火力楠心材與邊材顏色和物理力學性質

周 凡，高 鑫，付宗營，江京輝，周永東

(中國林業科學研究院 木材工業研究所，北京 100091)

火力楠(Micheliamacclurei)是我國南方地區重要優良鄉土闊葉樹種，其生長迅速、適應性強、樹干通直、出材率高，木材材質均勻、結構細膩、紋理通直有光澤，可作為家具、實木地板、工藝品、膠合板和建筑等行業用材[1-5]。材性研究對決定木材利用途徑及加工工藝具有重要的參考意義。樹木心材和邊材通常具有不同性質，心材比例對木材利用有重要影響[6]。闊葉樹木材通常因具有美麗顏色而商業價值較高，其心材和邊材的顏色差異，直接影響木材的利用[7]。火力楠心材率較低，文獻報道火力楠樹干根部心材率最大為43.0%[8]。可見，對火力楠木材進行充分利用，需綜合考慮其心材和邊材的材性進行。目前國內外對火力楠材性方面的研究較少，有個別研究測定了火力楠木材的主要物理力學性質[2,5]，但有關心材與邊材材性的對比報道仍然缺乏。因此，本研究對火力楠心材和邊材的顏色、物理性質(密度、干縮濕脹、滲透性)和力學性質(抗壓特性、抗彎特性、抗剪特性、硬度、沖擊韌性、抗拉特性、抗劈力、握釘力)進行測定和比較，以期為火力楠木材的合理開發利用和高效加工生產提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

火力楠采自廣東省茂名市高州市。選取樣木3株(平均胸徑38 cm)。每株樣木在樹干1.3 m處向上截取約1.2 m原木段，用于木材力學性質的測定。在樹干1.3 m(H1)、中部(H2)和尾徑約18 cm處(H3)分別鋸取約15 cm厚樹盤。本研究試驗用樹盤的心材率均值為55.9%(直徑比)。將樹盤沿中心鋸制寬20 mm的中心板，然后連續鋸制規格為20 mm×20 mm×20 mm(T×R×L)的試件直到取不到止，用于木材物理性質的測定；并在氣干(20℃和65%相對濕度環境平衡)試件的弦切面上進行木材顏色參數的測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 木材顏色表征 利用色彩色差計(CR-400，日本柯尼卡美能達控股公司)測試木材的明度指數L*(0～100，黑～白)、紅綠軸色品指數a*(正值越大代表顏色越偏向紅色，負值越大代表顏色越偏向綠色)和黃藍軸色品指數b*(正值越大代表顏色越偏向黃色，負值越大代表顏色越偏向藍色)，并計算木材的色飽和度C*和色差ΔE*[9]。

1.2.2 木材物理性質測定 木材的密度、干縮性和濕脹性測定分別參照國家標準GB/T 1933-2009、GB/T 1932-2009和GB/T 1934.2-2009進行。木材的滲透性采用吸水增重率進行評定[10]，將氣干(20℃和65%相對濕度環境平衡)試件浸入水中，間隔取出測量質量，為使水分只沿弦面或徑面進入木材，浸水前采用環氧樹脂膠對試件的其他表面進行密封。

1.2.3 木材力學性質測定 依據國家標準對木材的順紋抗壓強度(GB/T 1935-2009)，抗彎強度(GB/T 1936.1-2009)，抗彎彈性模量(GB/T 1936.2-2009)，弦面、徑面順紋抗剪強度(GB/T 1937-2009)，弦面、徑面順紋抗拉強度(GB/T 1938-2009)，弦面、徑面橫紋全部抗壓強度(GB/T 1939-2009)，沖擊韌性(GB/T 1940-2009)，弦面、徑面和端面硬度(GB/T 1941-2009)，弦面、徑面抗劈力(GB/T 1942-2009)，弦面、徑面和端面握釘力(GB/T 14018-2009)進行測定。木材的握釘力指標參照文獻[11]，其他力學性質指標參照相應標準，將實測的數據換算為12%含水率時的數值。

2 結果與分析

2.1 火力楠木材顏色

火力楠樹干不同縱向位置心材和邊材的各顏色參數差異不明顯(圖1)。心材的L*、a*、b*和C*均值分別為73.6、3.1、23.4和23.6，相對應邊材的分別為75.8、4.3、24.3和24.7。可見，相比于邊材，心材的L*更小，表示其對可見光的反射較少，顏色更偏向黑色；a*正值更小，表明其偏向紅色的程度更小；b*正值更小，表明其偏向黃色的程度更小；C*更小，表示其顏色飽和度更小，且更加暗深。火力楠的心材整體呈現為黃綠色，邊材為淺黃褐色(圖2)。火力楠樹干不同縱向位置心材的總色差0.3～0.9，邊材的總色差0.2～1.9，心材與邊材的總色差為2.7。可見，火力楠木材的顏色差異主要是心材與邊材的差異引起，根據色差值與人視覺感覺的對應關系[9]，火力楠心材與邊才的顏色差異屬“可察覺”(1.5～3.0)。

圖1 火力楠心材和邊材顏色參數

圖2 火力楠心材(左)和邊材(右)

2.2 火力楠木材物理性質

2.2.1 木材密度 火力楠木材密度整體沿樹干縱向向上呈降低趨勢(圖3)。火力楠心材的基本、氣干和全干密度均值分別為0.545、0.637 g·cm-3和0.603 g·cm-3，相對應邊材的分別為0.562、0.659 g·cm-3和0.624 g·cm-3(表1)。火力楠心材的密度小于心材，心材與邊材密度的變異系數均較低，說明火力楠木材的密度分散程度較小，均勻性較大，這有利于木材的加工利用。計算火力楠心材和邊材在含水率15%時的密度分別為0.649 g·cm-3和0.671 g·cm-3。根據我國國產木材密度的劃分級別[12]，二者均屬中等(0.551～0.750 g·cm-3)。

圖3 火力楠心材和邊材密度

2.2.2 木材干縮濕脹特性 木材干縮濕脹的大小一般通過干縮率和濕脹率表示。火力楠木材的氣干干縮率和濕脹率整體沿樹干縱向向上呈降低趨勢(圖4)，這與其密度的變異趨勢相似。火力楠心材的徑向、弦向和體積氣干干縮率均值分別為1.32%、2.14%和3.46%，相對應邊材的分別為1.47%、2.26%和3.78%。心材的徑向、弦向和體積全干干縮率分別為3.81%、5.58%和9.49%，相對應邊材的分別為4.32%、5.76%和9.97%。心材的徑向、弦向和體積氣干濕脹率均值分別為1.70%、2.09%和4.03%，相對應邊材分別為1.88%、2.18%和4.29%(表1)。可見，火力楠心材的干縮率和濕脹率均小于邊材，表明在同一環境下，心材經歷干縮濕脹的尺寸穩定性要優于邊材。火力楠心材的氣干和全干體積干縮系數分別為0.22%和0.32%，相對應邊材的分別為0.24%和0.33%(表1)；根據我國木材干縮性的分級，心材和邊材的干縮性均屬很小(<0.35%)[12]，說明火力楠木材的干縮尺寸穩定性較好。火力楠心材的氣干和全干差異干縮分別為1.60和1.44，相對應邊材的分別為1.54和1.34(表1)；根據我國木材干縮的不均勻性分級，心材和邊材的氣干差異干縮均屬小(1.41～1.80)[12]，說明火力楠木材各方向的干縮比較均勻。邊材的差異干縮小于心材，邊材的干縮較心材更加均勻。

2.2.3 木材滲透性 火力楠心材和邊材的吸水增重率和增重速率見圖5。隨著浸水時間的增加，火力楠心材和邊材沿弦向和徑向的吸水增重率均逐漸增加，吸水增重速率逐漸降低，這表明木材的滲透性隨含水率的增加而降低。浸水時間為90 h時，心材沿徑向和弦向的增重率分別為17.1%和16.5%，平均增重速率0.187 %·h-1；相對應邊材的分別為25.8%和23.6%，平均增重速率0.272 %·h-1。可見邊材的吸水增重速率大于心材，導致相同時間邊材的增重率大于心材，表明邊材的滲透性好于心材。滲透性是木材的一項重要物理指標，木材防腐、阻燃、干燥等加工利用過程都與其滲透性密切相關[13]。火力楠心材和邊材滲透性存在的差異與木材本身的構造和含有的抽出物等有關。

圖4 火力楠心材和邊材氣干干縮濕脹特性

表1 火力楠心材和邊材物理性質

2.3 火力楠木材力學性質

火力楠心材和邊材的力學性質(抗壓特性、抗彎特性、抗剪特性、硬度、沖擊韌性、抗拉特性、抗劈力和握釘力)測試結果見表2。

2.3.1 木材抗壓特性 木材順紋抗壓強度是選擇受壓構件的重要依據[14]。火力楠心材和邊材的順紋抗壓強度分別為51.31 MPa和49.11 MPa，二者接近，均屬中等(34.4～54.9 MPa)[12]。心材的弦向和徑向橫紋全部抗壓強度分別為9.91 MPa和11.13 MPa，相對應邊材的分別為8.72 MPa和11.16 MPa。這和文獻報道木材的橫紋抗壓強度的在徑向大于弦向相一致[15]。

2.3.2 木材抗彎特性 火力楠心材和邊材的抗彎強度分別為107.57 MPa和87.09 MPa，均屬中等(78.5～117.6 MPa)[12]。心材和邊材的抗彎彈性模量分別為11.17 GPa和9.56 GPa，分別屬中等(11.0～14.7 GPa)和低(8.9～11.8 GPa)[12]。火力楠邊材抗彎曲性能低，不宜作為彎曲構建用材。

表2 火力楠心材和邊材力學性質

圖5 火力楠心材和邊材吸水特性

2.3.3 木材抗剪特性 火力楠心材的徑向和弦向順紋抗剪強度分別為14.37 MPa和14.55 MPa，相對應邊材的分別為12.86 MPa和12.96 MPa，二者均屬中等(9.9～14.7 MPa)[12]。

2.3.4 木材硬度 硬度表征木材抵抗其他剛體壓入木材的能力。火力楠心材的弦面、徑面和端面硬度分別為4.53、4.21 kN和6.10 kN，相對應邊材的分別為5.35、5.04 kN和7.26 kN。這和文獻報道木材硬度均是端面比側面高相一致[16]。計算火力楠心材和邊材在端面上可承受的壓入荷載分別為61.1 MPa和72.7 MPa，分別屬中(49.1～68.6 MPa)和高(68.7～98.0 MPa)[12]，說明火力楠屬于中高硬等級木材。火力楠邊材的硬度高于心材，這可能是由于木材硬度與密度密切相關，密度越大硬度越高[17]。

2.3.5 木材沖擊韌性 沖擊韌性是檢驗木材韌性的指標。火力楠心材和邊材的沖擊韌性分別為36.38 kJ·m-2和46.06 kJ·m-2，分別屬中等(30.4～44.1 kJ·m-2)和高等(45.1～58.8 kJ·m-2)[12]，說明火力楠木材韌性較好，可作為房屋建筑、膠合板和家具等方面用材[18]。

2.3.6 木材抗拉特性 順紋抗拉強度是木材沿纖維方向承受拉伸載荷的最大能力。火力楠心材和邊材的順紋抗拉強度分別為121.19 MPa和99.89 MPa，表明心材承受拉伸載荷的能力更高。

2.3.7 木材抗劈力 火力楠心材的徑向和弦向抗劈力分別為32.44 N·mm-1和40.82 N·mm-1，相對應邊材的分別為32.75 N·mm-1和42.52 N·mm-1。心材與邊材的抗劈力差別不大，且二者在弦向大于徑向。木材在弦面木射線呈軸向受拉，增強抗劈效果，導致木材的抗劈力通常是弦面大于徑面。

2.3.8 木材握釘力 火力楠心材的弦面、徑面和端面握釘力分別為25.53、27.80 N·mm-1和22.94 N·mm-1，相對應邊材的分別為32.00、34.23 N·mm-1和29.36 N·mm-1。火力楠邊材的握釘力大于心材，表示邊材對釘入的釘的夾持能力更強。火力楠心材和邊材的握釘力在端面均小于側面，這是由于握釘力在端面木纖維間的擠壓力遠小于在側面的木纖維的抗斷裂性能[19]。

2.3.9 木材綜合力學品質 綜合強度(順紋抗壓強度和抗彎強度之和)常用于未定具體用途木材力學強度品質等級的綜合評定。火力楠心材和邊材的綜合強度分別為158.88 MPa和136.20 MPa，對照木材綜合強度的劃分等級[12]，二者均屬高強度(107.9～166.6 MPa)。綜合品質系數為綜合強度與基本密度的比值，反映強度與密度之間的關系，適用于對木材既要求強度又限制質量的應用場合[20]。火力楠心材和邊材的綜合品質系數分別為291.52和242.34，對照木材綜合品質系數的劃分等級[12]，二者均屬強重比很高(>215.6)。

3 結論與討論

3.1 結論

火力楠心材L*、a*和b*分別為73.6、3.1和23.4，相對應邊材的分別為75.8、4.3和24.3。相比于邊材，心材顏色偏向黑色的程度更大，而偏向紅色和黃色的程度更小，顏色更加暗深。火力楠心材與邊材的總體色差為2.7，屬人視覺感覺差異“可察覺”。

火力楠心材和邊材在含水率15%時的密度分別為0.649 g·cm-3和0.671 g·cm-3，氣干體積干縮系數分別為0.22%和0.24%，氣干差異干縮分別為1.60和1.54。相比于心材，邊材的密度更大，差異干縮更小，但干縮率更大。邊材的吸水增重率大于心材，表明邊材的滲透性好于心材。火力楠心材和邊材均為密度中等、干縮性很小、氣干干縮的不均勻性小的木材。

火力楠邊材的硬度、沖擊韌性、抗劈力和握釘力大于心材，其余力學指標小于心材。火力楠心材和邊材的順紋抗壓強度、抗彎強度、順紋抗剪強度、端面硬度和沖擊韌性，均居于我國木材各項力學品質的中等及以上水平。火力楠心材和邊材的綜合強度分別為158.88 MPa和136.20 MPa，均屬高強度；綜合品質系數分別為291.52和242.34，均屬強重比很高。

從火力楠木材主要物理力學性質看，可開發其為家具和一般建筑用材。火力楠心材和邊材的顏色和物理力學性質存在差異。對火力楠木材進行實木利用，可根據木材用途對材性的具體要求，對火力楠心材和邊材進行分別加工，以達到適材適用。

3.2 討論

變異性是木材材性的重要特征，其涉及種間、種內、株間和株內，并與遺傳和生長環境等因素有關。火炬松木材密度徑向由里向外逐漸上升并趨于穩定，縱向向上逐漸降低[21]。巨桉木材密度徑向上穩定，縱向向上呈下降趨勢[22]。泡桐木材密度徑向由里向外呈拋物線型變化，縱向向上不斷增大[23]。輻射松邊材密度和干縮率大于心材，差異干縮小于心材[24]。木材力學性質的徑向變異規律及變異程度也隨樹種和具體指標而變[25-26]。可見，不同樹種木材物理性質的株內變異規律不同，有關心材和邊材物理力學性質的對比尚無統一定論。

已有火力楠材性相關的文獻表明火力楠木材密度株內最大值分布于樹干基部近樹皮的邊材部分[5]；火力楠木材的密度適中、干縮性小，主要力學性能指標均達到中等級別以上，木材的綜合強度高[2,5]。這些文獻結果均與本研究結果相符合。木材材性變異性大，本研究只分析了一種生長條件的試樣，限于試驗和取樣規模。進一步研究需結合生長條件等更多因素對火力楠木材性進行系統研究。