒋忠道．翅荚木——一种新的造纸原料[J]．造纸信息，1997(5)：17．

[24] 王军峰，吕明亮，柳新红，等．翅荚木栽培香菇试验[J]．浙江林业科技，2009，29(4)：83-85．

[25] 林方，蔡晓芝．顺昌：翅荚木木屑试栽培海鲜菇获成功[J]．福建林业，2014(4)：8．

Wood Properties and Comprehensive Development of Zenia insignis

CHEN Gui-dan , LIANG Rui-long , HUANG Teng-hua

(ForestryInstituteofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Nanning,Guangxi530002)

The basic wood properties of Zenia insignis and its advantages as well as shortcomings were analyzed.The methods for wood modification and comprehensive development were discussed.

Zenia insignis; wood properties; modification; development and utilization

2015-03-10 基金项目：广西林业科技项目(桂林科字[2010]6号)

陈桂丹(1986-),女，广西荔浦人，工程师，主要从事木材识别和材性研究。

S781.6

A

1001-2117(2015)05-0071-05