解剖構造對人工林樟子松單板染色效果的影響1)

管雪梅 郭明輝

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

木材染色作為木材改性利用的重要方法已被人們廣泛使用。木材是一種特殊的高分子材料，作為染色基材，其構造和材性的變化，對木材染色效果具有一定的影響，即木材染色效果和木材解剖因子等有一定的相關關系。然而，長期以來，人們對于木材染色的工藝研究較多，而對于木材本身的性質，特別是解剖特性對其染色效果的影響研究較少［1－3］，這在某種程度上制約了木材染色的發展。本研究以人工林樟子松單板為研究對象，測定其解剖性質和染色效果，對樟子松的解剖特性進行多元回歸分析，建立相關模型，定量地闡釋二者的相關關系和變化規律，尋找影響木材染色效果的主要木材解剖因子，為制定合理的配色方案提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試材:樟子松(Pinus sylvestnis var.mongolica Litv.)采自東北林業大學帽兒山實驗林場，都為20世紀60年代種植的人工林。選取3株不同生長環境的樣本，對每株樣本均從胸高處(1.3 m)橫向截取5.0 cm厚圓盤，標明記號，帶回實驗室氣干處理，作為木材解剖構造特征測定和木材染色的試材。在完全氣干的樟子松試材上，鋸取3.0 cm寬的中心板，從髓心到樹皮半徑長的樣條上，分早晚材截取裁剪，用砂紙光潔表面，分別作為木材解剖和木材染色試件。共獲得樟子松解剖和染色試件3組各25塊，分批次編號。所有指標均取3組試件測量的平均值。

化學藥劑:活性艷紅 X－3B(Reactive Brilliant Red X－3B)、滲透劑 JFC、均染劑、促染劑食鹽 NaCl、固色劑純堿Na2CO3、蒸餾水等。

1.2 方法

1.2.1 木材解剖構造特征的測定

采用常規方法制作木材解剖切片，利用木材圖像處理分析儀對橫切面木材解剖構造特征進行測定，對樟子松指標分早晚材分別標定。主要測量了胞壁率、導管形態、纖維形態、組織比量等木材解剖構造特征。

1.2.2 木材染色方法與試驗步驟

木材染色為便于對照和分析，采用一種染料在相同染色條件下進行染色，最后評價解剖因子與木材染色效果的相關性。參考前人研究成果［4］，將試材用砂紙進行表面清潔，按照以下質量比例均勻混合染色溶液:m(染料)∶m(滲透劑)∶m(食鹽)∶m(蒸餾水)=1∶0.1∶1∶100，倒入用于染色處理的大燒杯中(浴比為10∶1)。將試樣裝入不銹鋼試樣籠，確保試樣之間留有空隙;然后將試樣籠浸入到盛有染色液的大燒杯中;將燒杯放入恒溫水浴鍋中加熱，室溫入染;加熱過程中，對染液不斷進行攪拌，使其充分流動;當達到染色溫度(75℃)后開始計時，在還有10 min達到染色時間時，加入和上面相同質量的食鹽(NaCl);當達到染色時間時(60 min)，加入純堿進行恒溫固色處理;固色時間達到30 min之后，關閉水浴鍋，取出燒杯。將染色單板取出用蒸餾水反復清洗至清洗液無色為止，然后晾干保存，等待顏色測定。

1.2.3 木材材色的測試

使用NF333型全自動分光光度計測定染色前(素材)、染色后試件的明度(L*)，紅綠軸色品指數(a*)和黃藍軸色品指數(b*)。每塊試件均取3個有代表性的點進行測量，分別為靠近縱向、靠近橫向，以及靠近中心。取3點的平均值用于計算和分析單板染色前后色度學指標的變化量，利用公式(1)計算色差ΔE*。

式中:ΔL*、Δa*、Δb*分別為光照前后 L*、a*、b*的差值。

1.2.4 解剖因子與染色效果相關性的分析方法

采用多元回歸方法分析各個木材解剖因子對木材染色效果的影響和貢獻，從而確定影響木材染色效果的主要解剖因子［5］。有關分析計算均采用數理統計軟件SPSS進行處理。

2 結果與分析

2.1 樟子松的解剖特征

樟子松木材解剖特征結果見表1和圖1。可見，早材管胞比晚材管胞短，早材管胞弦向直徑為42.34 μm，比晚材的 17.45 μm 大 2 倍多;早材管胞壁厚為 8.232 μm，比晚材 11.04 μm 小;早材的胞壁率和壁腔比均小于晚材，這表明樟子松早材管胞腔大壁薄，而晚材管胞腔小壁厚。

樟子松木材主要由管胞、樹脂道和木射線組成。其組織比量結果從表1可見，樟子松木材木射線比量為10.26%，管胞比量高達89.22%。這表明樟子松木材主要由管胞組成。

表1 樟子松木材解剖構造數據

2.2 染色前后樟子松色度學特征變化

樟子松木材染色前后色度學特征變化結果如表2所示。可以看到早晚材明度值L*都很高，黃藍軸色品指數b*較高，紅綠軸色品指數a*很低，各色度學指標早晚材之間相比差別較大;染色后早晚材的明度值L*都大幅度下降，早材降低幅度在－50.61～－60.42，平均值達－54.47;晚材降低的較早材要少，平均值為－49.17。紅綠軸色品指數a*都顯著升高，但早晚材紅綠軸色數差Δa*變化幅度相差不大，早晚材的平均值分別為29.96和26.84。早晚材黃藍軸色品指數b*降幅都不大，但相比而言，晚材的黃藍軸色品指數差Δb*比早材下降得要大，早晚材的平均值分別為－9.172和－13.22。早晚材色差ΔE*變化范圍分別為58.16 ～69.28 和52.78 ～63.74，平均值都超過55，表明早晚材染色前后木材材色都發生了明顯變化。

表2 樟子松木材染色前后色度學特征變化結果

考查樟子松染色前后L*－a*－b*三維散點圖和二維散點圖(圖1)可以更清楚地看出，染色前后顏色群體極為明顯。在L*a*b*三維立體投影圖中，未染色材樣點位于圖的左上角，而染色材樣點位于圖的右下角，表明染色后主要呈現的是活性艷紅X－3B染料的顏色。而L*－a*、L*－b*、b*－a*二維散點圖顯示，未染色材樣點比較集中于一個狹長區域，而染色材樣點比較分散，表明早晚材色度學指標有區別，而不同試件的染色效果有差異。

2.3 樟子松解剖因子間的相關分析

2.3.1 木材解剖構造與木材染色效果的指標

以樟子松解剖構造的指標為自變量，早晚材管胞及組織比量等特征值共13個指標;以染色前后木材材色變化特征值為因變量，分早晚材來分析，共有ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*8 個指標。為做回歸方程，將木材解剖構造和染色效果指標做以下規定，含義如表3所示。

圖1 樟子松木材染色前后色度學特征變化圖

表3 木材解剖因子和染色效果指標符號與含義對照

2.3.2 樟子松解剖因子間的相關性分析

樟子松解剖構造指標之間的簡單相關系數如表4所示。可見，樟子松木材解剖構造13個指標間均有一定的相關性，其中早材管胞長度(x1)和晚材管胞長度(x6)、早材管胞弦向直徑(x2)和晚材管胞長度(x6)、早材管胞弦向壁厚(x3)和早材胞壁率(x4)、晚材管胞弦向壁厚(x8)和晚材壁腔比(x10)、管胞比量(x11)和木射線比量(x12)之間的相關系數都很高，分別為0.911、0.671、0.695、0.714和－0.987，絕對值均超過了 0.65，表明這些因子之間相關性很高。

解剖構造指標之間的相關性分析表明，解剖構造指標間有一定的相關性，并且有部分指標之間高度相關。由于這些指標間還存在著由數學計算引起的相關性，根據相關分析結果，對樟子松可以剔除早材管胞長度(x1)、早材管胞弦向直徑(x2)、早材管胞弦向壁厚(x3)、晚材壁腔比(x10)4個指標。

2.4 樟子松解剖因子與染色效果的多元回歸分析

2.4.1 解剖因子與染色效果的多對多線性回歸分析

以樟子松木材解剖因子的9個指標作為自變量，以木材染色效果即樟子松染色前后色度學變化特征值的8個指標作為因變量進行多對多線性回歸分析。結果從表5可見，樟子松木材解剖因子的9個指標和染色效果指標之間均有較高程度的相關，其復相關系數為0.573 ～0.786。

2.4.2 解剖因子對染色效果的貢獻分析

樟子松解剖因子很多，為確定木材解剖因子對木材染色效果的貢獻，也就是尋找影響樟子松木材染色效果的主要因子。在此對樟子松木材解剖因子與其染色效果多對多回歸系數進行標準化［6］，如表6所示。可見，對早材明度差(ΔL*)貢獻較大的解剖因子為木射線比量x12(1.856)和管胞比量x11(1.68);對早材紅綠軸色品指數差(Δa*)貢獻較大的為木射線比量x12(1.948)、管胞比量 x11(1.513)和樹脂道比量x13(0.56);對早材黃藍軸色品指數差(Δb*)貢獻較大的為木射線比量 x12(－1.031)、管胞比量 x11(－0.801)和樹脂道比量 x13(－0.42);對早材色差(ΔE*)貢獻較大的為早材胞壁率x4(－0.349)、早材壁腔比 x5(0.274)和樹脂道比量 x13(0.248)。對晚材明度差(ΔL*)貢獻較大的解剖因子為木射線比量x12(1.038)、晚材管胞長度x6(0.659)和管胞比量x11(0.473);對晚材紅綠軸色品指數差(Δa*)貢獻較大的為木射線比量x12(1.677)、管胞比量 x11(1.382)和晚材管胞長度 x6(－0.776);對晚材黃藍軸色品指數差(Δb*)貢獻較大的為管胞比量x11(0.715)、木射線比量 x12(0.323)和晚材管胞壁厚x18(0.346);對晚材色差(ΔE*)貢獻較大的為晚材管胞長度 x6(－0.867)、管胞比量 x11(0.444)和樹脂道比量 x13(0.405)。

表4 人工林樟子松木材解剖構造指標間相關系數

表5 樟子松染色前后色度學變化參數與解剖因子的多對多回歸結果

表6 樟子松木材染色前后色度學變化參數與解剖因子的多元回歸標準回歸系數的比較

3 結論

對樟子松解剖因子與染色效果之間的多元回歸分析表明，樟子松的染色效果與木材解剖因子之間存在較高程度的相關性。樟子松木材解剖因子與其各個染色效果指標間的復相關系數在0.573～0.786。采用比較多元回歸分析的標準回歸系數的方法，確定了影響樟子松木材染色效果的主要解剖因子為管胞比量、木射線比量、樹脂道比量和晚材管胞長度等因子。

［1］陸文達.木材改性工藝學［M］.哈爾濱:東北林業大學出版社，2003:103－137.

［2］段新芳.木材顏色調控技術［M］.北京:中國建材工業出版社，2007:56－63.

［3］鮑甫成，段新芳.人工林杉木木材解剖構造與染色效果相關性的研究［J］.林業科學，2000，36(3):93－100.

［4］基太村洋子.木材用著色劑の分析［J］.木材工業，1991，26:24－26.

［5］鮑甫成，趙有科，呂建雄.杉木和馬尾松木材滲透性與微細結構的關系研究［J］.北京林業大學學報，2003，25(1):1－5.

［6］彭萬喜，李凱夫，范智才，等.木材染色工藝研究的現狀與發展［J］.木材工業，2007，26(6):16－18.