3种湿度对梓木木材性能的影响

王 珂，吴 涛，周和荣，赵 阳，方北松，朱诗宇

（1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉 430081；2.荆州文物保护中心，湖北荆州 434000）

梓木（Catalpaovata）木材是江南四大名木之一，材质优良，轻而耐朽，纹理美观带光泽，可做装饰部件，是木胎漆器、乐器等的优质材料[1]。在博物馆存放过程中，考古出土的梓木文物受光照、温度和湿度影响，会发生变形、翘曲、开裂和糟朽等现象[2-4]。研究自然环境因素对梓木木材性能的影响对文物保护至关重要。

温度、湿度、光辐射和微生物等是木质文物劣化的主要环境影响因素，其中湿度和温度变化对木材的影响较大。王雪亮等[5]基于miner 线性损伤累积理论，建立以年为时间单位的木构件长期损伤累积模型，可研究长期温、湿度变化对木结构损伤率的影响；杨小军等[6]发现湿度为95%时，木材复合材界面等湿热应变受温度影响较小，与温度变化趋势一致，界面表现为热胀冷缩；Klüppel 等[7]发现海水循环浸润会严重降低樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）胶合板有限跨度拉伸强度（简称f强度），软化水循环浸润不会降低f强度；Hess 等[8]采用计算模拟预测特定环境条件（相对湿度、温度）下的防潮木材-聚合物复合物配方。关于湿度对梓木木材性能影响的相关研究较少。本研究以梓木木材为研究材料，研究不同湿度条件下梓木木材性能变化规律，分析梓木在不同湿度环境下的劣化机理，为梓木文物保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为购买自安徽大别山山区的梓木板材，含水率为9%。将购买的梓木板材加工成18 片试样，其尺寸规格为120 mm×15 mm×4 mm，选取颜色正常、无结疤、无开裂、无腐朽和纹理通直的试样用于试验。

1.2 增重率和失重率分析

设备为HSB-150L 湿热试验箱。依据GB/T 2423.3—2016/IEC 60068-2-78：2012[9]开展试验。试验温度为（25 ± 2）℃，主要模拟博物馆馆藏环境温度；湿度分别为60% RH（Relative Humidity，相对湿度）、85% RH 和95% RH（湿度差控制在3%）；试验时间为720 h（30 天）。采用游标卡尺（精确至0.1 mm）测量试样尺寸；采用分析天平（精确至0.1 g）称量试样质量，每次称量3片。

试验前，将试样分组编号，称量质量，记为m0；随后放入湿热试验箱，分别在第5、10、15、20、25 和30 天取出试样，称量质量，记为m1。若增重率为负值，绝对值称为失重率；值越接近0，失重率越小。试样增重率（w，%）计算公式为：

1.3 色差分析

采用SC-10 色差仪测量试样色差；依据CIE Lab 表色系评估试样颜色变化；采用各色度参数的前后差异（ΔL∗、Δa∗和Δb∗）表示试样主要颜色变化，总色差（ΔE*）表示试样总体颜色变化。计算公式[10]为：

1.4 形貌变化分析

采用Nikon数码相机（D5300）拍照，记录试验过程中试样表面宏观形貌变化；采用场发射扫描电子显微镜（Nova400NanoSEM，FEI 香港有限公司）观察试样表面中部位置的微观形貌；试验前，试样表面采用喷金处理。

1.5 X射线衍射（XRD）分析

采用X 射线衍射仪（X' Pert PRO，荷兰帕纳科公司）观察试样表面纤维素结晶度变化。测试条件为铜靶X 射线源（Cu-Ka），管电压40 kV，管电流40 mA。采用MDI Jade 6 软件处理数据。

1.6 红外光谱测试

采用傅里叶变换显微红外光谱仪（Nicolet iN10，赛默飞世尔科技公司）测量红外光谱。水平ATR 样品槽为ZnSe 晶体，45°水平入射角；光谱采集范围为4 000～500 cm-1，扫描64次。

2 结果与分析

2.1 增重率分析

60% RH条件下，梓木试样失重率呈先降后升的趋势；85% RH 和95% RH条件下，梓木试样增重率均呈先降后升的趋势，第30 天后，梓木试样增重率分别稳定在3%和10%左右（图1）。95% RH 条件下，增重率明显高于85% RH条件。

图1 梓木试样在不同湿度条件下增重率变化Fig.1 Changes of weight gain rates of C.ovata samples under different humidity conditions

2.2 试样色差分析

随时间增加，60% RH、85% RH 和95% RH 条件下，ΔE*均呈上升趋势（图2a）。根据美国国家标准局规定的色差值大小与视觉色差感觉之间的对应关系[11]，梓木试样的ΔE*在60% RH 条件下变化为可察觉，85% RH 条件下为可识别，95% RH 条件下为变化大。随时间增加，60% RH 条件下，ΔL*增加；85% RH和95% RH条件下，ΔL*均降低（图2b）。

图2 不同湿度条件下梓木试样色差变化Fig.2 Changes of color difference of C.ovata samples under different humidity conditions

2.3 内部形貌变化

试验前，细胞结构完整，无破坏（图3a）。不同湿度条件下，第5 天取样时，细胞结构均完整，无任何塌陷变形现象（图3b～d）；第30 天取样时，60% RH 条件下，细胞结构较轻微变形（图3e）；85% RH 条件下，细胞吸收空气中的水分，结构充盈饱满（图3f）；95% RH 条件下，细胞结构饱满，排列整齐（图3g）。

图3 不同湿度条件下梓木试样细胞结构电镜图Fig.3 SEM figures of cell structures of C.ovata samples under different humidity conditions

2.4 XRD分析

试验前与试验后，梓木试样（002）晶面角度为22°附近，结晶区面积变大（图4）。第30 天，随湿度增加，相对结晶度增大；95% RH条件下，试样相对结晶度最大（60.86%）（表1）。

表1 不同湿度条件下梓木试样30天时相对结晶度变化Tab.1 Relative crystallinity degree changes of C.ovata samples at 30 d under different humidity conditions

图4 不同湿度条件下梓木试样30天时的XRD曲线Fig.4 XRD curves of C.ovata samples at 30 d under different humidity conditions

2.5 红外光谱曲线分析

梓木试样在3 400 和2 884 cm-1处吸收峰为OH和CH2伸缩振动峰，1 734 cm-1处吸收峰为半纤维素乙酰基和羧基C=O伸缩振动峰，1 162 cm-1处吸收峰为半纤维素和纤维素C-O-C 伸缩振动峰，1 020 cm-1处吸收峰为纤维素、半纤维素C-O 反对称伸缩振动峰，1 364 cm-1处吸收峰为纤维素乙酰基C-H伸缩振动峰，1 590、1 512 和1 459 cm-1处吸收峰为苯环骨架C=C 伸缩振动峰，1 317 cm-1处吸收峰是木质素C-O伸缩振动峰，1 242 cm-1处吸收峰是半纤维素C-O伸缩振动峰[12-15]。

60% RH 条件下，第5 天，3 400 cm-1处OH 吸收峰和1 020 cm-1处C-O 吸收峰强度降低；第10 天，3 400 cm-1处OH 吸收峰和1 020 cm-1处C-O 吸收峰强度增加（图5a）。其他吸收峰强度变化不明显。

85% RH 条件下，3 400 cm-1处OH 吸收峰、1 020 cm-1处C-O 吸收峰、1 242 cm-1处C-O 吸收峰、1 512 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰和1 734 cm-1处C=O 吸收峰均较强；第15 天，3 400 cm-1处OH 吸收峰强度显著增加；随时间增加，1 020 cm-1处C-O 吸收峰强度降低；1 242 cm-1处C-O 吸收峰、1 512 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰和1 734 cm-1处C=O 吸收峰强度均变化不大（图5b）。

在95% RH 条件下，随时间增加，3 400 cm-1处OH 吸收峰强度逐渐增加；1 512 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰强度变化不大，但比85% RH 条件下同一时间下更强烈；1 590 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰强度逐渐降低，比85% RH 条件下同一时间下更强烈；1 734 cm-1处C=O 吸收峰强度在第5 天时增加，第10天后降低（图5c）。

3 讨论与结论

本研究中，在60% RH 条件下，梓木试样失重率呈先降后升的趋势；第30 天后，木材细胞结构因试样失水发生干缩现象。原因可能是梓木试样发生水的解吸过程，表面失水，质量降低；第10 天，梓木试样吸水，质量增加，但质量低于初始质量，失重率降低；第10 天后，质量持续降低，失重率增加。85% RH 和95% RH 条件下，梓木试样增重率均呈先降后升趋势；第30 天，细胞结构均充盈饱满。原因可能是第5 天时，梓木试样表面吸水，质量增加；第10 天时，梓木试样表面含水量与空气中含水率接近，试样增重率降低；第10 天后，试样材心吸水，试样质量增加，增重率也增加。

XRD 结果显示，试验后，梓木结晶区半峰宽变窄，衍射角基本没有发生变化，表明层间距没有变化，说明空气中水分主要影响梓木纤维素非结晶区。在较高湿度条件下，梓木纤维素微纤丝非结晶区的OH 基团增加，表面活性增强，纤维素微纤丝非结晶区趋于有序化，同时纤维素结晶区表面裸露的羟基增多，纤维素微纤丝氢键结合增强，细胞壁纤维素微纤丝结晶区宽度变大。随着半纤维素降解，特别是纤维素非结晶区断裂，形成更多的OH，这些OH 发生“桥联作用”形成C-O-C，纤维素链更加有序化，提高梓木结晶度[16]。

木材的颜色是木材对波长为380～780 nm 的可见光照射、吸收、反射或透射的结果，由木材本身的结构及化学成分决定。化学成分中的木质素含量变化是木材变色的重要原因，木质素中的C=O、苯环等发色团和OH 等助色团与木材中的一些碳氢化合物发生特殊反应，吸收不同波长的可见光[17-19]，使木材颜色发生变化。在湿度环境中，半纤维素发生降解，同时脂肪酸、脂肪和酚类等物质随水分迁移到试样表面，木质素等不稳定物质和空气中水分结合发生水解，产生含有发色基团的糠醛物质，使木材颜色改变[17]。本研究中，60% RH 条件下，随时间增加，试样失水，质量降低，OH 基团减少，明度增加；85% RH 条件下，随时间增加，1 020 cm-1处C-O吸收峰强度降低，1 512 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰强度变化不大，3 400 cm-1处OH吸收峰强度有波动，但强度均较强，发色基团含量较高，OH 和C=O 作为助色基团含量也均较高，木材明度降低；95% RH 条件下，试样明度指数比85% RH 条件下低，原因是1 590和1 512 cm-1处苯环骨架C=C 吸收峰比85% RH条件下相同时间的吸收峰振动更强烈，1 734 cm-1处C=O吸收峰强度较强，木材明度明显降低。

梓木木材的实际使用环境远比试验环境复杂；本研究只讨论湿度对梓木木材性能的影响，未考虑不同温度及光照环境的影响。今后的研究可以针对不同温度及光照环境对梓木木材的影响开展研究，为梓木的保存及使用提供参考。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：王珂负责研究计划制定、文献检索、数据分析和论文撰写；吴涛负责数据收集；周和荣负责论文修改；赵阳、方北松和朱诗宇负责检测平台联系。