水存处理对刨花楠木材性能的影响

徐永宏，范建忠，余裕龙，陈志清，叶俊成，严辉霞，陈济远，李文珠

（1. 浙江省建德市寿昌林场，浙江 建德 311600；2. 浙江农林大学 化学与材料工程学院，浙江 杭州 311300）

刨花润楠Machiluspauhio又称刨花楠，隶属樟科Lauraceae 润楠属Machilus，在我国主产于福建、浙江、广东、广西和湖南等地[1-2]。其木材花纹美观，材质较轻软，易干燥，易切削，切面光滑有光泽，内含胶质，浸水后有大量黏液产生，主要适用于造纸、家具和熏香原料等。干材无特殊气味和味道，生材刨花或干材刨花浸水后有黏液，可用于润发。民间妇女用其木材刨成薄片浸水产生的黏液做头发定型水，也可作为造纸及粉刷墙壁用的黏合剂，新鲜湿材不需蒸煮软化可直接旋切单板用于制作胶合板[3]。我国对进口木材的依存度高达近60%，木材供需矛盾日益加剧，木材资源的开发与利用面临严峻的挑战，研究、开发和利用优良的国产人工林和速生材具有深远的现实意义。

国内相关研究主要集中在刨花楠的生长特性、种苗繁育和栽培技术领域，在林业和农业领域刨花楠研究的水平和深度有待提高[4-9]。本文以不同状态（生材、气干材和水浸材）的刨花楠木材为研究对象，进行木材物理力学性能和表面视觉物理量测试，对比水存处理对刨花楠木材性能的影响，为探究木材抽提物对木材的性质、加工工艺和木材利用的影响提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用刨花楠木材取自浙江省建德市寿昌林场绿荷塘林区。该林区地处建德市西南部，与淳安千岛湖接壤，属中亚热带北缘季风气候区，气候温暖湿润，四季分明，雨量充沛，年平均气温为16.7 ℃，年平均降水量为1 600 mm。林区有45.33 hm2集中连片的刨花楠、紫楠Phoebesheareri、华东楠Machilusleptophylla、红楠M.thunbergii天然群落。取样的刨花楠为2008 年受雪压后自然倒伏的树干，树龄60 年左右，胸径36 cm。在刨花楠树干较圆满通直且无明显缺陷处取两段长度各为2.0 m 的木段，将其中一木段置于干燥通风处经大气自然干燥，另一木段浸没于水塘中进行水存处理，五年后取出再经大气自然干燥，2022 年，取不同保存状态下的刨花楠树种木材样品，参照GB/T 1927.2—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第2 部分取样方法和一般要求[10]，进行木材物理力学试材锯解及试样截取，用于木材物理力学性能和表面视觉物理量测试样品制备。

1.2 试验方法

1.2.1 木材的密度测试 木材的密度及干缩特性是决定木材品质的重要参数，对木材及木制品的尺寸和结构稳定性与安全性具有重要影响[11]。

参照GB/T 1927.5—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第5 部分密度测定[12]，进行木材密度测试。取具备三个标准切面尺寸为20 mm×20 mm×20 mm 的试样。取试样进行称量（m1），同时在试样各相对面的中心位置，分别测出弦向、径向和纵向尺寸（Lw），计算得气干体积（V1）；将试样放入烘箱内，按GB/T 1927.4—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第4 部分含水率测定[13]的规定，将试样烘至全干，冷却后称量（m0），在试样各相对面的中心位置分别测量弦向、径向和纵向尺寸（L0），计算得绝干体积（V0）；再将试样没入水中浸泡至尺寸不变状态时测量弦向、径向和纵向尺寸（Lmax），计算得到生材体积（V2）（饱水体积）。

气干密度计算公式：

全干密度计算公式：

基本密度计算公式：

1.2.2 木材干缩性与湿胀性测定 参照GB/T 1927.6—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第6 部分干缩率测定[14]，测量木材在气干状态和全干状态下的径向、弦向和纵向尺寸，根据公式分别计算木材全干时的线性干缩率（包括径向和弦向）及体积干缩率，比对气干材和水存材的线性干缩性及体积干缩性。分别测出气干试样的径向、弦向和纵向尺寸（Lw），再将试样放入烘箱中，设定（103±2）℃条件下烘至全干，测出各试样全干时的径向、弦向和纵向尺寸（L0）。径向、弦向的线性干缩率(βw)的计算公式为：

体积干缩率（βvw）的计算公式为：

参照GB/T 1927.8—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第8 部分湿胀率测定[15]，测量木材在全干状态和气干状态下的径向、弦向和纵向尺寸，根据公式分别计算木材全干到气干时的线性湿胀率（包括径向和弦向）及体积湿胀率。将试样放入烘箱内，设定（103±2）℃条件下烘至全干，冷却后在试样各相对面的中心位置分别测出径向、弦向和纵向尺寸（L0），再将试样放置于温度（20±2）℃、相对湿度（65±3）%条件下吸湿至尺寸稳定，测定试样的径向、弦向和纵向尺寸（Lw）。测定木材湿胀率，试样从全干到吸水至尺寸稳定时，径向和弦向的线性湿胀率(αw)计算公式为：

体积湿胀率(αvw)计算公式为：

1.2.3 木材的硬度测试 木材硬度根据受力方向不同又分为弦面、径面和端面硬度，通常端面比侧面高，侧面中弦面和径面的硬度相近。为了对比不同保存状态下刨花楠木材的硬度，本次试验只进行弦面硬度的测试。参照GB/T 1927.19—2021 无疵小试样木材物理力学性质试验方法第19 部分硬度测定[16]，试样尺寸为70 mm×50 mm×50 mm，以（3 ～ 6）mm·min-1的均匀速度将半球形钢压头压入试样的试验面，直至压入5.64 mm 深为止，荷载读数（P）精确至10 N，硬度（H）计算公式为：

1.2.4 木材材色测试 根据物理测色法原理，采用色差计测定试样的反射光谱，在每个样品表面分别测试6 个点平均三刺激值X、Y、Z，再通过计算机进行计算得到明度指数L*、（红绿轴）色度指数a*、（黄蓝轴）色度指数b*的色度学参数[17-19]。

2 结果与分析

2.1 木材密度比对

木材中水分含量与木材密度有密切关系，在不同的水分状态下木材密度有气干密度、全干密度和基本密度等。气干密度是木材气干质量与体积的比值，在实际生产中常作为评估木材质量的依据。基本密度是当木材体积最大时木材实际质量的大小，常用于不同树种的材性比较。绝干密度是木材绝干时的质量与体积的比值，在实际生产中使用较少，但可为研究木材中的孔隙比例提供参考。本研究中刨花楠气干材与水存材的密度测试结果如表1。

表1 刨花楠气干材与水存材的密度测试结果Tab. 1 Density of air-dried and water immersed timber of M. pauhoi

从表1 可知，刨花楠木材经水存处理后密度有明显增大，气干密度由0.455 g·cm-3增大到0.585 g·cm-3，全干密度由0.372 g·cm-3增大到0.534 g·cm-3，基本密度由0.333 g·cm-3增大到0.467 g·cm-3。木材主要由细胞壁和孔隙构成，木材密度是单位体积内木材细胞壁物质的数量，木材细胞壁物质是决定木材强度和刚度的物质基础，木材密度增大表明木材中单位体积内孔隙比例减小，木材细胞壁物质增多，木材结构更致密，木材强度和刚度增高。木材密度与力学性质有密切关系，在实际生产中也可以根据木材密度估计其力学性质，预测比较林木的材质。

2.2 木材干缩性和湿胀性比对

木材具有干缩性和湿胀性，是木材在失水或吸湿时，随着木材内所含水分的变化导致木材尺寸和体积发生变化。木材吸湿时水分子进入细胞壁内与基本纤丝分子链上的游离羟基结合，使分子链之间的距离增大，最终使木材的尺寸变大；木材干缩时相邻分子链上的氢键断裂，脱离水分子，使分子键之间的距离缩小，最终使木材的尺寸变小。刨花楠气干材与水存材的干缩性和湿胀性测试结果如表2。

表2 刨花楠气干材与水存材的干缩性和湿胀性测试结果Tab. 2 Shrinkage and swelling of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

由表2 可知，刨花楠木材的干缩率和湿胀率在不同方向有明显的差异，通常木材的径向干缩率为3% ～ 6%，弦向干缩率为6% ～ 12%，而纵向干缩率很小常可忽略不计。刨花楠气干材的径向和弦向干缩率分别为3.4%和8.0%，水存材的径向和弦向干缩率分别为4.6%和7.0%，径向干缩率略有上升，弦向干缩率则略有下降，体积干缩率变化不明显，说明水存处理对刨花楠木材的干缩性影响不大。刨花楠气干材的径向和弦向湿胀率分别为3.1%和7.5%，水存材的径向和弦向干缩率分别为3.4%和3.5%，经水存处理后刨花楠木材的弦向和体积湿胀率明显下降，径向和弦向的湿胀率相近，木材的尺寸稳定性明显提升。刨花楠气干材的干缩和湿胀基本是可逆的，而水存材则不完全可逆。

2.3 木材硬度比对

木材硬度是指木材抵抗其他刚体压入木材的能力，属木材的工艺性质，与木材加工利用关系密切，可作为选择建筑、家具、地板和模型等用材的依据。刨花楠气干材与水存材的端面硬度测试结果如表3。由表3 可知，刨花楠木材经水存处理后硬度明显增大。木材硬度与密度之间有密切的关系，木材密度对硬度的影响极大，木材密度越大，其硬度越大，这与前文中刨花楠木材经水存处理后密度有明显增大结果相符。木材硬度也是衡量木材强度和刚性的有效指标，木材硬度又与木材种类、构造和处理方法等有关，在实际应用中可根据具体需求进行合理选择。

表3 刨花楠气干材与水存材的硬度测试结果Tab. 3 Hardness of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

2.4 木材材色分析

木材材色是木材表面视觉特征的重要物理量，人们习惯于用明度、色调和色饱和度来描述，采用色度学方法对木材材色进行定量测量。刨花楠气干材和水存材木材表面材色测量结果如表4。由表4 可知，在XYZ 色空间中水存材的三刺激值均比气干材的低，说明经水存处理后色调、明度和色饱和度都有所降低，材色由浅变深。

表4 刨花楠气干材与水存材的色度参数测量值Tab. 4 Chroma of air-dried and water immersed wood of M. pauhoi

为了直观地考察材色在三维色空间的分布特征，将上述材色测量值以三维立体散布图的方式示于图1。在图1 中，立体图表示木材材色测量值在L*a*b*三维色空间的位置，b*值大于a*值，说明黄色成分高于红色成分，木材材色偏于黄色。经水存处理后刨花楠木材的L*值和a*值略有减小，b*值增大，材色由浅变深，并向偏黄方向变化，这与目视观察的结果相吻合。

图1 木材材色测量值在L*a*b*色空间的分布Fig. 1 Distribution of wood chroma values by L*a*b*

为进一步探讨木材材色的变异性，对上述材色参数测量值进行双因素方差分析。方差分析的A 因子为测量点因素（4 个水平），B 因子为经不同保存状态的木材因素（2 个水平），分析结果如表5。从表5 分析结果可知，不同的测量点间的差异不显著，不同保存状态即气干材和水存材之间的差异显著（P＜0.05），不同的保存处理使木材表面视觉特征发生变化，显著影响木材材色参数测量结果。

表5 材色参数双因素方差分析结果表Tab. 5 Two-way ANOVA on chroma

3 结论与讨论

经过水存处理后刨花楠木材的密度和硬度明显增大，木材密度增大表明木材中单位体积内孔隙比例减小，木材细胞壁物质增多，木材结构更致密。

木材抽提物一般含有单宁、树胶、色素、生物碱、可溶性矿物成分、单糖和淀粉等多种化合物[20]，沉积在细胞组织或填充在细胞腔中，对木材密度、材性、加工及利用有影响。木材经水存处理后密度增大，可能是刨花楠中的抽提物与水发生反应形成胶质物附着在木材细胞壁上增加重质量，同时起到胶结作用。

水存处理对刨花楠木材的干缩性影响不大，湿胀率变化明显。经水存处理后刨花楠木材的弦向和体积湿胀率明显下降，径向和弦向的湿胀率相近，木材的尺寸稳定性明显提升。刨花楠气干材的干缩和湿胀基本是可逆的，而水存材则不完全可逆。

经水存处理后的刨花楠木材，在XYZ 色度空间内色调、明度和色饱和度都有所降低，在L*a*b*色度空间内L*值和a*略有减小，且a*范围变小，b*增大，材色由浅变深，并向偏黄方向变化。