热处理对民族木结构建筑用材色差及耐腐性能的影响

梁 哨，覃 斌，岑晓倩，李 权，林 辉

(1.凯里学院，贵州 凯里 556011；2.宁德师范学院 化学与材料学院，福建 宁德 352100；3.福建省特色生物化工材料重点实验室，福建 宁德 352100)

贵州省黔东南州有8个林业重点县，是我国南方重点集体林区之一，境内森林资源丰富，有“杉乡”、“林海”之称。州内保存有很多以马尾松、杉木和枫香为原材料的苗族和侗族干栏式木结构建筑和家具等，整体风貌完整，极具科学和文化价值[1]。黔东南州传统木结构建筑是当地历史发展的产物，随着科学技术的发展，传统民居的需求也在发生改变，比如对阻燃、耐腐、隔音降噪、保温隔热、低碳环保、舒适性的需求等。因此，改造黔东南州本地传统木结构建筑，应在保持传统建筑风格的前提下，结合新技术和新材料，以最大限度满足当地居民的生活需求[2-3]。

木材热处理是指在保护性气体环境中，以160～250 ℃温度对木材进行短期热解处理的一种环保型木材物理保护技术。通常将热处理木材称为深度炭化，以区别于普通干燥材、表面炭化木或进出口检疫中热处理除虫后的木材。研究表明，热处理材的热传导性可降低10%～30%，弯曲强度和握钉力降低10%～30%，而压缩强度、冲击强度、表面硬度则变化不大，可适用桑拿间、浴室等场合。热处理能导致木材组分发生改变，从而切断真菌生存所需的营养物质来源[4]，提高了木材的防腐性能。热处理还能降解半纤维素、木质素及抽提物，从而导致木材颜色发生改变[5-6]。热处理后木材性质的改变状况，很大程度上取决于木材树种的不同和工艺条件的差异[7]。本研究结果对提高地方民族木结构建筑防腐性能、尺寸稳定性和充分发扬少数民族建筑文化，推进绿色建筑的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用产自贵州省凯里市下司镇的马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)和枫香(Liquidambarformosana)的边材为试验材料。将马尾松、杉木和枫香试材放入电热鼓风干燥箱中烘干至含水率为12%后，参照国家标准GB/T 13942.1-2009《木材耐久性能第1部分：天然耐腐性实验室试验方法》用锯机锯切成20 mm×20 mm×10 mm的试样。

褐腐菌[绵腐卧孔菌(Poriavaporaria)、密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum)]和白腐菌[彩绒革盖菌(Coriolusversicolor)、变色栓菌(Trametesversicolor)]均由黔东南民族医药研究发展中心提供。

1.2 主要试验设备

管式炉：型号TF1200-300，栖渺新材料科技(上海)有限公司生产，使用温度范围为180～240 ℃，温度控制精度±1 ℃，管径φ150 mm。生化培养箱型号Herocell 180，上海润度生物科技有限公司生产。自动色差计，型号NR10QC，8°/d(8°照明漫反射度接收)，深圳3nh科技有限公司生产。

1.3 热处理工艺

开启管式炉加热程序，充入氮气，升温速率10 ℃·min-1，当温度升高至100 ℃时保持20 min，再升温至设定温度后开始计时，至设定的热处理时间保持2 h后关闭加热开关。CK试样则是未经热处理的素样。

1.4 色差检测

将自动色差计用于测定全干条件下马尾松、杉木和枫香试样的相关色度学指标。采用CIE(1976)L*a*b*颜色系统的表征颜色，其中L*为明度，a*为红绿轴色品指数，b*为黄蓝轴色品指数。

总色差的计算公式：

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

(1)

式中：ΔL*=Lt*-L0*；Δa*=at*-a0*；Δb*=bt*-b0*；L0、a0、b0为腐朽测试之前的试样；Lt、at、bt代表腐朽测试之后的试样。

色度值C的计算公式：

C=(a*2+b*2)1/2

(2)

1.5 耐腐测试

根据国家标准GB/T 13942.1-2009的相关要求对马尾松、杉木和枫香试样进行耐腐测试[8]。将各试样在高压灭菌器中灭菌20 min，然后在无菌条件下放入培养瓶中已长满菌丝的饲木上(纹理方向垂直于菌丝生长方向)。将培养瓶置于培养箱(温度(28±2) ℃，空气相对湿度75%～85%)受菌侵染12周。培育结束后从培养瓶中取出试样，除去试样表面的菌丝和杂质，并在40 ℃条件下干燥至绝干后称重(精确至0.001 g)。使用以下公式计算由真菌引起的每个试样的质量损失：

试样质量损失率=[(m1-m2)/m1]×100%

(3)

式中：m1是试样试验前的全干质量；m2是试样试验后的全干质量。

耐腐等级分类：失重率0～10%时为Ⅰ级强耐腐，11%～24%时为Ⅱ级耐腐，25%～44%时为Ⅲ级稍耐腐，大于45%时为Ⅳ级不耐腐。

1.6 统计分析

采用Excel 2003软件进行数据处理和制表，并采用SPSS21.0进行数据的方差分析。

2 结果与分析

2.1 试样表面色度学参数分布特征

表1中可解析各试样具体的颜色变化情况。3种试样经180、200、220、240 ℃和2 h热处理后表面呈现浅棕色至深褐色，颜色均匀柔和，色差较天然木材小且表面光滑。温度逐步升高的热处理对3种试样各色度学参数的变化有不同的波动表现，马尾松、杉木和枫香试样的明度逐渐降低，各温度梯度之间降低均表现为显著。马尾松和枫香试样在180～220 ℃时红绿轴色品指数a*和黄蓝轴色品指数b*逐渐增大，而到了240 ℃时突然出现显著降低，说明这2种木材试样在240 ℃的热处理条件下，含有显色基团和助色基团的半纤维素和抽提物等物质发生了热解。而杉木从180～240 ℃时红绿轴色品指数a*逐渐升高，而黄蓝轴色品指数b*则先升高后降低。马尾松和杉木的色度值C从180～240 ℃热处理温度均表现为先增大后减小的趋势，两种木材的色度值C的峰值分别在200、180 ℃热处理条件处。从总色差ΔE来看，马尾松在4个热处理温度比对应热处理温度时的杉木和枫香更大，说明热处理对马尾松颜色变化的影响最大，表面材色热稳定性最差。3种树种试样热处理变色的原因主要是木材中存在着大量碳-氧(C=O)、碳-碳(C=C)共轭双键结构、羟基(-OH)和甲氧基(-OCH3)等发色基团或助色基团，在热处理条件下，极易发生化学键的断裂与重组，导致木材色调发生变化[9-10]。

表1 不同温度处理马尾松、杉木和枫香试样的颜色差异

2.2 耐腐试验结果分析

白腐菌具有降解木质素的功能，白腐菌通过侵入木质细胞腔内，释放降解木质素和其他木质组分(纤维素、半纤维素、果胶质)的酶，可最终导致木材腐朽成白色海绵状[11]。从图1可看出，3种未经热处理的CK试样在2种白腐菌(变色栓菌和彩绒革盖菌)侵染12周后，其对照样质量损失率由大到小均表现为：枫香、马尾松、杉木。主要是由于白腐菌对阔叶材的降解要好于针叶材。另外，杉木抽提物中含有大量的柏木脑、杉木醇、桉叶醇、α-柏木烯、杉木烯和萘类等具有抑菌防腐功效的化学物质[12]，因此针叶材中的杉木耐白腐效果要强于马尾松。4种温度热处理后的试样对2种白腐菌的耐腐效果表现为：随着热处理温度的升高，各试样耐腐效果越好，当热处理温度达到240 ℃时可导致木材中半纤维素特别是多糖醛苷发生化学变化，3种树种试样均能达到Ⅰ级强耐腐水平。热处理同时还能让木材中的纤维素分子链内羟基相互结合而构成氢键，从而除去或缓释木材的内应力并改善其尺寸稳定性[13]。

通常来说，热处理后的木材具有防腐防虫的功效，使用寿命延长，性能提高(如吸水性、吸湿膨胀性下降，尺寸稳定性提高，其制品几乎不变形、不开裂)，适用于制造木构件、地板和门等产品。从图2可看出，在相同热处理试验条件下，2种褐腐菌对3种试样纤维素和半纤维素的降解效果有较大差异，总体表现为绵腐卧孔菌比密粘褶菌的降解能力强，以及褐腐菌对2种针叶材马尾松和杉木的腐朽能力要强于阔叶材枫香。经180 ℃热处理的各个试样褐腐后的失重率显著低于没有经过热处理的对照CK，说明在此温度条件下的热处理就能降解部分半纤维素以及氨基酸、果糖等营养物质，从而产生了一定的耐腐效果。240 ℃热处理的3种试样耐腐效果能达到Ⅰ级强耐腐水平，其失重率相比220 ℃时均出现显著降低，这主要是由于试样中的半纤维素等物质大幅度热解以及产生了对木材腐朽菌有毒性的一些焦油等物质。

2.3 扫描电镜分析

通过SEM了解木材腐朽菌菌丝穿透细胞壁的机理对解析木材的腐朽过程十分重要。由图3-图5可知，马尾松素样被绵腐卧孔菌侵染后其内部出现大量菌丝，细胞结构遭到破坏。无论是白腐菌还是褐腐菌侵染枫香时，其菌丝首先从导管和木射线细胞进入，而侵染马尾松和杉木则是从树脂道和木射线细胞进入[14]。经过热处理的3种木材试样是一种多孔材料，它是由各种形状和大小不一的各类细胞构成。木材腐朽菌菌丝容易从阻力最小的通道，即两端开口细胞的细胞壁或纹孔膜进入木材内部。在菌丝穿透细胞壁时还会分泌各种酶与木材化学成分发生反应，从而降解试样中的纤维素、半纤维素和木质素，最终形成穿孔[15]。240 ℃热处理后的马尾松被绵腐卧孔菌侵染后的试样表面菌丝明显比未经热处理的试样要少，说明其耐腐效果好。

3 结论

热处理能够破坏马尾松、杉木和枫香中的一些助色基团和发色基团的组织和结构，从而导致其颜色发生变化。马尾松在4个热处理条件的总色差ΔE比对应热处理条件的杉木和枫香更大，说明热处理对马尾松颜色变化的影响最大。

180、200、220、240 ℃热处理后的试样对绵腐卧孔菌、密粘褶菌、彩绒革盖菌、变色栓菌的耐腐效果表现为：随着热处理温度的升高，各试样耐腐效果越好。当热处理温度达到240 ℃时，各试样均能达到Ⅰ级强耐腐水平。

对马尾松腐朽前后的微观结构进行扫描电镜的比较和分析表明：马尾松素样被绵腐卧孔菌侵染后其内部出现大量菌丝，细胞结构遭到破坏，而240 ℃热处理后的试样表面菌丝较少，结构保持完整，耐腐效果好。