干燥溫度對紅錐樹盤材色變化及干燥缺陷的影響

劉光金，賈宏炎，徐建民

(1 中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)實驗中心,廣西 憑祥 532600;2 中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)研究所,廣東 廣州 510520)

干燥是木材工業(yè)加工利用的重要環(huán)節(jié)，其目的在于改善木材物理性能，提高木材穩(wěn)定性，增強木材耐腐蝕性和耐氣候性等[1-2]。干燥過程中，溫度、時間、抽提物水解及氧化等均會引起木材材色的變化[3-4]。而木材材色變化及其穩(wěn)定性關(guān)乎木制品的外觀質(zhì)量，進而影響木制品價值[5-6]，因此備受學者關(guān)注。Berrocal等[7]有關(guān)柚木(TectonagrandisLinn. f.)干燥過程中材色變化的研究表明，亮度L*變化最大，其次是色度b*，色度a*變化最小。Bekhta等[8]分析了榿木(AlnusglutinaosaGaertn.)、山毛櫸(FagussylvatiaL.)、疣皮樺(BetulaverrucosaEhrh.)和樟子松(PinussylvesrrisL.)木材材色的熱變化，發(fā)現(xiàn)色度a*較亮度L*和色度b*變化顯著。Kaygin等[9]分析了蘭考泡桐(PaulowniaelongateS. Y. Hu)木材材色的熱變化，發(fā)現(xiàn)木材亮度L*減少，而色度a*和色度b*增加。由此可見，隨著熱干燥的進行，木材亮度L*、色度a*和色度b*等性狀均會發(fā)生明顯變化，有可能降低用材樹種木材材色的穩(wěn)定性和勻質(zhì)性，進而影響其裝飾性能和外觀美感。因此，開展干燥對木材材色變化影響的研究,對于木材的高價值利用有重要意義。

將原木加工成樹盤，木材利用接近零損耗，是充分高效利用木材資源的新工藝、新技術(shù)之一，且樹盤截面材色佳、紋理美觀，尤其是以高價值珍貴樹種原木為材料制作而成的工藝品，視覺美感誘人，藝術(shù)價值極高[10]。然而，原木樹盤干燥過程中易產(chǎn)生端裂，制約了該工藝的推廣與利用?；诖耍芯空唛_展了樹盤干燥特性的研究。Kubler等[11]及Wilhelmy等[12]采用有限元分析方法，解析了端面生長應力分布。Kang等[13]及Lee等[14]通過高頻真空干燥樹盤，探討了心邊材含水率變化及其干燥特性。一些學者則進一步專注于研發(fā)高品質(zhì)干燥工藝，抑制或減緩樹盤開裂，如Choi等[15]采取移除或封閉邊材措施，減少心邊材含水率差異，從而達到抑制干燥開裂的目的。Yang等[16-17]使用NaCl處理樹盤，以大幅減少開裂。以上研究增進了對于樹盤干燥開裂特性的認識，并優(yōu)化其干燥工藝，有效地減少了干燥過程中由木材干縮而產(chǎn)生的開裂，有助于珍貴木材的加工利用。

紅錐(CastanopsishystrixA.DC)是我國珍貴工業(yè)用材樹種，其木材色澤紅潤、紋理美觀，非常適宜制作高檔裝飾品、高價值家居和工藝品，具有較高的經(jīng)濟價值和藝術(shù)價值[18]。紅錐木材內(nèi)應力大，在干燥過程中極易開裂和變形[19]。優(yōu)化干燥工藝，減少開裂和變形，改善木材性能，已成為紅錐加工利用迫切需要解決的問題。呂建雄等[20]分析了紅錐人工林鋸材南北向、不同高度和不同徑向的干縮性能，發(fā)現(xiàn)南北向、不同高度和不同徑向?qū)t錐干縮影響均不顯著。刁海林等[21]采用強制氣流循環(huán)式干燥窯開展了紅錐鋸材干燥中試，并制定了中試干燥基準。然而干燥過程中，紅錐心材、邊材材色變化及其穩(wěn)定性和樹盤干燥缺陷的研究尚未見報道。為此，本研究以39年生紅錐人工林為對象，分析干燥過程中紅錐樹盤心材、邊材材色變化及其裂紋數(shù)目、長度和寬度等干燥缺陷，旨為紅錐木材干燥工藝及其高價值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心哨平實驗場(106°51′ E，22°02′ N)，海拔200～500 m，低山丘陵地貌。該地屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，雨熱同期，非常適宜紅錐人工林生長。年均溫度為19.9～21.5 ℃，年降水量1 200～1 550 mm。土壤為紫色土，其成土母巖為紫色砂巖，土層深度1 m以上。

1.2 樣地調(diào)查

于2019年10月，選取39年生紅錐人工純林，沿山體等高線，設置20 m×30 m樣地5塊。對樣地內(nèi)所有紅錐每木檢尺，使用胸徑尺測定胸徑，超聲波測高器(Vertex Ⅳ,Sweden)測定樹高和枝下高。各樣地信息見表1。

表1 5塊紅錐人工林樣地概況

1.3 樹盤解析

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，每塊樣地擇選1株優(yōu)勢木，共對5株優(yōu)勢木進行樹干解析。解析木標記北方向后，定向伐倒。使用油鋸在距干基2 m處依次截取主干材樹盤 4個，樹盤厚度為3～5 cm，共計20個，標號后使用保鮮膜緊密包扎帶回實驗室。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理；采用三次曲線擬合干燥時間與樹盤含水率及心材、邊材材色熱變化的關(guān)系模型；使用SPSS 19.0單因素方差分析，探究干燥溫度對紅錐心材和邊材裂紋數(shù)目、裂紋長度和裂紋寬度等干燥缺陷的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程中紅錐樹盤含水率的變化

紅錐樹盤初始含水率為74.13%，氣干含水率為14.11%。由圖1可見，60，80和120 ℃ 3種干燥溫度下，紅錐樹盤含水率均隨干燥時間增加快速減小，3條曲線擬合度R2均高于0.989，較好地反映了干燥時間與樹盤含水率之間的關(guān)系。根據(jù)含水率的動態(tài)變化，將木材含水率變化過程分為3個階段：0～8 h，為急劇失水階段，該階段3種溫度干燥處理失水量占初始值的比例分別為54.42%，52.13%和63.95%；10～22 h，為緩慢失水階段，此階段3個處理失水量占比分別為第一階段的67.79%，65.33%和53.53%；24～32 h，為穩(wěn)定失水階段，該階段3種溫度干燥處理失水量占比僅分別為第一階段的15.11%，9.35%和2.47%。

圖1 紅錐樹盤含水率隨干燥時間的變化

2.2 干燥過程中紅錐木材材色的空間分布

CIELab色彩空間體系可將人眼所能辨識的顏色轉(zhuǎn)化為3個色度學指數(shù)，即亮度L*、色度a*和色度b*，分別反映了顏色明暗程度、紅綠軸向特征和黃藍軸向特征。表2顯示，常溫室內(nèi)陰干條件下(CK)，紅錐心材、邊材材色指數(shù)的變異值ΔL*、Δa*和Δb*分別為-7.50，5.04和-0.83，兩者總色差ΔE*為9.07。60，80和120 ℃干燥處理結(jié)束后經(jīng)室內(nèi)靜置至恒質(zhì)量，紅錐心材、邊材的色差ΔE*較對照處理分別減少了3.95，3.85和0.78。方差分析結(jié)果表明，不同處理之間紅錐心材、邊材材色差異顯著(P<0.05)。

2.3 干燥過程中紅錐木材材色的變化

圖2 紅錐心材隨干燥時間的變化

圖3 紅錐邊材隨干燥時間的變化

圖4 紅錐心材隨干燥時間的變化

圖5 紅錐邊材隨干燥時間的變化

圖6 紅錐心材隨干燥時間的變化

圖7 紅錐邊材隨干燥時間的變化

圖8 紅錐心材隨干燥時間的變化

圖9 紅錐邊材隨干燥時間的變化

2.4 干燥過程中紅錐木材干燥缺陷的變化

由表3可知，隨干燥溫度增加，紅錐心材裂紋數(shù)目和裂紋長度總體表現(xiàn)為增加趨勢。常溫陰干(CK)和60，80，120 ℃干燥處理的紅錐心材裂紋數(shù)目分別為2.0，3.0，3.6和4.6條，心材裂紋長度分別為19.38，24.50，27.80和39.02 cm；常溫陰干和60，80 ℃干燥處理的裂紋寬度分別為2.36，2.85和2.36 mm，均小于120 ℃干燥處理。常溫陰干紅錐心材的裂紋數(shù)目、裂紋長度和裂紋寬度均顯著低于120 ℃干燥處理(P<0.05)。

表3還表明，常溫陰干的紅錐木材沒有劈裂，而其他3個干燥溫度處理下紅錐邊材裂紋數(shù)目、裂紋長度和裂紋寬度均隨干燥溫度增加呈遞增趨勢。60 ℃干燥時，紅錐邊材裂紋數(shù)目、裂紋長度和裂紋寬度分別為0.4條，5.90 cm和1.26 mm；80 ℃干燥時，其值較60 ℃分別增加了0.4條，2.90 cm和2.83 mm；120 ℃干燥條件下，其值較60和80 ℃干燥分別增加了150.00%，80.17%，254.76%和25.00%，20.80%，9.29%。單因素方差分析結(jié)果表明，常溫陰干與80，120 ℃干燥處理的紅錐邊材裂紋數(shù)目、裂紋長度、裂紋寬度均達到差異顯著水平(P<0.05)。

表3 不同干燥溫度處理下紅錐心材、邊材裂紋數(shù)目及其長度和寬度的比較

3 討 論

3.1 含水率對紅錐木材材色變化的影響

3.2 干燥溫度對紅錐木材材色變化的影響

干燥溫度是木材熱處理工藝的核心，不同干燥溫度條件下，木材表面顏色的穩(wěn)定性和均質(zhì)性產(chǎn)生巨大變異，如柚木經(jīng)高溫干燥，木材表面顏色變暗[25]。本研究中，60和80 ℃干燥，紅錐心材、邊材材色變異小，可較好保持木材自然色澤，而120 ℃干燥時心材和邊材色澤變化均較大，無法保持自然色澤。Barcík等[26]研究了橡樹(QuercusrobruL.)、疣皮樺和樟子松木材在160，180，210和240 ℃干燥條件下的顏色變化，結(jié)果顯示，3個樹種木材亮度L*的熱變化均隨干燥溫度的增大而增加，而色度a*和色度b*的熱變化無規(guī)律可尋，這種不規(guī)律的熱變化可能與木材組分的熱化學反應有關(guān)。通常來說，低溫干燥條件下，木材內(nèi)部的水分緩慢外移，驅(qū)動酚類等水溶性抽提物外移而聚集在木材表面，引起木材表面顏色變化[27]。當轉(zhuǎn)為高溫干燥條件時，這些水溶性抽提物被空氣中的氧氧化，從而使木材發(fā)生變色[3]。此外，高溫干燥條件下，木材組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生降解，分解出羰基、羧基、醌類、芪類等物質(zhì)參與木材黃變反應[4,28]。由此可見，高溫雖可加快干燥速率，用時短，能耗少，但木材表面、內(nèi)部易發(fā)生熱變色反應，產(chǎn)生不均勻變色[23]，亦存在不可預見性。因此，選擇合理干燥溫度對不同樹種保持木材材色品質(zhì)至關(guān)重要。

3.3 干燥時間對紅錐木材材色變化的影響

3.4 干燥溫度對心材和邊材材色變化的影響

根據(jù)表面顏色，將成熟齡樹盤分為心材區(qū)、邊材區(qū)和邊心材過渡區(qū)，這3個區(qū)域的材色與其木材組分密切相關(guān)[31]，其中，亮度L*與樹脂、酚類抽提物含量呈顯著負相關(guān)[32]，色度a*主要是由抽提物成分及含量決定的[33]，色度b*主要與纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解產(chǎn)物羰基、羧基、醌類、芪類等物質(zhì)有關(guān)[28]。因此，實木裝飾用材樹種心材和邊材的自然色澤差異巨大。本研究中，60，80和120 ℃處理下，紅錐心、邊材材色指數(shù)發(fā)生不同步變化，其根源來自于本身的自然色澤分化。此外，干燥過程中，心、邊材木材組分及其變色反應亦可擴大心、邊材色差。唐榮強等[34]發(fā)現(xiàn)，心、邊材木質(zhì)素和抽提物含量變異導致其材色差異。曹燕燕等[35]亦發(fā)現(xiàn)，高溫干燥下，楓樺(Betulacostata)邊材的色度b*和色度a*隨溫度升高和時間延長而逐漸增大，心材色度b*則持續(xù)降低，進一步解析其變色機理發(fā)現(xiàn)，心、邊材熱變色與黃酮類和多酚類物質(zhì)等抽提物的酚羥基或取代基發(fā)生變色反應有關(guān)。

3.5 干燥溫度對木材總色差ΔE*的影響

ΔE*可以反映木材材色的總變化，其值越大，木材材色變化越大。Cui等[36]根據(jù)人眼對木材材色變化的識別度，將木材材色ΔE*分為4個等級：0≤ΔE*≤1.5，人眼不能辨識；1.5<ΔE*≤3.0，勉強分辨；3.0<ΔE*≤6.0，能分辨；6.0<ΔE*≤12，極易分辨；ΔE*>12，突變?yōu)?種不同顏色?；诖?，紅錐心材和邊材材色熱變化顯著，均能或極易被人眼識別，因此會影響其外觀品質(zhì)，尤其是120 ℃高溫干燥末期，邊材褐化嚴重，其顏色變?yōu)榘岛稚?。由此可見，開展高價值用材樹種材色熱變化研究，優(yōu)化干燥工藝，將有助于改善木材材色，提高其外觀美感及高價值裝飾性能。本研究中，60和80 ℃干燥條件下，紅錐樹盤的心材和邊材熱變化相對較為平緩，可保持其木材材色的穩(wěn)定性和勻質(zhì)性。

3.6 干燥溫度對木材干燥缺陷的影響

有關(guān)樹盤干燥開裂是否受干燥溫度影響，目前尚存在爭議，研究結(jié)果因干燥工藝不同而存在巨大差異。有研究顯示，保持干燥環(huán)境濕度恒定，溫度越高樹盤開裂越嚴重[37]。艾沐野等[38]及趙景堯等[39]亦提出了低溫高濕的樹盤干燥工藝，這是因為溫度高、濕度低，導致水分移動與蒸發(fā)過快，加劇表層的干燥應力產(chǎn)生，先在心材部分誘生表裂，并隨干燥持續(xù)進行而逐步擴展。本研究發(fā)現(xiàn)，常溫及60，80和120 ℃干燥處理后，紅錐樹盤心材的裂紋數(shù)目分別為2.0，3.0，3.6和4.6條，邊材的裂紋數(shù)目為0，0.4，0.8和1.0條，表明心材及邊材裂紋數(shù)目隨干燥溫度升高而增多，與上述研究結(jié)果一致。由上述結(jié)果可知，不管熱干燥與否，紅錐心材均出現(xiàn)裂紋，此亦表明還需要采取其他措施以解決開裂問題，提高木材利用率。

4 結(jié) 論

本研究中，紅錐樹盤初始含水率高達74.13%。3種干燥溫度條件下，心、邊材材色熱變化總體表現(xiàn)為ΔL*熱變化較大，Δa*和Δb*熱變異平穩(wěn)。60和80 ℃干燥條件下，其心材的總色差范圍分別為5.33～10.80和5.41～9.70，裂紋數(shù)目分別為2.0和3.0條，裂紋長度分別為24.50和27.80 cm，裂紋寬度分別為2.85和2.36 mm，相比于120 ℃干燥，60和80 ℃干燥有效減少了心、邊材材色變化并可緩解開裂，是紅錐樹盤較為適宜的干燥溫度。

志謝:承蒙曾杰研究員指導研究方案和論文修改，王春勝博士指導數(shù)據(jù)處理，特致謝忱！