国产人工林柚木材性及木地板应用研究

何啸宇 孔繁旭 王艳伟 邵海龙 包永洁 徐立 叶江 何雪洪

摘 要：為探究国产人工林柚木的材性及其作为地板材、家具材替代珍稀天然林柚木的可能性，本文将国产人工林柚木与传统常用的缅甸天然林柚木进行对比，通过制样分析两者的宏观结构特征差异;按照相应国家标准分析了2种柚木的化学组分（综纤维素、半纤维素、酸不溶木质素3类成分）、物理性能（干缩率、湿胀率、密度、抗弯强度及抗弯弹性模量）差异;采用2种柚木制造相应的实木地暖地板产品，并对比所制产品的外观及稳定性。结果表明：①宏观特征方面，两者较相似，仅在管孔分布、气味以及触感特征上存在一定差异;②化学组分方面，两者主要差异为半纤维素含量，国产人工林柚木与缅甸天然林柚木的半纤维素含量均值分别为20.94%、23.10%，差值为2.16%，其他成分差值均不超过0.50%;③物理力学性能方面，2类柚木有显著差异，缅甸天然林柚木尺寸稳定性与抗弯强度相对国产人工林柚木较优。前者的径向气干干缩率、弦向气干干缩率、径向气干湿胀率、弦向气干湿胀率分别为0.62%、1.01%、1.28%、2.06%，后者分别为0.84%、2.42%、1.61%、3.21%;前者的抗弯强度与抗弯弹性模量分别为100、12 360 MPa，后者分别为73.2、9 030 MPa。但国产人工林柚木性能仍可满足家具、地板等用材使用需要;④对比2类柚木所制实木地暖地板产品，二者外观相近，同时国产人工林柚木地板的长度干缩率、长度湿胀率、宽度干缩率、宽度湿胀率分别可以达到0.04%、0.01%、0.18%、0.08%，均满足国家标准要求。研究表明，国产人工林柚木可用于加工实木地暖地板，并可作为家具、地板用材代替部分天然林柚木。

关键词：柚木;人工林;木材材性;木材物理力学性能;木材化学组分

中图分类号：TS62    文献标识码：A   文章编号：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

基金项目：国家重点研发计划课题（2017YFD0601105-02）

第一作者简介：何啸宇，助理工程师。研究方向为木材科学与工程。E-mail： Hoxiaoyu@163.com

*通信作者：王艳伟，硕士，高级工程师。研究方向为木制品新产品开发。E-mail： butterfly33333@126.com

引文格式：何啸宇，孔繁旭，王艳伟，等. 国产人工林柚木材性及木地板应用研究[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.）强度高、尺寸稳定性优异，可用于乐器、车辆、高级家具、仪器制造以及军工等诸多领域[1]。现存柚木天然林主要位于印度、缅甸、越南以及马来西亚等地区[2]，而在我国少有分布，目前我国柚木需求主要依靠进口。据统计，我国于2019年进口原木达到5 980.69万m3，锯材进口3 808.36万m3[3]，其中包括进口柚木原木10 682.6 t，达616.3万美元[4]。进口木材虽可满足我国的柚木资源需求，但是该方法对国际木材市场依赖大且不稳定，相较于发展本土人工林仍存在一定的弊端[5]。19世纪初期，为逐步减少对东南亚柚木的依赖，我国引进柚木并进行小面积种植，其后又进一步在云南、广州等地设立了柚木林场[6]，目前我国各柚木人工林已发展至一定水平。通过对我国柚木人工林进行合理化地加工利用，可降低柚木制品的成本，减少对进口木材的依赖，并进一步推动多类珍贵树种人工林发展。然而受立地条件影响，国产人工林柚木与天然林柚木存在一定的材性差异，在实际生产利用中需进行适用性研究。通过对国产人工林柚木材性进行研究可为该材种的加工利用及材种培育提供有效参考[7]。

目前，方晓阳等[8]对人工林小径柚木的物理力学性质进行了较全面的探索，但没有涉及其结构特征、化学组成以及开发利用方面;王宪等[9]研究了人工林柚木的弯曲化学特性，表明其具有应用于曲木家具的可能性;叶雨静等[10]研究了小径柚木应用于单板层积材的可能性，拓展了人工林柚木的应用方向。除上述应用方向，实木家具、地板也深受消费者喜爱，将人工林珍贵树种柚木合理应用于家具以及地板领域，可显著提升其附加值。为确定国产人工林柚木代替缅甸天然林柚木作为实木家具、地板用材的可能性，本文对人工林柚木及天然林柚木分别进行化学组分检验以及物理力学性能测定，比对2类不同立地条件柚木所制实木地暖地板产品的外观、尺寸稳定性差异，分析两者材性差异，以考察国产人工林柚木作为家具、地板用材应用的可行性，为国产人工林柚木进一步开发利用提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

国产人工林柚木（简称为“人工林柚木”）锯材，产地：西双版纳勐腊县，规格：950 mm×135 mm×20 mm，树龄：17～18 a;缅甸天然林柚木（简称为“天然林柚木”）锯材，产地：缅甸，规格：950 mm×135 mm×20 mm，树龄：50～60 a。由于柚木家具、地板多利用柚木心材部分，因此本文取样研究对象均为心材部分。

1.2 实验设备

实验设备见表1。

1.3 检测方法

1.3.1 外观特征

将试材加工为尺寸20 mm×20 mm×20 mm的待检测试样40块，并保证其端面分别为横切面、径切面以及弦切面。随机选择其中10块，利用手持式显微镜对其三切面进行拍摄观察，记录其结构特征。

1.3.2 化学组分

化学组分分析项目包括水分含量、酸不溶木质素含量、综纤维素含量测定，具体原料制备及测量方法的参照标准见表2 。

由于纤维素含量测定无相关标准，故采用“硝酸-乙醇法”[11]进行测定。

1.3.3 物理力学性能

物理力学性能测试项目包括干缩性、湿胀性、密度、抗弯强度和抗弯弹性模量等5个指标，具体测定方法参考标准见表3 。

1.3.4 产品对比

选取12片人工林柚木以及6片天然柚木锯材按材种分为3个实验组，其中6片人工林柚木锯材作为低温热处理实验组。低温热处理实验组所用热处理介质为常压湿空气，热处理温度为112 ℃，时间为48 h，该工艺可以提高木材尺寸稳定性且不会明显改变木材材色。经处理后，低温热处理实验组锯材经砂光、开槽和涂装等工艺，制得热处理人工林

柚木實木地暖地板产品;另外6片人工林柚木锯材与天然林柚木锯材分别作为另外2个不经热处理的实验组，经相同工艺加工成实木地热地板产品。

产品检测过程包括，①将地板样板分别放置在标准光源灯箱中，通过D65光源观察，拍摄记录其外观差异;②参照GB/T 35912—2018《地采暖用实木地板技术要求》测定其尺寸稳定性。

2 结果与分析

2.1 宏观结构特征

人工林柚木与天然林柚木2类木材宏观结构特征如图1所示。由图1可以看出，两者多数特征相似，但少数有差异，其结果见表4 。

（1）人工林柚木早晚材管孔差异较小，类似半环孔材，而天然林柚木早晚材管孔差异明显，为环孔材，该差异与古鸣[12]研究结果一致。该差异的产生一方面可能与柚木树龄有关，柚木幼龄材与成熟材的划分年限为15～20 a，本研究采用的人工林柚木树龄为17～18 a的小径材，因此人工林柚木样品极可能为幼龄材，而天然林柚木样品的树龄为50～60 a，所取部分为成熟材部分。根据Bhat 等[13]研究表明，柚木幼龄材与成熟材的管孔结构存在差异，如图2所示。因此本文所示管孔分布差异可能是由幼龄材与成熟材的差异导致的。另一方面这种现象可能与实验材料的生长地区及种源有一定关系，根据王洁瑛等[14]研究表明不同产地柚木的管孔特征存在类似本文所述的差异。

（2）人工林柚木的生长轮宽度约2.6 mm，天然林柚木的生长轮宽度约1.7 mm，前者约为后者的1.5倍，该现象一方面可能与人工林柚木所用树种生长速度快有关，另一方面与制材所用部分可能多为生长速度较快的幼龄材部分有关。

（3）人工林柚木的气味较天然林柚木淡，可适用于喜爱柚木外观但无法接受其特有气味的人群。

（4）柚木的纵切面晚材部分常有一类黑色线状特征（俗称“黑筋”）。由于人工林柚木生长轮宽度大，单位面积内年轮数量少，人工林柚木的“黑筋”也因此相对较少;但人工林柚木颜色浅，反而致使其“黑筋”特征更明显。

（5）人工林柚木的触感坚硬，天然林柚木的触感柔和。

2.2 化学组分含量

木材的化学组分是木材材性的一个重要方面，该特性与木材物理性能、耐候性、颜色以及加工利用途径等方面关系密切，是木材资源合理利用的重点[15]。两类柚木心材的主要化学组分含量检测结果见表5 。两者含水率、纤维素含量以及酸不溶木质素含量的差值较小，均不超过0.50%，但是两类柚木的半纤维素含量存在一定差距，人工林柚木与天然林柚木的半纤维素含量分别为23.10%与20.94%，二者差值为2.16%。半纤维素是一类含有大量羟基的高分支度低聚糖，易吸附水分，并对木材尺寸稳定性造成影响[16]。有研究表明天然林柚木具有较高尺寸稳定性的原因即在于其含有较少的易水解半纤维素[17]，而人工林柚木较高的半纤维素含量可能导致其尺寸稳定性下降。

2.3 物理力学性能

木材用途与其自身物理力学性能有关，天然林柚木适用于制造各类文具以及高档家具[18]。表6—表8分别示出了人工林柚木与天然林柚木的干缩性、湿胀性、密度、抗弯强度以及抗弯弹性模量5个指标测定的结果。本文利用独立样本t检验方法对2种柚木的物理性能差异程度进行计算（SPSS 22），结果见表9—表11。由表9—表11可以看出，两者的干缩/湿胀性、抗弯强度以及抗弯弹性模量等指标的方差在非齐性情况下，均值存在显著差异;密度指标的方差呈齐性，其均值同样存在显著差异。因此可知，2种柚木的物理性能存在显著差异。

2.3.1 干缩湿胀性

木材自身结构造成的干缩湿胀性对木材的加工利用有较大影响。

气干湿胀率表示饱水木材在恒温恒湿环境中干燥至平衡含水率后的尺寸变化率，而木材干燥多要求将木材的含水率从纤维饱和点以上降低至稍低于该木材的平衡含水率，两者较为相似，因此气干干缩率对于木材干燥具有较高的参考意义[19]。表6为人工林柚木与天然林柚木径、弦向的气干干缩（湿胀）率对比情况，由于轴向尺寸变化较小，对生产无较大影响，因此轴向干缩（湿胀）率在此处不被列出。由表6可知，两者弦向气干干缩率差异较大，人工林柚木弦向气干干缩率均值为2.42%，天然林柚木仅1.01%，前者为后者的2倍多;两者径向气干湿胀率差异较小，前者为1.61%，后者为1.28%，前者约为后者的1.26倍。因此人工林柚木在干燥过程中将会相对天然林柚木产生更大的收缩，需要保留更多的干缩余量。

差异干缩是弦向干缩率与径向干缩率之比，可用于评价木材的易变形程度。差异干缩用D表示，共分为3个等级：小，D<1.5;中，1.5≤D≤2;大，2

图3为2类柚木与香二翅豆、番龙眼、栎木等3种常见的家具地板用材的气干干缩率的对比情况[21]。由图3可发现2类柚木的径向气干干缩率与弦向气干干缩率均低于其他3种木材，说明2类柚木相对其他3种木材干缩过程中变形量小。

气干湿胀率表示绝干木材在恒温恒湿环境中吸湿至平衡含水率后的尺寸变化率，可用于分析木材在使用中吸湿變化情况。图4为平衡含水率为12%的条件下，2类柚木和香二翅豆、番龙眼、栎木这3种常见的地板用材的气干湿胀率。由图4可得，天然林柚木径向气干湿胀率为1.28%，弦向气干湿胀率为2.06%，与香二翅豆等其他3种材种接近;人工林柚木的径向气干湿胀率为1.61%，弦向气干湿胀率为3.21%，较其他3种材种高。因此，利用人工林柚木制造家具、地板时，应保留足量的伸缩缝，以防止由木材湿胀造成的家具攒边“炸开”、柜门开关困难以及地板起拱等现象[22-23]。

由上述分析可知，2类柚木干缩湿胀率差异程度与2.2部分半纤维素含量分析结果相符，表明人工林柚木半纤维素含量较高可能导致其尺寸稳定性下降。因此，在开发利用人工林柚木时可考虑增设热处理工艺，通过高温分解其半纤维素组分，以降低其吸水性，提高其尺寸稳定性。

2.3.2 密度

木材强度与其内部胞壁物质数量、构造及胞腔内抽提物含量有关。其中，木材单位体积内胞壁物质数量宏观上可由木材密度表示，木材密度与木材抗弯强度、抗弯弹性模量及硬度等多个物理性能指标呈显著正相关[24]。由表7人工林柚木与天然林柚木的密度指标测定结果可知，前者气干密度为0.610 g/cm3，后者气干密度为0.707 g/cm3，人工林柚木气干密度约为天然林的86.28%，因此各项力学性能可能较天然林柚木略低，但其加工难度也会相应降低。由木材宏观结构特征发现人工林柚木年轮宽度相对天然林柚木较大，同时木材气干密度与生长轮宽度间存在负相关关系[25]，这从另一方面印证了两者密度的大小关系。

2.3.3 抗弯强度及抗弯弹性模量

椅凳类、桌案类以及柜架类等家具，其受载部件常需要经受较大弯曲应力，同样木质地板使用时也需承受一定的弯曲应力，因此弯曲载荷是木质家具的一个重要指标[26]。木材抗弯强度与抗弯弹性模量按前10%、25%、50%和70%可分为表12 中的5个等级[27]。由表8人工林柚木与天然林柚木的抗弯强度及抗弯弹性模量指标测定结果可知，人工林柚木的抗弯强度为73.2 MPa，抗弯弹性模量为9 030 MPa，达到等级中的合格水平;天然林柚木的抗弯强度为100.0 MPa，抗弯弹性模量为12 360 MPa，达到良好水平。因此，人工林柚木用于床板、搁板以及地板等受到静曲载荷的家具部件时，应合理设置板材横截面面积以保证其抗弯性能。

2.4 产品对比

实木地暖地板使用环境温湿度条件变化大，对木材耐湿/热尺寸稳定性要求较严格，在衡量木材材性是否优异方面，具有一定的代表性。因此，本实验组利用2类柚木经过相同工艺（除是否设置热处理工序外）分别加工了对应的实木地暖地板产品。由于前文分析发现人工林柚木尺寸稳定性较天然林柚木低，且考虑到热处理可提升木材的尺寸稳定性[28]，因此对部分人工林柚木进行了热处理。而在工业生产中，由于天然林柚木尺寸稳定性较高，因此用于地暖地板时一般无须热处理。

2.4.1 外观效果对比

图5为人工林柚木与天然林柚木经相同加工、涂饰工艺所制得的地板样品。除人工林柚木地板的“黑筋”数量少、颜色浅外，两者外观较相似，均具有市场上认可的特有“柚木色”。因此，人工林柚木可通过一定的涂饰工艺，实现其外观与天然林柚木地板高度相似。

2.4.2 产品尺寸稳定性对比

表13为几种地板产品尺寸稳定性的对比情况。由表13可知，人工林柚木地板（未热处理）、人工林柚木地板（热处理）及天然林柚木地板均满足标准要求，表明上述3类产品均具有较好的尺寸稳定性;另外可以看出，人工林柚木经低温热处理后，尺寸稳定性得到改善，宽度方向干缩率与湿胀率下降明显，前者由0.52%下降至0.18%，后者由0.23%下降至0.08%，数值均已低于天然林柚木地板（0.39%、0.16%）。

3 结论

对人工林柚木和天然林柚木分别进行了材性检测，分析了两者物理力学性能及化学组分方面的差异程度，并对以两类柚木为原材料加工制成的实木地暖地板产品的外观与尺寸稳定性进行了对比，结论如下。

（1） 宏观结构特征方面，较天然林柚木，人工林柚木早晚材管孔差异小，生长轮宽度小，气味淡，晚材中的“黑筋”特征明显。但本部分结论需要通过进一步的研究确定，例如使用树龄更长的人工林柚木进行制样，以减少幼龄材对实验结果影响。

（2） 化学组分方面，人工林柚木的纤维素、木质素含量与天然林柚木无较大差距，但前者半纤维素含量低于后者约2.16%，可能是造成其尺寸稳定性低于天然林柚木的主要原因。

（3） 物理力学性能方面，独立样本t检验结果显示，两类柚木干缩湿胀性、抗弯强度以及抗弯弹性模量、密度均存在显著差异，天然林柚木各项指标均优于人工林柚木，但人工林柚木仍满足家具材原材料加工利用要求。人工林柚木的干缩湿胀性与香二翅豆、番龙眼、栎木等相比，其气干干缩率低、气干湿胀率高，加工利用应注意控制其尺寸变化余量。

（4） 两类柚木经相同工艺加工的实木地暖地板产品，外观较相似，且人工林柚木的尺寸稳定性，也满足国家标准要求。

综上，人工林柚木虽然材性比天然林柚木较差，但外观与天然林柚木较相似，材性同样满足家具、地板用材使用要求，可作为使用缅甸天然林柚木的次选。在后者稀少昂贵的现状下，人工林柚木具有重要的推广应用价值。

【参 考 文 献】

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