变色对竹柳材性及其单板层积材性能的影响

杨 莹，王新洲，邓玉和 ，董葛平，王向歌 ，陈明及,2，张 健

（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.越南西北农林高等学校，越南 谅山008425；3.江苏沿江地区农科所，江苏 如皋 226541）

变色对竹柳材性及其单板层积材性能的影响

杨 莹1，王新洲1，邓玉和1，董葛平1，王向歌1，陈明及1,2，张 健3

（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.越南西北农林高等学校，越南 谅山008425；3.江苏沿江地区农科所，江苏 如皋 226541）

探究了竹柳变色的类型，分析测定了变色与未变色竹柳木材的化学成分，并在相同工艺条件下制造变色与未变色竹柳单板层积材(LVL)，研究了变色对竹柳材性及其LVL性能的影响。研究结果表明：竹柳木材变色是由真菌引起的；变色竹柳木材的各项抽提物含量都比未变色竹柳木材稍低；pH值在竹柳变色前后发生变化，由5.42增大至5.51；相同工艺条件下制造的变色竹柳LVL在垂直和水平两种加载条件下的MOE和MOR以及TS均低于非变色竹柳LVL。

竹柳；变色；单板层积材；性能

木材变色是指木材由于受到环境（光照、氧气、含水率、温度）和微生物的作用，产生于其表面及内部的颜色变化。因发生的原因不同，可以分为三类：一类是光变色，木材暴露于室内外环境，在太阳辐射的作用下，受温度、湿度等气候因子的影响，表面发生缓慢而复杂的物理化学变化，导致木材变色；第二类是化学变色，包括单宁变色和氧化变色，与光变色合称为非生物变色；第三类是真菌变色，又称生物变色，包括霉变和蓝变（又称青变、边材变色）。其中真菌变色对木材材色的影响最为严重[1-3]。

竹柳Salix discolor是我国新培育出的速生树种，具有生长周期短、出材率高、适应性广、材质好等特点，是制造胶合板和纸张的上等材料和高效新能源树种[4]。此外，竹柳还具有抗寒、抗旱、抗淹、抗盐碱、移栽成活率高等特性，适种地区几乎涵盖全国。竹柳的推广种植，可以为木材加工行业提供充足的原料，将竹柳应用于制造人造板，是开辟速生竹柳小径材的高效利用途径，将会缓解我国木材供求矛盾。但是，在竹柳的研究过程中发现，刚刚采伐的原木，含水率很高，达100%以上，在存放过程中很容易发生蓝变和霉变，产生的色斑污染木材表面，使得其颜色差加大，影响到竹柳的表面美观，从而影响木材的利用。

随着竹柳的广泛种植和工业化利用的开展，竹柳将大幅度增值，其应用也会更为广阔。若竹柳及其产品在加工、使用过程中发生变色，这将不仅影响竹柳木材外观和终端产品的价值，而且还可能为竹柳生产厂家造成巨大的经济损失，也将限制竹柳的应用领域。我国胶合板、薄木、家具及装饰木制品的质量标准，对变色均有不同程度的限制，出口产品要求更严，不许有蓝变、霉变。某些热带木材因容易蓝变，常被认为是低等级木材，甚至未能合理利用[5]。因此，竹柳变色的研究非常有必要，通过探究竹柳变色的类型、原因，可以为有效防治和消除竹柳木材变色提供方法，提高竹柳木材的利用率和价值，为竹柳在人造板领域的应用提供技术支持。

本文研究了竹柳变色的类型，分析测定了变色与非变色竹柳木材的化学成分，并在相同的工艺条件下制造竹柳单板层积材（LVL），比较了变色对其物理力学性能的影响，旨在为变色竹柳的开发利用以及防治和消除提供借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

竹柳原木来自江苏森茂生态科技有限公司，4年半生，耐盐。原木分为两类：变色材和未变色材。脲醛树脂胶粘剂：购于东佳木业有限公司，固含量53% ± 2%。填料：市售面粉，添加量为15%。固化剂：工业用NH4Cl，添加量为1%。

1.2 试验方法

1.2.1 竹柳变色类型的确定及化学成分

参照美国学者Wilcox[6]提出的区分木材微生物与非微生物变色类型的试验方法，选取表面材色较为均匀的变色竹柳材与未变色竹柳材，将两类木材锯解加工成20 mm × 20 mm的小立方体试样，并分别用密封袋装好密封，表上名称备用。加工后试样含水率变色材为9.68%，未变色材为9.53%。用饱和乙二酸（C2H2O4）溶液和体积分数为15%的过氧化氢（H2O2）溶液分别涂刷两种木材表面，对其进行脱色处理，处理后的试样放置一段时间后，观察变色竹柳木材表面的色斑是否消除。

1.2.2 竹柳LVL的制备

1）单板制备：将原木截成0.45 ～ 0.60 m的木段，经剥皮、旋切，制成厚度为2 mm的单板。图1为竹柳单板，其中左图为变色竹柳单板，右图为未变色竹柳单板。

2）干燥整平：将竹柳单板放置于干燥箱中，干燥到含水率为6% ～ 10%。裁剪成450 mm ×300 mm幅面备用。

3）组坯涂胶：分别用变色竹柳单板与未变色竹柳单板以正面对正面、背面对背面的方式进行顺纹组坯。手工涂胶后陈放30 min。单面涂胶量为240 g/m2，设定样板厚度为18 mm，层数为10层。

4）胶合：采用1.0 MPa的压力预压板坯30 min，再进行热压。

根据前期的探索性试验，设定热压工艺参数为：热压温度135 ℃，热压压力2.0 MPa，热压时间1.0 min/mm。

图1 竹柳单板Fig.1 Veneer of Salix discolor

1.3 化学成分及性能的测定

1）化学成分

参照GB/T 2677《造纸原料化学成分分析》测定冷水抽提物含量、热水抽提物含量、1%NaOH抽提物含量、苯醇抽提物含量、综纤维素含量、酸不溶木素含量[7-11]；参考《制浆造纸分析与检测》[8]测定纤维素含量。

2）竹柳LVL性能

参照GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板性能测试方法》和GB/T 20241-2006《单板层积材》检测密度、垂直加载的弹性模量（MOE⊥）和静曲强度（MOR⊥）、平行加载的弹性模量（MOE∥）和静曲强度（MOR∥）、浸渍剥离率以及24 h吸水厚度膨胀率（TS）。

2 结果与分析

2.1 竹柳变色类型的确定

用饱和乙二酸溶液和过氧化氢溶液涂刷处理变色木材，可以明确判断木材变色是否属于微生物变色类型。木材色斑能够消除，为非微生物变色，否则为微生物变色[6]。

脱色处理结果表明，用饱和乙二酸溶液处理后，变色竹柳木材表面的蓝黑色色斑与原来的变化不大，色斑未能消除；用过氧化氢溶液处理后，变色竹柳木材的蓝黑色条纹消除。由此可认为竹柳木材的变色属于微生物变色类型。

2.2 变色对竹柳木材化学成分的影响

竹柳木材的化学成分见表1。

表1 变色与未变色竹柳木材的化学成分测定结果Table 1 Experiment results of chemical composition of discoloration and non-discoloration Salix discolor

木材的化学成分是影响其物理力学性能、天然耐久性、材色及加工利用的重要因素。从表1可以看出，变色后，竹柳木材的各项抽提物含量都降低。木材水抽提物是指木材成分中能溶于水的物质[12]。冷水抽提物一般包含单宁、色素、生物碱、可溶性矿物成分及某些单糖，热水抽提物除了含有冷水抽提物的成分外，还包含淀粉和果胶质[13]。冷水抽提物含量低，表明变色材的可溶性矿物成分及其他某些糖类的含量等较未变色木材要低；热水抽提物含量低，则表明变色材中的淀粉和果胶质等含量较未变色木材要低。因此，变色竹柳木材冷、热水抽提物含量比未变色竹柳木材低，可能是由木材成分中单糖、低聚糖以及糖醇类等化合物含量低引起的。

1% NaOH溶液除了可溶解能被冷水和热水抽提的物质之外，还能溶出部分聚合度较低、支链较多、耐碱性较弱的半纤维素[14]。在木材变色过程中，组成木材细胞壁的部分多糖类物质被真菌分泌的酶分解成可溶性低分子物质，多糖类物质被真菌所消耗，使得1% NaOH抽提物含量减少，故变色竹柳木材1% NaOH抽提物含量低于未变色竹柳木材。苯醇抽提物主要由树脂、蜡、脂肪、香油精、单宁、色素、部分碳水化合物和微量的木质素组成，变色竹柳木材的苯醇抽提物含量也低于未变色竹柳木材，这表明经过变色菌的作用，木材中脂肪酸、脂肪烃、萜类化合物以及芳香族化合物含量减少。

木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素是自然界储备量最大、分布最广的有机物，赋予木材抗拉强度，起着骨架作用。半纤维素的组成中含有多种糖基，分子链很短，对木材的强度、吸湿性和木材干燥中的设备有一定的影响。木质素则是由苯丙烷结构单元构成的具三维结构的天然高分子化合物，具有加固木材组织细胞壁的作用，对木材的颜色、胶合等有影响[15]。综纤维素包括纤维素和半纤维素。一般都认为变色菌主要是侵蚀细胞的内含物，不会对木材细胞壁组织造成危害[16]，但根据各项抽提物的含量来看，变色菌在适宜的条件下，也会溶蚀木材细胞壁，造成纤维素、木素等木材主要成分含量的降低。从综纤维素、酸不溶木素及纤维素的变化趋势来看，变色竹柳木材的酸不溶木素含量仅比未变色竹柳木材减少了0.69 %，而综纤维素和纤维素的变化幅度更小，分别为提高了0.09 %和降低了0.12 %，可以认为变色前后竹柳木材综纤维素、酸不溶木素以及纤维素含量变化并不明显，说明具有结晶结构的纤维素在木材变色过程中不易发生分解或降解反应。

在人造板生产过程中，原料的pH值是影响胶粘剂固化速度和胶合强度的重要因素。本试验所使用的脲醛树脂胶粘剂需要在酸性条件下固化，而试验采用的竹柳木材是在盐碱性立地条件下生长的，所测得的pH值偏酸性，故竹柳的固化性能良好。变色使得竹柳木材的pH值发生了相应的变化，根据Cartwright和Findlay的研究[17]表明，真菌能够改变其侵害物质的pH值，这可能是由于真菌产生的酸使被侵害物质的pH值朝着有利于他们生长的方向变化，不同的真菌使被侵害物质pH变化的方向和范围是不同的，所以表1显示变色竹柳木材的pH值增大。

2.3 变色对竹柳LVL物理力学性能的影响

在同一热压工艺条件下，变色与未变色竹柳单板分别压制的LVL密度为0.514 g/cm3和0.512 g/cm3，试验设定的产品目标厚度为18 mm，测得实际厚度分别为17.75 mm和17.72 mm。

图2和图3显示了变色与未变色竹柳LVL在垂直加载和水平加载两种条件下的弹性模量（MOE）和静曲强度（MOR），通过对比，可以直观地看出，变色竹柳LVL的MOE⊥、MOR⊥和MOE//、MOR//均比未变色竹柳低。垂直加载时，未变色竹柳LVL的MOE⊥和MOR⊥分别为 5 135.13 、69.94 MPa， 而 变 色 竹 柳 LVL 的MOE⊥降低至4 136.59 MPa，比未变色竹柳降低了19.4%，MOR⊥减少至64.89 MPa，减少了7.2%；水平加载条件下，变色竹柳LVL的MOE//和MOR//分别比未变色竹柳LVL降低32.8%和28.0%，降低的幅度大于垂直加载。综上，由变色竹柳单板压制而成的LVL，其MOE⊥、MOR⊥和MOE//、MOR//均低于未变色竹柳。

目前，对于木材变色是否对木材性质产生影响，还未形成定论，主要有两种说法：一种是认为对木材的强度没有影响，另一种则认为木材边材变色会引起干质量损失，韧性降低，表面硬度和弯曲强度下降，总之，木材性质的变化与引起变色的真菌及木材种类有关[18]。从图2和图3可知，变色竹柳LVL在垂直和水平两种加载条件下的MOE和MOR均比未变色竹柳LVL低，这可能是因为变色对竹柳木材产生了一定的影响，使其材性发生了变化，从而使变色竹柳单板强度降低，由其压制而成的竹柳LVL力学性能低于未变色竹柳LVL。

在相同的制造工艺条件下，测得试验中变色与未变色竹柳LVL的所有试件浸渍剥离率均为0，未出现明显的胶层分离，说明变色竹柳LVL与未变色竹柳LVL都有良好的胶合性能，且变色并未影响其胶合性能。

从图4可以看出，变色竹柳LVL的TS低于未变色竹柳LVL。未变色竹柳LVL的TS为5.79%，变色竹柳LVL的TS为5.49%，两者相差不大，经过SAS方差分析表明，变色竹柳LVL与未变色竹柳LVL的TS无显著差异。

图2 变色对MOE⊥和MOR⊥的影响Fig.2 Effects of discoloration on MOE⊥ and MOR⊥ of Salix discolor LVL

图3 变色对MOE∥和MOR∥的影响Fig.3 Effects of discoloration on MOE// and MOR// of Salix discolor LVL

图4 变色对板材TS的影响Fig.4 Effects of discoloration on TS of Salix discolorLVL

3 结 论

1）竹柳木材变色是由真菌引起的，属于微生物变色类型。

2）变色使得竹柳木材的各项抽提物含量降低。变色竹柳木材的冷、热水抽提物含量低可能是由于木材成分中单糖、低聚糖以及糖醇类等化合物含量低的缘故。1% NaOH抽提物含量低可能与多糖类物质被真菌所消耗有关：经过变色菌的作用，木材中脂肪酸、脂肪烃、萜类化合物、芳香族化合物含量减少，导致苯醇抽提物含量也降低。

3）变色竹柳木材的综纤维素、酸不溶木素以及纤维素含量变化均不明显，表明具有结晶结构的纤维素在木材变色过程中不易发生分解或降解反应。

4）竹柳木材的pH值在变色前后发生变化，有所升高，这是由于真菌产生的酸能够使基物的pH值朝着有利于他们生长的方向变化，不同的真菌使基物的pH变化的方向和范围不同。

5）相同工艺条件下制造变色与未变色竹柳LVL，通过对比两者物理力学性能，发现变色竹柳LVL在垂直和水平两种加载条件下的MOE和MOR以及TS均低于非变色竹柳LVL。

[1]柳献忠. 进口樟子松的变色及预防和控制[J].木材工业机械,2003,14(6):21-22.

[2]邵灵敏,郭洪武,李 黎,等.木材和染色木材光变色的研究进展[J].材料导报,2011,25(2):83-86.

[3]李玉栋.木材的变色及其预防和控制[J].人造板通讯,2002,(3):10-13.

[4]房洪才.美国竹柳及其扦插技术[J].新农村,2010,(10):21-23.

[5]林 勇.新鲜原木和锯材的防蓝变及防霉变[J].中国林业产业,2004,(6):64.

[6]Wilcox W W. Some methods used in studying mocrobiological deterioration of wood[J].U.S. Forest service research note，1964,FPL-063.

[7]GB/T 2677.4-1993.造纸原料水抽提物含量的测定[S].

[8]GB/T 2677.5-1993. 造纸原料1%NaOH抽提物含量的测定[S].

[9]GB/T 2677.6-1994. 造纸原料有机溶剂抽提物含量的测定[S].

[10]GB/T 2677.8-1994.造纸原料酸不溶木素含量的测定[S].

[11]GB/T 2677.10-1995.造纸原料综纤维素含量的测定[S].

[12]刘书钗.制浆造纸分析与检测[M].北京:化学工业出版社，2003: 8.

[13]陈茜文.湖南主要树种木材的化学成分分析 [J].中南林学院学报,1995,15(2):190-194.

[14]吕文华,肖绍琼,木乔英.西南桦木材变色的主要原因[J].北京林业大学学报,2002,24(4):107-110.

[15]胡进波.人工林尾巨桉木材材色、化学性质及其遗传变异研究[D].长沙:中南林业科技大学,2006:6.

[16]姜卸宏,常建民,李小青.白桦木材的变色类型及变色前后化学成分分析[J].林业科技开发,2006,20(5): 36-40.

[17]Ratto M,et al. Screening of micro-organisms for decolorization of melanins produced by bluestain fungi[J]. Appl. Microbiol.Biotechnol.,2001,55(2): 210-213.

[18]赵桂华,吴玉柱,孙贤琦,等.木材蓝变对木材性质的影响[J].林业实用技术,2006,(10):6-8.

Effect of dis-coloration on properties of Salix discolor and its laminated veneer lumber

YANG Ying1,WANG Xin-zhou1,DENG Yu-he1,DONG Ge-ping1,WANG Xiang-ge1,TRAN Minh Toi1,2,ZHANG Jian3
(1.College of Material Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China; 2. Northwest Agriculture and Forestry University,Langson 008425,Vietnam; 3. Agricultural Research Institute for Along Yangtze River Area,Rugao 226541,Jiangsu,China)

The chemical compositions of Salix discolor woods with and without discoloration were studied in order to study the types of the discoloration. The effects of discoloration on the properties of S.discolor woods and its laminated veneer lumber (LVL) under the same technological parameters were also studied. The results show that discoloration of S. discolor woods was caused by the fungi; The extractive contents in all items of discoloration S. discolor were a little lower than those of non-discoloration S. discolor; The pH value of the LVL increased from 5.42 to 5.51 after discoloration; And the non-discoloration S.discolor LVL presented the higher properties including MOE,MOR in vertical and horizontal loading directions and TS.

Salix discolor; discoloration; laminated veneer lumber; veneer lumber properties

S718.4

A

1673-923X(2016)01-0129-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.022

2014-05-15

江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（CXLX13_527）

杨 莹，硕士研究生 通讯作者：邓玉和，教授，博士生导师；E-mail：dengyuhe@hotmail.com

杨 莹，王新洲，邓玉和，等. 变色对竹柳材性及其单板层积材性能的影响[J].中南林业科技大学学报,2016,36(1):129-133.

[本文编校：谢荣秀]