任豆木材材性分析及綜合開發(fā)利用概述

陳桂丹，梁瑞龍，黃騰華

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院， 南寧 530002)

任豆木材材性分析及綜合開發(fā)利用概述

陳桂丹，梁瑞龍，黃騰華

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院， 南寧 530002)

本文通過對任豆木材的基本材性及其材質(zhì)優(yōu)缺點進行分析，探討任豆木材的改性處理方式，并提出綜合開發(fā)利用的方法。

任豆；材性；改性；開發(fā)利用

任豆(Zenia insignis)又名翅莢木、任木、砍頭樹，蘇木科任豆屬速生落葉大喬木，國家Ⅱ級保護野生植物。任豆對環(huán)境有較強的適應能力，萌芽能力強，根性深，側(cè)根粗狀發(fā)達，穿透力強，可在石縫中生長，是石漠化治理主要造林樹種，在我國南方石山地區(qū)得以大面積種植，主要分布于我國中亞熱帶至北熱帶之間的廣西、廣東、湖南、云南、貴州等地[1]。

任豆在石灰?guī)r地區(qū)種植，可以涵養(yǎng)水源，保持水土，調(diào)節(jié)氣候，改善生態(tài)環(huán)境，具有良好的生態(tài)價值[2]。任豆生長迅速，造林容易，種植約15 a就可砍伐，且樹形高大通直，其木材是極具經(jīng)濟價值和開發(fā)潛力的短周期工業(yè)用材。目前發(fā)現(xiàn)最大任豆樹是在靖西縣合山鄉(xiāng)三魯村石山，樹齡約270 a，樹高49.5 m，胸徑1.9 m[3]。當前任豆木材綜合利用率不高，不少地區(qū)僅把其作為薪材使用，不能充分發(fā)揮其經(jīng)濟價值，造成資源的極大浪費。為合理開發(fā)利用任豆這一南方珍貴速生樹種木材，本文通過對任豆木材主要材性進行分析，并參考相關研究，提出對其進行開發(fā)利用的方法和途徑，以期為該樹種木材的綜合利用提供參考。

1 任豆木材主要材性

1.1 基本構造特征

宏觀構造特征：心邊材區(qū)別略明顯，心材淡紅色，邊材淺黃褐色。生長年輪明顯至略明顯，寬度不均勻。散孔材，管孔在肉眼下可見，分布均勻。軸向薄壁組織豐富，在肉眼下明顯，呈傍管帶狀。木射線稀少，極細至略細。在肉眼下徑切面上射線斑紋略明顯；波痕及胞間道未見。無特殊氣味和滋味。紋理直，結(jié)構粗。

微觀構造特征：單管孔，少數(shù)2～3個徑列復管孔，部分管孔內(nèi)含樹膠。管間紋孔式互列，單穿孔。軸向薄壁組織環(huán)管帶狀、翼狀、聚翼狀及環(huán)管狀，薄壁組織帶寬2～6細胞。木射線疊生，單列或?qū)α猩渚€較少，多列射線寬2細胞，高4～12細胞。射線組織異Ⅲ型，少數(shù)異Ⅱ型。射線細胞內(nèi)含樹膠。

1.2 纖維形態(tài)特征

余光等[4]對福建省南靖縣紫膠站引種的10 a生任豆木材進行了測定，任豆木材纖維形態(tài)具有明顯的闊葉材特征，纖維平均長度為1.01 mm，纖維寬度為23.1 μm，長寬比43.7，和白樺(Betula platyphylla)、大葉桉(Eucalyptus robusta)等造紙原料相關指標相當。侯倫燈等[5]對福建省永安市東坡林場的任豆木材進行了分析，導管平均弦徑184 μm；纖維長度0.91～1.49 mm；纖維寬度15.0～18.0 μm；長寬比50.6～99.3。柳新紅等[3]對湖南5 a生任豆木材的纖維形態(tài)特征與同樹齡桉樹進行比較，5 a生任豆木材纖維長度、寬度分別為1.01 mm、19.6μm，纖維長寬比為52，纖維長度和寬度均大于赤桉(E.camaldulensis)、尾葉桉(E.urophylla)等多種桉樹。根據(jù)國際木材解剖學會對闊葉樹材纖維長度的評等規(guī)定，任豆木材纖維長度屬中等(900 ～1 600 μm)，長寬比也大于40，因此是理想的纖維材料。

1.3 主要物理力學性能

侯倫燈等[5]對任豆木材物理特性進行了測定，絕對含水率為19.4%，全干密度為0.335 g·cm-3，氣干密度為0.378 g·cm-3，基本密度為0.314 g·cm-3，6 h的吸水率為45.6%，24 h的吸水率為178.5%。余光等[4]對任豆木材硬度進行了測定，端面硬度49.0 MPa，弦面硬度32.4 MPa，徑面硬度為38.0 MP，硬度偏小，但比白樺(Betula platyphylla)和楊樹(Populus spp.)硬度略高。

1.4 主要化學組分

余光等[4]對10年生任豆木材化學組分進行了測定，纖維素含量50.11%，屬于高含量的范疇；木素含量22.01%，屬中等水平。該兩項指標與白樺、大葉桉指標接近。侯倫燈等[5]的測定結(jié)果為：纖維素48.72%，戊聚糖25.65%，木質(zhì)素20.35%，1%NaOH抽出物14.34%，熱水抽出物3.8%，有機溶劑抽出物2.42%，灰分0.48%。

1.5 燃燒性能

任豆木材燃燒性能好，煙少火旺，燃燒值達17 614 KJ·kg-1，與木荷(Populus spp.)燃燒值(17 686 KJ·kg-1)相當，略高于桑樹(Morus alba)燃燒值(16 720 KJ·kg-1)[3]。

2 任豆材質(zhì)特點

2.1 材質(zhì)優(yōu)點

任豆木材材質(zhì)優(yōu)點，表現(xiàn)在：(1)實木質(zhì)感好，心材顏色淺紅，花紋美觀，色澤高貴淡雅，裝飾性能較好，可用于仿制高檔紅木家具；(2)木質(zhì)均勻，木材收縮率低，制品尺寸穩(wěn)定；(3)加工性能良好，切削容易，切面光滑，膠合性好；(4)著色容易，易與其他木材色調(diào)相搭配，油漆涂飾性能良好。

2.2 材質(zhì)缺點

任豆木材材質(zhì)缺點，表現(xiàn)為：(1)密度低，硬度小，材質(zhì)輕軟，不宜直接用作承重材；(2)生材含水率高，新砍伐木材易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；(3)材質(zhì)疏松，耐久性差，采伐后如果不及時進行處理，易發(fā)生變色、發(fā)霉和腐朽等缺陷。

3 任豆木材處理及改性方法

3.1 干燥處理

為避免任豆木材產(chǎn)生變色、發(fā)霉、腐朽等缺陷，需對所鋸制的板材及時進行干燥處理。李本貴等[6]通過百度試驗法研究了任豆木材的干燥特性，試樣尺寸為20 cm×10 cm×2 cm，四面刨光，試驗得出任豆木材干燥性能良好，初期干裂和內(nèi)裂級別分別為1級，截面變形為2級，扭曲值3級，干燥速度4級，通過試驗得到了合理的干燥基準：(1)干燥初期溫度為70℃；(2)干燥初期的干濕球溫度差為4℃；③干燥末期溫度為90℃。在實際生產(chǎn)中，可參考上述基準進行窯干試驗并作適當調(diào)整，并運用到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。

3.2 強化處理

木材的強化處理是指應用物理或化學方法，提高木材密度，使木材強度、硬度得到增加。任豆木材材質(zhì)輕軟，強度較低，通過進行強化處理可增強材性、提升檔次，對擴大其使用范圍具有重要意義。國內(nèi)關于這方面研究最多的是浸漬處理和壓縮處理[7]。利用已開發(fā)的處理技術，并結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有對其它材質(zhì)相似樹種的研究經(jīng)驗，開展針對性的研究將會取得巨大收獲。

3.2.1 浸漬處理 木材浸漬是指將木材浸泡在水溶性低分子量樹脂溶液中，樹脂通過擴散進入木材細胞壁，而使木材增容，然后經(jīng)干燥除去水分，最后加熱使樹脂固化的木材改性技術[8]。傅婷等[9]采用松香和紫膠的甲醇溶液對思茅松(Pinus kesiya)現(xiàn)代木材進行常壓浸漬處理，經(jīng)處理后基本密度、尺寸穩(wěn)定性均得以顯著提高，木材順紋抗壓強度、抗彎強度及抗彎彈性模量都有不同程度的提高。稀土的注入對提高楊樹硬度也有良好的增強效果[10]。采用改良的脲醛樹脂處理杉木(Cunninghamia lanceolata)間伐材做地板木，處理后的杉木間伐材物理力能提高，符合了地板木尺寸穩(wěn)定、硬度、耐磨等性能的要求[11]。采用聚乙烯樹脂(PP)處理云杉(Picea asperata)木材，硬度增加約30%，耐磨性增大8倍，抗彎強度增加約20%[12]。將旱冬瓜(Alnus nepalensis)、楓香(Liquidambar formosana)、煙苞木、西南樺(Betula alnoides)4種云南常見輕質(zhì)木材，用改性單體苯乙烯(ST)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)在50℃條件下進行減壓浸漬，然后在高頻高壓電子加速器上按設定的輻射劑量進行輻射處理，經(jīng)過改性，木材的密度、硬度和壓縮強度均可提高50%～100%[13]。參照思茅松、楊樹、杉木等樹種的浸漬處理方式對任豆木材進行改性，將能有效增強其材性。

3.2.2 壓縮處理 木材壓縮是指通過熱壓處理，制成質(zhì)地堅硬、密度大、強度高的材料的改性技術。木材經(jīng)壓縮密實后，其組織構造、物理力學性質(zhì)都發(fā)生了重大變化，力學強度增強，木材變形將變小，耐磨性、耐久性好，從而有效地改善了木材的性能，提高了木材的利用價值。經(jīng)壓縮處理的軟質(zhì)人工林木材，可以代替普通硬質(zhì)甚至高檔闊葉樹材[8]。目前世界上大多采用的是橫向壓縮技術，在進行木材橫向壓縮時，壁薄腔大的早材管胞發(fā)生變形被壓密實，木材密度得到了提高而且應力較小，而晚材管胞幾乎不變，早材管胞的變形從表層到中心層幾乎一致，基本消除了木材材性的不均勻性[14]。陳玉和等用泡桐(Paulownia fortunei)進行熱壓實驗，結(jié)果表明，試材含水率為13.89%，熱壓溫度為190℃，時間為8 min，壓縮木的回彈率較小，尺寸穩(wěn)定性提高，表面密度增強，實驗結(jié)果較理想[15]。杉木速生材經(jīng)過熱壓制成壓縮木后，不僅保留了木材本身的結(jié)構特性，而且密度增大，物理力學性能得到很大提高[16]。如對任豆木材進行高溫壓縮處理，其密度、強度及硬度等性能可顯著提升。

3.2.3 浸漬+壓縮處理 浸漬+壓縮處理是浸漬處理和壓縮處理兩種方式的結(jié)合，處理效果更優(yōu)。沈曉玲等[17]用天然有機物改性劑對杉木進行真空加壓浸漬，然后再進行熱壓，結(jié)果表明：處理后試件平均氣干密度增加了30%～100%；端面硬度提高了45%～144%；弦面硬度提高了23%～123%；徑面硬度提高了21%～225%；順紋抗壓強度提高了45%～134%；抗彎強度提高了35%～59%；抗彎彈性模量提高了35%～186%，處理效果理想。

4 任豆木材綜合開發(fā)利用

4.1 制作實木家具

近年來，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，對家具材料的追求更加注重天然化和實木化。目前市場上常見的實木家具多是采用紅酸枝(Dalbergia cochinchinensis)、花梨木(Dalbergia odorifera)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、櫸木(Zelkova schneideriana)、榆木(Ulmus pumila)等中高檔硬木樹種為原材料，少部分中低檔家具采用楊樹、松樹、楓香等速生軟質(zhì)木材。速生林木材由于生長速度快，具有材質(zhì)軟、密度小、強度低等缺點，用其制作出來的家具強度不夠，易變形，使用壽命短，一般適宜做硬木家具的擋板、抽屜里板等附料，未經(jīng)改性處理的任豆木材亦可用于該方面。孫德林等[18]在利用速生材設計實木家具結(jié)構上也開展了研究，根據(jù)速生材的基本特性，結(jié)合現(xiàn)代家具的設計與制造技術，研究得出通過嵌入木楔和改變榫孔的形狀的方式，諸如采用木模、梯形榫孔、塞角、彈簧墊圈等多種方法來增強結(jié)構和家具零部件的連接，該研究進一步擴展了任豆等速生材在實木家具中的應用范圍。近些年來，紅木資源遭大量砍伐及使用，再加上國際環(huán)保組織制定了一系列的限制措施，致使紅木資源嚴重緊缺。由于任豆木材顏色與紅木顏色相仿，經(jīng)過強化處理的任豆木材物理力學性能得到大幅度提升，可用于制作仿紅木家具，迎合市場需求，且該原料來源廣泛，產(chǎn)品價格會大大低于紅木家具，市場前景廣闊。

4.2 加工裝飾薄木

隨著家具和木制品生產(chǎn)中各種木質(zhì)人造板的應用，需要采用各種貼面作表面裝飾處理。裝飾薄木是家具制造與室內(nèi)裝修中最常采用的一種木質(zhì)高級貼面材料。裝飾薄木是木材經(jīng)一定的加工或處理后，再經(jīng)過刨切或旋切成厚度一般小于0.8 mm的表面裝飾材料。裝飾薄木按結(jié)構可分為天然薄木、集成薄木和人造薄木[19]。天然薄木與集成薄木一般都需要珍貴木材或質(zhì)量較高的木材，生產(chǎn)上受資源限制較大，因此，出現(xiàn)以普通樹種制造高級裝飾薄木的人造薄木工藝技術。它是用一般樹種的木材單板經(jīng)染色、層壓和模壓后制成木方，再經(jīng)刨切而成。人造薄木可仿制各種珍貴樹種的天然花紋，也可制出天然木材沒有的花紋圖案。任豆來源廣泛，生長迅速，徑級較大，紋理通直，質(zhì)地均勻，易于切削，涂飾、膠合性能好，是制作人造薄木的理想樹種。任豆木材加工的人造薄木可用作刨花板、中密度纖維板、膠合板等人造板材的貼面材料，也用于家具部件、門窗、樓梯扶手、柱、墻等的飾面和封邊，大大提高其經(jīng)濟價值。隨著國家禁伐措施和天然林保護政策的實施，可利用的珍貴樹種日漸減少，使得人造薄木成為天然裝飾材料的替代品，將具有廣闊的開發(fā)潛力。

4.3 制作單板層積材

單板層積材(LVL)是用旋切的厚單板，經(jīng)施膠、順紋組坯、施壓膠合而得到的一種結(jié)構材料。單板層積材是近年來從膠合板生產(chǎn)工藝中派生出來的一種結(jié)構功能人造板材料，其強度高，韌性大，穩(wěn)定性好，最大程度地再現(xiàn)了木材各項異性的特點，在結(jié)構受力時木材的縱向強度可以得到充分利用，從而減少非受力方向木材資源的浪費，提高木材原料的利用率，在板子密度較低情況下仍可獲得較大的縱向強度，比實木鋸材在強度、韌性方面提高了3倍，且出材率可達60%～70%[20]。速生任豆木材強度低、密度小，利用其生產(chǎn)單板層積材可代替大徑級原木鋸制的大規(guī)格鋸材，可實現(xiàn)其高效利用。侯倫燈等[5]開展了任豆阻燃單板層積材的試制試驗，阻燃劑使用自行研制的有機樹脂類型阻燃劑，試制過程中采用低溫浸泡(50～60 ℃溫水)軟化處理木段，避免旋切厚單板產(chǎn)生背面裂隙，最終所加工出來的單板層積材物理力學和阻燃性能優(yōu)良，可進行大規(guī)模實際生產(chǎn)。任豆木材單板層積材可用做彎曲木家具、高檔家具臺面的芯材或框架、門窗構架、內(nèi)部墻壁支柱和門窗框、樓梯等建筑部件。目前，單板層積材在美國、加拿大、日本等國有著較高的利用率，我國目前使用相對較少，但隨著優(yōu)質(zhì)木材的日益減少，利用速生材生產(chǎn)的單板層積材將會越來越受到重視[21]。

4.4 加工中密度纖維板和刨花板

任豆樹生長迅速，砍伐周期短，豐產(chǎn)，出材量高，纖維長度適中，是加工中密度纖維板和刨花板的理想原料，充分利用其枝丫材及林木“三?！蔽铮蓪崿F(xiàn)資源的綜合利用。目前侯倫燈等[13]以任豆木材為加工原料試制阻燃中密度纖維板、刨花板已成功，采用低溫蒸煮軟化(135～160 ℃)熱磨制漿工藝，保證纖維漿質(zhì)量和制漿得率，并減少任豆木材熱解產(chǎn)物和可溶物的含量，同時加強纖維防水性能的處理，使得中密度纖維板的物理力學性能得以穩(wěn)定和提升；在試制刨花板過程中使木段含水率在保持在40%～60%范圍內(nèi)，所得刨花形態(tài)、刨花長度和厚度尺寸比較均勻，刨花表面光滑，質(zhì)量較好。試驗結(jié)果表明任豆木材適合用于生產(chǎn)普通或者特種功能中密度纖維板和刨花板的生產(chǎn)，且生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低、產(chǎn)品物理力學性能優(yōu)良，經(jīng)阻燃處理性能理想，建議人造板生產(chǎn)企業(yè)積極推廣應用[22]。

4.5 制漿造紙

任豆木材纖維長度中等，長寬比大于40，軟硬適中，是優(yōu)良的造紙原料。福建金清遠豐產(chǎn)(造紙)基地有限公司對任豆木材的各種造紙指標進行測試表明，其出漿率比桉樹高，該公司在廣東陽上已將該樹種作為紙漿豐產(chǎn)林的首選造林樹種[3]。此外，任豆樹生長迅速，據(jù)測算5 a生任豆樹高12 m，胸徑17 cm，平均年輪寬3.4 cm[23]，推廣和應用這一樹種必將具有廣闊的實際應用前景。

4.6 開發(fā)生物質(zhì)固體燃料

任豆樹具有良好的萌芽更新能力，萌株生物量大，更新周期短，木材燃燒值高，是理想的生物質(zhì)固體燃料原料。據(jù)統(tǒng)計，在6 a生頭木林中，每公頃1 200～1 350株計，4 a為一輪伐期，每伐一次可砍干柴73.5 t[3]。任豆樹造林容易，投資少，見效快，是石灰?guī)r地區(qū)燃燒能源林的理想樹種。

4.7 木屑栽培食用菌

任豆木材中含有豐富的木質(zhì)素、纖維素等營養(yǎng)物質(zhì)，并且所含的氮素比一般樹種稍高，且無油脂、無芳香，是海鮮菇、香菇、黑木耳、銀耳等食用菌栽培的良好的材料。王軍峰等[24]采用不同配方對任豆木屑進行袋料香菇栽培試驗，結(jié)果表明，任豆木屑可以作為香菇栽培基質(zhì)使用。福建省順昌縣林技中心以任豆木材替代其它樹種原料作培養(yǎng)基輔料成功培育出了海鮮菇[25]。

5 展望

任豆樹適應性強，易于繁殖，是我國南方短周期工業(yè)原料林建設和石山美化綠化的理想樹種。任豆木材具有花紋美觀、木質(zhì)均勻、加工性能良好等優(yōu)點，無論是任豆原木、鋸材，還是枝丫材、加工剩余物、次小薪材，甚至是木屑，均有著廣闊的開發(fā)利用空間，不僅可開發(fā)應用于家具、裝飾薄木、單板層積材、中密度纖維板、刨花板、生物質(zhì)固體燃料等產(chǎn)品的加工制造，還可用于制漿造紙，此外木屑可用于栽培食用菌，具有巨大的經(jīng)濟價值。

目前國內(nèi)對任豆樹的種子育苗和引種造林技術已有較多研究，但木材材性方面研究不夠全面，改性處理技術研究尚未開展，綜合開發(fā)利用較少，資源浪費率高。建議加大對任豆木材的研究和開發(fā)力度，提升林農(nóng)及木材加工企業(yè)對任豆木材價值的認識，充分合理利用任豆木材資源，實現(xiàn)任豆經(jīng)濟價值最大化的同時緩解我國林木資源供需緊張的矛盾。

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Wood Properties and Comprehensive Development of Zenia insignis

CHEN Gui-dan , LIANG Rui-long , HUANG Teng-hua

(ForestryInstituteofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Nanning,Guangxi530002)

The basic wood properties of Zenia insignis and its advantages as well as shortcomings were analyzed.The methods for wood modification and comprehensive development were discussed.

Zenia insignis; wood properties; modification; development and utilization

2015-03-10 基金項目：廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2010]6號)

陳桂丹(1986-),女，廣西荔浦人，工程師，主要從事木材識別和材性研究。

S781.6

A

1001-2117(2015)05-0071-05