涂飾對(duì)貴州民族木結(jié)構(gòu)建筑用材表面色差及防腐性能的影響

劉人源 曾珠亮 李權(quán)

摘 要：為明確不同涂飾處理對(duì)民族木結(jié)構(gòu)建筑用材表面色差及防腐性能的影響，使用桐油和醇酸清漆涂飾馬尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和楓香（Liquidambar formosana）試樣，并對(duì)3種試樣涂飾前后的表面色差及耐腐性能進(jìn)行檢測(cè)和分析。結(jié)果表明，桐油和醇酸清漆對(duì)試樣涂飾色差效果的影響規(guī)律大體相似。橫切面和徑切面在色差參數(shù)指標(biāo)方面有較大差異，經(jīng)涂飾處理后的3種試樣均表現(xiàn)為明度（L*）降低，紅綠軸色品指數(shù)（a*）、黃藍(lán)軸色品指數(shù)（b*）和色度值（C）增大。3種試樣橫切面的L*均比徑切面小，馬尾松和楓香試樣橫切面的a*和b*比徑切面大，而杉木則正好相反。經(jīng)涂飾后的馬尾松、杉木和楓香相比對(duì)照樣在腐朽試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量損失率明顯降低，杉木在涂飾桐油的條件下對(duì)彩絨革蓋菌（Coriolus versicolor）的耐腐效果能達(dá)到Ⅰ級(jí)強(qiáng)耐腐水平。在使用相同菌種的耐腐試驗(yàn)中，涂飾桐油的3個(gè)樹種試樣耐腐效果均要強(qiáng)于涂飾醇酸清漆。綿腐臥孔菌和密粘褶菌對(duì)馬尾松和杉木的腐朽效果大，而彩絨革蓋菌對(duì)楓香的腐朽效果最大。掃描電鏡（SEM）研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)桐油相對(duì)醇酸清漆對(duì)馬尾松和杉木的保護(hù)效果更好。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；腐朽菌；耐腐；色差指標(biāo)；掃描電鏡

中圖分類號(hào)：S781.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳青年科技人才項(xiàng)目（黔教合KY字[2022]075號(hào)；黔教合KY字[2020]177號(hào)）；黔東南州科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔東南科合基礎(chǔ)[2022]17號(hào)）；貴州省科技廳“千”層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目（黔千層人才[2021]201603）

第一作者簡(jiǎn)介：劉人源，碩士，講師。研究方向?yàn)橥聊竟こ?。E-mail： 260249683@qq.com

*通信作者：李權(quán)，博士，教授。研究方向?yàn)榱謽I(yè)工程。E-mail： liquan-8@163.com

0 引言

黔東南苗族侗族自治州森林資源豐富，州內(nèi)保存有大量以馬尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和楓香（Liquidambar formosana）為原材料的民族木結(jié)構(gòu)建筑。當(dāng)?shù)厝顺Ｓ脗鹘y(tǒng)壓榨的桐油和現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品醇酸清漆對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行涂飾以增加其使用壽命，涂飾后的木結(jié)構(gòu)建筑不僅保存了其整體風(fēng)貌，還極具科學(xué)和文化研究?jī)r(jià)值[1-2]。涂飾處理不僅能解決木材中的鈍渣、節(jié)子、裂紋和腐朽等天然缺陷和加工過(guò)程中帶來(lái)的缺陷。還能解決木材表面樹脂、滲膠和手垢等污染問(wèn)題[3-4]，以達(dá)到美觀的效果。國(guó)內(nèi)外對(duì)木材涂飾的研究主要集中在高溫、酸堿和等離子體等不同方式處理后的不同樹種木材在滲透性、膠合及涂飾等性能方面的差異，以及對(duì)木材涂飾前后表面視覺性質(zhì)差異和涂飾后木材的耐候性、耐光老化、各種儀器分析和表征等[5-7]。但有關(guān)貴州苗侗民族木結(jié)構(gòu)建筑用材涂飾傳統(tǒng)的桐油與現(xiàn)代的醇酸清漆之間的色差研究，還有涂飾后的試樣對(duì)木材腐朽菌具體的防腐效果均未見相關(guān)報(bào)道。涂飾處理對(duì)民族木結(jié)構(gòu)建筑用材表面色差及防腐性能的研究立足于當(dāng)?shù)氐膬?yōu)良的生態(tài)環(huán)境和地方特色，對(duì)推動(dòng)少數(shù)民族地區(qū)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)上新臺(tái)階具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用產(chǎn)自黔東南苗族侗族自治州下司鎮(zhèn)的馬尾松、杉木以及楓香邊材為試驗(yàn)材料，樹齡均為10 a，將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號(hào)101-2BS，上海力辰儀器科技有限公司生產(chǎn)）中，溫度設(shè)置為45 ℃，烘干至含水率為12%左右后用鋸機(jī)鋸切成20 mm×20 mm×10 mm（縱向（L）×弦向（T）×徑向（R））的試樣。

綿腐臥孔菌（Poria vaporaria）、密粘褶菌（Gloeophyllum trabeum）、彩絨革蓋菌（Coriolus versicolor），3種菌種來(lái)自中國(guó)林業(yè)微生物菌種保藏管理中心，后轉(zhuǎn)接種保存于凱里學(xué)院黔東南民族藥綜合利用工程技術(shù)研究中心。

桐油：皂化價(jià)為190～195；水分和揮發(fā)物<0.20%；比重（20 ℃/4 ℃）為0.936 0～0.939 5；折射率（20 ℃）為1.517 0～1.522 0；碘價(jià)為163～173，購(gòu)買自岑鞏油桐公司。

醇酸清漆：透明無(wú)機(jī)械雜質(zhì)，不揮發(fā)物≥40%，黏度≥40 s，干燥時(shí)間≤15 h，購(gòu)自杭州惠鵬涂料有限公司。

1.2 主要設(shè)備

生化培養(yǎng)箱：型號(hào)SHP-250（E），上海培因?qū)嶒?yàn)儀器有限公司。

自動(dòng)色差計(jì)：型號(hào)SC-80C，北京京儀康光光學(xué)儀器有限公司。

掃描電鏡（SEM）：型號(hào)MIRA4，捷克泰思肯公司生產(chǎn)。

1.3 涂飾工藝流程

采用桐油和醇酸清漆對(duì)各試樣邊材試件表面進(jìn)行涂飾，在涂飾前先將試件表面清理干凈，后采用手工的方式對(duì)試件進(jìn)行涂刷，每個(gè)試件均勻涂刷1次，每塊試件涂布量約為60 g/m2。經(jīng)涂飾后的試樣放置7 d全干后再進(jìn)行色差參數(shù)的檢測(cè)。

1.4 耐腐測(cè)試

根據(jù)GB/T 13942.1—2009《木材耐久性能 第1部分：天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求對(duì)各試件進(jìn)行耐腐性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)束后除去試樣表面的菌絲和雜質(zhì)，并在40 ℃條件下干燥至絕干后稱重。試件的質(zhì)量損失計(jì)算公式為

式中：m1為試件試驗(yàn)前的全干質(zhì)量，g；m2為試件試驗(yàn)后的全干質(zhì)量，g。

耐腐等級(jí)分類按照損失率分為Ⅰ級(jí)強(qiáng)耐腐（試樣質(zhì)量損失率0%～10%）、Ⅱ級(jí)耐腐（試樣質(zhì)量損失率11%～24%）、Ⅲ級(jí)稍耐腐（試樣質(zhì)量損失率為25%～44%）和Ⅳ級(jí)不耐腐（試樣質(zhì)量損失率＞45%）。

1.5 色差檢測(cè)

將自動(dòng)色差計(jì)用于測(cè)定試件在涂飾前后的色差指標(biāo)。采用CIE（1976）L* a* b*顏色系統(tǒng)的表征顏色，其中L*為明度，a*是紅綠軸色品指數(shù)，b*是黃藍(lán)軸色品指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣表面色差參數(shù)分布特征

木構(gòu)件表面涂飾桐油或油漆可提高其防蟲、耐腐性、密實(shí)度及抗?jié)B性等。經(jīng)涂飾處理后的木材表面平整光滑、紋路清晰，但色差參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化。從表1中可以看出相同樹種木材的橫切面和徑切面在同一色差參數(shù)指標(biāo)方面有較大差異，具體表現(xiàn)為：3個(gè)樹種試樣橫切面的L*均比徑切面小，可能是由于橫切面的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)光線有吸收效果，而徑切面大部分是細(xì)胞壁，因此對(duì)光線的反射效果更好。馬尾松和楓香及其涂飾試樣橫切面的a*、b*和C均比徑切面更大。3個(gè)樹種試樣經(jīng)過(guò)涂飾桐油或醇酸清漆后的a*或b*均比涂飾前更大，說(shuō)明2種涂飾能導(dǎo)致試樣向紅色和黃色方向發(fā)展，使得試樣呈現(xiàn)深棕色。3個(gè)樹種涂飾桐油比涂飾醇酸清漆的ΔE更大，主要是由于桐油本身呈現(xiàn)金黃透明，說(shuō)明桐油對(duì)3種木材顏色的影響最大。桐油和醇酸清漆涂飾后的3種試樣在橫切面和徑切面上均表現(xiàn)為L(zhǎng)*顯著降低，主要是由于涂膜層會(huì)吸收部分入射光線以及降低反射光線從而導(dǎo)致L*降低[8-9]。在橫切面上，杉木經(jīng)過(guò)涂飾桐油和醇酸清漆后L*分別降低了37.85%和23.13%；a*分別增加了142.48%和94.38%；b*分別增加了20.1%和22.21%；C分別增加了36.25%和30.61%。在徑切面上的杉木經(jīng)過(guò)涂飾后的顏色變化也有與橫切面上類似的趨勢(shì)。楓香經(jīng)涂飾桐油和醇酸清漆后在橫切面上的ΔE顯著大于徑切面，表現(xiàn)在橫切面上的楓香經(jīng)涂飾桐油和醇酸清漆后L*、a*、b*的變化幅度大。

綜合分析桐油和醇酸清漆對(duì)馬尾松、杉木和楓香3種木材試樣橫切面和徑切面L*、a*、b*、C和ΔE的影響可知，經(jīng)過(guò)涂飾后的試樣L*降低，a*和b*增大，試樣顏色從明淺黃色往深棕色方向轉(zhuǎn)變，最終表現(xiàn)為C和ΔE的顯著增大[10-11]。桐油和醇酸清漆對(duì)試樣涂飾效果的影響規(guī)律大體相似。

2.2 耐腐結(jié)果與分析

從圖1（a）中可看出，未經(jīng)涂飾的馬尾松對(duì)照樣在3種不同白腐菌和褐腐菌腐朽試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量損失率均超過(guò)了30%，耐腐等級(jí)為Ⅲ級(jí)稍耐腐。經(jīng)涂飾后的馬尾松試樣質(zhì)量損失率明顯降低，馬尾松涂飾桐油對(duì)3種腐朽菌的耐腐水平均能達(dá)到Ⅱ級(jí)耐腐水平，其中涂飾桐油后試樣的耐腐效果要強(qiáng)于涂飾醇酸清漆?？赡苁怯捎谕┯偷闹饕瘜W(xué)成分為脂肪酸甘油三酯混合物（包括棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸和α-桐酸等）[12]，對(duì)木材腐朽菌的毒性較大。而醇酸清漆防腐的機(jī)理主要是在試樣表面形成漆膜，從而隔絕菌絲的進(jìn)入，但由于只涂飾了一遍，試樣沒有完全被漆膜封閉。另外，試樣在耐腐試驗(yàn)前需經(jīng)過(guò)高壓鍋滅菌，腐朽試驗(yàn)時(shí)在三角瓶中長(zhǎng)時(shí)間的高濕環(huán)境可導(dǎo)致漆膜受損，因此經(jīng)耐腐試驗(yàn)后的試樣也就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量損失。

從圖1（b）中可看出，褐腐菌對(duì)杉木試樣腐朽能力高于白腐菌對(duì)杉木試樣的腐朽能力，表現(xiàn)為綿腐臥孔菌和密粘褶菌導(dǎo)致的杉木試樣的質(zhì)量損失率要顯著高于彩絨革蓋菌。杉木涂飾桐油對(duì)綿腐臥孔菌、密粘褶菌的耐腐能力達(dá)到了Ⅱ級(jí)耐腐水平，對(duì)彩絨革蓋菌的耐腐能力達(dá)到了Ⅰ級(jí)耐腐水平。而涂飾醇酸清漆對(duì)3種腐朽菌的耐腐水平均能達(dá)到Ⅱ級(jí)耐腐水平。比較圖1（a）和圖1（b）可看出，在對(duì)照樣或者是相同涂飾和相同種類腐朽菌腐朽試驗(yàn)條件下，即杉木對(duì)照樣，杉木涂飾桐油以及涂飾醇酸清漆在3種木材腐朽菌腐朽試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率比馬尾松更小。這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、柏木腦、萜類、揮發(fā)油和雙黃酮等具有抑菌防腐功效的化學(xué)物質(zhì)[13-15]，因此其耐腐效果相對(duì)于馬尾松更好。

從圖1（c）中可看出，白腐菌對(duì)楓香試樣的腐朽效果要強(qiáng)于褐腐菌，表現(xiàn)在彩絨革蓋菌導(dǎo)致的楓香試樣的質(zhì)量損失率要顯著高于綿腐臥孔菌和密粘褶菌。楓香涂飾桐油和醇酸清漆對(duì)綿腐臥孔菌、密粘褶菌的耐腐能力達(dá)到了Ⅱ級(jí)耐腐水平，但對(duì)彩絨革蓋菌的耐腐能力僅為Ⅲ級(jí)稍耐腐水平。總體來(lái)看，楓香試樣涂飾桐油比涂飾醇酸清漆的防腐效果稍好。

2.3 掃描電鏡分析

通過(guò)SEM了解木材腐朽菌菌絲穿透細(xì)胞壁的機(jī)理對(duì)解析木材的腐朽過(guò)程十分重要，如圖2—圖5所示。從圖2和圖3中可以看出，無(wú)論是桐油還是油漆處理的馬尾松被彩絨革蓋菌和綿腐臥孔菌侵染后其內(nèi)部均出現(xiàn)了大量菌絲，細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，但桐油相比醇酸清漆對(duì)馬尾松的保護(hù)效果相對(duì)更好，表現(xiàn)為前者比后者馬尾松管胞中的菌絲更少。綿腐臥孔菌相比彩絨革蓋菌對(duì)馬尾松的破壞更為嚴(yán)重，表現(xiàn)為綿腐臥孔菌腐朽后的馬尾松試樣中的菌絲更多，細(xì)胞結(jié)構(gòu)更破碎。從圖4可看出，桐油處理馬尾松腐朽后的結(jié)構(gòu)依然保持相對(duì)完整，纖維內(nèi)部雖然能見到少量菌絲，但結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，主要是由于桐油含有的抑菌活性物質(zhì)對(duì)木材腐朽菌的毒性較大。從圖5可看出，彩絨革蓋菌覆蓋了整個(gè)杉木的表面，通常彩絨革蓋菌菌絲容易從阻力最小的通道，即兩端開口細(xì)胞的細(xì)胞壁或紋孔膜進(jìn)入細(xì)胞腔，同時(shí)分泌木質(zhì)素酶破壞細(xì)胞壁[16-17]。

3 結(jié)論

對(duì)3種常用的貴州民族木結(jié)構(gòu)建筑用材涂飾前后表面色差及防腐性能進(jìn)行了比較和分析，并得出以下結(jié)論。

1）馬尾松、杉木和楓香試樣涂飾桐油比涂飾醇酸清漆的ΔE更大，說(shuō)明桐油對(duì)3種木材顏色的影響最大。涂飾處理3個(gè)樹種試樣不僅能降低L*，還會(huì)導(dǎo)致a*和b*的增大，從而導(dǎo)致試樣顏色從明淺黃色向深棕色轉(zhuǎn)變。

2）綿腐臥孔菌分泌的纖維素酶對(duì)馬尾松和杉木、彩絨革蓋菌分泌的木質(zhì)素酶對(duì)楓香的降解效果最大。涂飾醇酸清漆的木材試樣表面被封閉，從而部分阻斷了木材腐朽菌的侵染。桐油中含有脂肪酸甘油三酯混合物，對(duì)木材腐朽菌的毒性較大，從而起到了一定的防腐效果。

3）無(wú)論是桐油還是醇酸清漆處理的馬尾松和杉木被彩絨革蓋菌和綿腐臥孔菌侵染后其內(nèi)部均出現(xiàn)了大量菌絲，細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，但桐油相比醇酸清漆對(duì)馬尾松和杉木的保護(hù)效果相對(duì)更好。

本研究對(duì)具有特殊地理位置、氣候環(huán)境的建筑結(jié)構(gòu)木材應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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