涂饰对贵州民族木结构建筑用材表面色差及防腐性能的影响

刘人源 曾珠亮 李权

摘 要：為明确不同涂饰处理对民族木结构建筑用材表面色差及防腐性能的影响，使用桐油和醇酸清漆涂饰马尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和枫香（Liquidambar formosana）试样，并对3种试样涂饰前后的表面色差及耐腐性能进行检测和分析。结果表明，桐油和醇酸清漆对试样涂饰色差效果的影响规律大体相似。横切面和径切面在色差参数指标方面有较大差异，经涂饰处理后的3种试样均表现为明度（L*）降低，红绿轴色品指数（a*）、黄蓝轴色品指数（b*）和色度值（C）增大。3种试样横切面的L*均比径切面小，马尾松和枫香试样横切面的a*和b*比径切面大，而杉木则正好相反。经涂饰后的马尾松、杉木和枫香相比对照样在腐朽试验后的试样质量损失率明显降低，杉木在涂饰桐油的条件下对彩绒革盖菌（Coriolus versicolor）的耐腐效果能达到Ⅰ级强耐腐水平。在使用相同菌种的耐腐试验中，涂饰桐油的3个树种试样耐腐效果均要强于涂饰醇酸清漆。绵腐卧孔菌和密粘褶菌对马尾松和杉木的腐朽效果大，而彩绒革盖菌对枫香的腐朽效果最大。扫描电镜（SEM）研究结果进一步证实桐油相对醇酸清漆对马尾松和杉木的保护效果更好。

关键词：木结构；腐朽菌；耐腐；色差指标；扫描电镜

中图分类号：S781.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）03-0100-07

Abstract：In order to clarify the influence of different finishing treatments on the surface color difference and decay resistance performance of national wood structure building materials， tung oil and alkyd varnish were used to coat Pinus massoniana， Cunninghamia lanceolata， Liquidambar formosana Hance samples， and the surface color difference and decay resistance of the three samples before and after coating were tested and analyzed. The results showed that the effect rules of tung oil and alkyd varnish on the color difference of the sample were generally similar. There was a big difference in the chromatic aberration parameters between the transection and the radial section. After finishing treatment， all three samples showed a decrease in lightness （L*）， an increase in red-green color index （a*）， yellow-blue color index （b*） and chromaticity value （C）. The L* of the transection of the three samples was smaller than that of the radial section. The a* and b* of the transection of the P. massoniana and Liquidambar formosana samples were larger than the radial section， but the opposite is true for C. lanceolata. The mass loss rate of the coated P. massoniana， C. lanceolata and L. formosana was significantly lower than the control sample after the decay test， and the decay resistance of C. lanceolata against Coriolus versicolor under the condition of coating with tung oil could reach the I level （strong decay resistance）. In the decay resistance test using the same fungi， the decay resistance of the three tree species samples coated with tung oil was stronger than that of the coated alkyd varnish. The decay effect of Poria vaporaria and Gloeophyllum trabeum was greater on the decay of P. massoniana and C. lanceolata， while the decay effect of C. versicolor on Liquidambar formosana was the greatest. The results of SEM research further confirmed that tung oil had a better protective effect on Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata than alkyd varnish.

Keywords：Wood structure; fungi; decay resistance; chromaticity index; scanning electron microscope

基金项目：贵州省教育厅青年科技人才项目（黔教合KY字[2022]075号；黔教合KY字[2020]177号）；黔东南州科技计划项目（黔东南科合基础[2022]17号）；贵州省科技厅“千”层次人才培养项目（黔千层人才[2021]201603）

第一作者简介：刘人源，硕士，讲师。研究方向为土木工程。E-mail： 260249683@qq.com

*通信作者：李权，博士，教授。研究方向为林业工程。E-mail： liquan-8@163.com

0 引言

黔东南苗族侗族自治州森林资源丰富，州内保存有大量以马尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和枫香（Liquidambar formosana）为原材料的民族木结构建筑。当地人常用传统压榨的桐油和现代化工业产品醇酸清漆对木结构建筑进行涂饰以增加其使用寿命，涂饰后的木结构建筑不仅保存了其整体风貌，还极具科学和文化研究价值[1-2]。涂饰处理不仅能解决木材中的钝渣、节子、裂纹和腐朽等天然缺陷和加工过程中带来的缺陷。还能解决木材表面树脂、渗胶和手垢等污染问题[3-4]，以达到美观的效果。国内外对木材涂饰的研究主要集中在高温、酸碱和等离子体等不同方式处理后的不同树种木材在渗透性、胶合及涂饰等性能方面的差异，以及对木材涂饰前后表面视觉性质差异和涂饰后木材的耐候性、耐光老化、各种仪器分析和表征等[5-7]。但有关贵州苗侗民族木结构建筑用材涂饰传统的桐油与现代的醇酸清漆之间的色差研究，还有涂饰后的试样对木材腐朽菌具体的防腐效果均未见相关报道。涂饰处理对民族木结构建筑用材表面色差及防腐性能的研究立足于当地的优良的生态环境和地方特色，对推动少数民族地区美丽乡村建设上新台阶具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选用產自黔东南苗族侗族自治州下司镇的马尾松、杉木以及枫香边材为试验材料，树龄均为10 a，将其放入电热鼓风干燥箱（型号101-2BS，上海力辰仪器科技有限公司生产）中，温度设置为45 ℃，烘干至含水率为12%左右后用锯机锯切成20 mm×20 mm×10 mm（纵向（L）×弦向（T）×径向（R））的试样。

绵腐卧孔菌（Poria vaporaria）、密粘褶菌（Gloeophyllum trabeum）、彩绒革盖菌（Coriolus versicolor），3种菌种来自中国林业微生物菌种保藏管理中心，后转接种保存于凯里学院黔东南民族药综合利用工程技术研究中心。

桐油：皂化价为190～195；水分和挥发物<0.20%；比重（20 ℃/4 ℃）为0.936 0～0.939 5；折射率（20 ℃）为1.517 0～1.522 0；碘价为163～173，购买自岑巩油桐公司。

醇酸清漆：透明无机械杂质，不挥发物≥40%，黏度≥40 s，干燥时间≤15 h，购自杭州惠鹏涂料有限公司。

1.2 主要设备

生化培养箱：型号SHP-250（E），上海培因实验仪器有限公司。

自动色差计：型号SC-80C，北京京仪康光光学仪器有限公司。

扫描电镜（SEM）：型号MIRA4，捷克泰思肯公司生产。

1.3 涂饰工艺流程

采用桐油和醇酸清漆对各试样边材试件表面进行涂饰，在涂饰前先将试件表面清理干净，后采用手工的方式对试件进行涂刷，每个试件均匀涂刷1次，每块试件涂布量约为60 g/m2。经涂饰后的试样放置7 d全干后再进行色差参数的检测。

1.4 耐腐测试

根据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》的相关要求对各试件进行耐腐性能测试。试验结束后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。试件的质量损失计算公式为

式中：m1为试件试验前的全干质量，g；m2为试件试验后的全干质量，g。

耐腐等级分类按照损失率分为Ⅰ级强耐腐（试样质量损失率0%～10%）、Ⅱ级耐腐（试样质量损失率11%～24%）、Ⅲ级稍耐腐（试样质量损失率为25%～44%）和Ⅳ级不耐腐（试样质量损失率＞45%）。

1.5 色差检测

将自动色差计用于测定试件在涂饰前后的色差指标。采用CIE（1976）L* a* b*颜色系统的表征颜色，其中L*为明度，a*是红绿轴色品指数，b*是黄蓝轴色品指数。

2 结果与分析

2.1 试样表面色差参数分布特征

木构件表面涂饰桐油或油漆可提高其防虫、耐腐性、密实度及抗渗性等。经涂饰处理后的木材表面平整光滑、纹路清晰，但色差参数会发生明显的变化。从表1中可以看出相同树种木材的横切面和径切面在同一色差参数指标方面有较大差异，具体表现为：3个树种试样横切面的L*均比径切面小，可能是由于横切面的多孔结构对光线有吸收效果，而径切面大部分是细胞壁，因此对光线的反射效果更好。马尾松和枫香及其涂饰试样横切面的a*、b*和C均比径切面更大。3个树种试样经过涂饰桐油或醇酸清漆后的a*或b*均比涂饰前更大，说明2种涂饰能导致试样向红色和黄色方向发展，使得试样呈现深棕色。3个树种涂饰桐油比涂饰醇酸清漆的ΔE更大，主要是由于桐油本身呈现金黄透明，说明桐油对3种木材颜色的影响最大。桐油和醇酸清漆涂饰后的3种试样在横切面和径切面上均表现为L*显著降低，主要是由于涂膜层会吸收部分入射光线以及降低反射光线从而导致L*降低[8-9]。在横切面上，杉木经过涂饰桐油和醇酸清漆后L*分别降低了37.85%和23.13%；a*分别增加了142.48%和94.38%；b*分别增加了20.1%和22.21%；C分别增加了36.25%和30.61%。在径切面上的杉木经过涂饰后的颜色变化也有与横切面上类似的趋势。枫香经涂饰桐油和醇酸清漆后在横切面上的ΔE显著大于径切面，表现在横切面上的枫香经涂饰桐油和醇酸清漆后L*、a*、b*的变化幅度大。

綜合分析桐油和醇酸清漆对马尾松、杉木和枫香3种木材试样横切面和径切面L*、a*、b*、C和ΔE的影响可知，经过涂饰后的试样L*降低，a*和b*增大，试样颜色从明浅黄色往深棕色方向转变，最终表现为C和ΔE的显著增大[10-11]。桐油和醇酸清漆对试样涂饰效果的影响规律大体相似。

2.2 耐腐结果与分析

从图1（a）中可看出，未经涂饰的马尾松对照样在3种不同白腐菌和褐腐菌腐朽试验后的试样质量损失率均超过了30%，耐腐等级为Ⅲ级稍耐腐。经涂饰后的马尾松试样质量损失率明显降低，马尾松涂饰桐油对3种腐朽菌的耐腐水平均能达到Ⅱ级耐腐水平，其中涂饰桐油后试样的耐腐效果要强于涂饰醇酸清漆。可能是由于桐油的主要化学成分为脂肪酸甘油三酯混合物（包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸和α-桐酸等）[12]，对木材腐朽菌的毒性较大。而醇酸清漆防腐的机理主要是在试样表面形成漆膜，从而隔绝菌丝的进入，但由于只涂饰了一遍，试样没有完全被漆膜封闭。另外，试样在耐腐试验前需经过高压锅灭菌，腐朽试验时在三角瓶中长时间的高湿环境可导致漆膜受损，因此经耐腐试验后的试样也就会出现质量损失。

从图1（b）中可看出，褐腐菌对杉木试样腐朽能力高于白腐菌对杉木试样的腐朽能力，表现为绵腐卧孔菌和密粘褶菌导致的杉木试样的质量损失率要显著高于彩绒革盖菌。杉木涂饰桐油对绵腐卧孔菌、密粘褶菌的耐腐能力达到了Ⅱ级耐腐水平，对彩绒革盖菌的耐腐能力达到了Ⅰ级耐腐水平。而涂饰醇酸清漆对3种腐朽菌的耐腐水平均能达到Ⅱ级耐腐水平。比较图1（a）和图1（b）可看出，在对照样或者是相同涂饰和相同种类腐朽菌腐朽试验条件下，即杉木对照样，杉木涂饰桐油以及涂饰醇酸清漆在3种木材腐朽菌腐朽试验后的质量损失率比马尾松更小。这主要是由于杉木中本身含有α-蒎烯、α-松油醇、α-柏木烯、β-柏木烯、柏木脑、萜类、挥发油和双黄酮等具有抑菌防腐功效的化学物质[13-15]，因此其耐腐效果相对于马尾松更好。

从图1（c）中可看出，白腐菌对枫香试样的腐朽效果要强于褐腐菌，表现在彩绒革盖菌导致的枫香试样的质量损失率要显著高于绵腐卧孔菌和密粘褶菌。枫香涂饰桐油和醇酸清漆对绵腐卧孔菌、密粘褶菌的耐腐能力达到了Ⅱ级耐腐水平，但对彩绒革盖菌的耐腐能力仅为Ⅲ级稍耐腐水平。总体来看，枫香试样涂饰桐油比涂饰醇酸清漆的防腐效果稍好。

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，如图2—图5所示。从图2和图3中可以看出，无论是桐油还是油漆处理的马尾松被彩绒革盖菌和绵腐卧孔菌侵染后其内部均出现了大量菌丝，细胞结构遭到破坏，但桐油相比醇酸清漆对马尾松的保护效果相对更好，表现为前者比后者马尾松管胞中的菌丝更少。绵腐卧孔菌相比彩绒革盖菌对马尾松的破坏更为严重，表现为绵腐卧孔菌腐朽后的马尾松试样中的菌丝更多，细胞结构更破碎。从图4可看出，桐油处理马尾松腐朽后的结构依然保持相对完整，纤维内部虽然能见到少量菌丝，但结构相对完整，主要是由于桐油含有的抑菌活性物质对木材腐朽菌的毒性较大。从图5可看出，彩绒革盖菌覆盖了整个杉木的表面，通常彩绒革盖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细胞腔，同时分泌木质素酶破坏细胞壁[16-17]。

3 结论

对3种常用的贵州民族木结构建筑用材涂饰前后表面色差及防腐性能进行了比较和分析，并得出以下结论。

1）马尾松、杉木和枫香试样涂饰桐油比涂饰醇酸清漆的ΔE更大，说明桐油对3种木材颜色的影响最大。涂饰处理3个树种试样不仅能降低L*，还会导致a*和b*的增大，从而导致试样颜色从明浅黄色向深棕色转变。

2）绵腐卧孔菌分泌的纤维素酶对马尾松和杉木、彩绒革盖菌分泌的木质素酶对枫香的降解效果最大。涂饰醇酸清漆的木材试样表面被封闭，从而部分阻断了木材腐朽菌的侵染。桐油中含有脂肪酸甘油三酯混合物，对木材腐朽菌的毒性较大，从而起到了一定的防腐效果。

3）无论是桐油还是醇酸清漆处理的马尾松和杉木被彩绒革盖菌和绵腐卧孔菌侵染后其内部均出现了大量菌丝，细胞结构遭到破坏，但桐油相比醇酸清漆对马尾松和杉木的保护效果相对更好。

本研究对具有特殊地理位置、气候环境的建筑结构木材应用具有一定的实际意义。

【参 考 文 献】

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