干燥温度对红锥树盘材色变化及干燥缺陷的影响

刘光金，贾宏炎，徐建民

(1 中国林业科学研究院 热带林业实验中心,广西 凭祥 532600;2 中国林业科学研究院 热带林业研究所,广东 广州 510520)

干燥是木材工业加工利用的重要环节，其目的在于改善木材物理性能，提高木材稳定性，增强木材耐腐蚀性和耐气候性等[1-2]。干燥过程中，温度、时间、抽提物水解及氧化等均会引起木材材色的变化[3-4]。而木材材色变化及其稳定性关乎木制品的外观质量，进而影响木制品价值[5-6]，因此备受学者关注。Berrocal等[7]有关柚木(TectonagrandisLinn. f.)干燥过程中材色变化的研究表明，亮度L*变化最大，其次是色度b*，色度a*变化最小。Bekhta等[8]分析了桤木(AlnusglutinaosaGaertn.)、山毛榉(FagussylvatiaL.)、疣皮桦(BetulaverrucosaEhrh.)和樟子松(PinussylvesrrisL.)木材材色的热变化，发现色度a*较亮度L*和色度b*变化显著。Kaygin等[9]分析了兰考泡桐(PaulowniaelongateS. Y. Hu)木材材色的热变化，发现木材亮度L*减少，而色度a*和色度b*增加。由此可见，随着热干燥的进行，木材亮度L*、色度a*和色度b*等性状均会发生明显变化，有可能降低用材树种木材材色的稳定性和匀质性，进而影响其装饰性能和外观美感。因此，开展干燥对木材材色变化影响的研究,对于木材的高价值利用有重要意义。

将原木加工成树盘，木材利用接近零损耗，是充分高效利用木材资源的新工艺、新技术之一，且树盘截面材色佳、纹理美观，尤其是以高价值珍贵树种原木为材料制作而成的工艺品，视觉美感诱人，艺术价值极高[10]。然而，原木树盘干燥过程中易产生端裂，制约了该工艺的推广与利用。基于此，研究者开展了树盘干燥特性的研究。Kubler等[11]及Wilhelmy等[12]采用有限元分析方法，解析了端面生长应力分布。Kang等[13]及Lee等[14]通过高频真空干燥树盘，探讨了心边材含水率变化及其干燥特性。一些学者则进一步专注于研发高品质干燥工艺，抑制或减缓树盘开裂，如Choi等[15]采取移除或封闭边材措施，减少心边材含水率差异，从而达到抑制干燥开裂的目的。Yang等[16-17]使用NaCl处理树盘，以大幅减少开裂。以上研究增进了对于树盘干燥开裂特性的认识，并优化其干燥工艺，有效地减少了干燥过程中由木材干缩而产生的开裂，有助于珍贵木材的加工利用。

红锥(CastanopsishystrixA.DC)是我国珍贵工业用材树种，其木材色泽红润、纹理美观，非常适宜制作高档装饰品、高价值家居和工艺品，具有较高的经济价值和艺术价值[18]。红锥木材内应力大，在干燥过程中极易开裂和变形[19]。优化干燥工艺，减少开裂和变形，改善木材性能，已成为红锥加工利用迫切需要解决的问题。吕建雄等[20]分析了红锥人工林锯材南北向、不同高度和不同径向的干缩性能，发现南北向、不同高度和不同径向对红锥干缩影响均不显著。刁海林等[21]采用强制气流循环式干燥窑开展了红锥锯材干燥中试，并制定了中试干燥基准。然而干燥过程中，红锥心材、边材材色变化及其稳定性和树盘干燥缺陷的研究尚未见报道。为此，本研究以39年生红锥人工林为对象，分析干燥过程中红锥树盘心材、边材材色变化及其裂纹数目、长度和宽度等干燥缺陷，旨为红锥木材干燥工艺及其高价值利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心哨平实验场(106°51′ E，22°02′ N)，海拔200～500 m，低山丘陵地貌。该地属南亚热带季风气候区，温暖湿润，雨热同期，非常适宜红锥人工林生长。年均温度为19.9～21.5 ℃，年降水量1 200～1 550 mm。土壤为紫色土，其成土母岩为紫色砂岩，土层深度1 m以上。

1.2 样地调查

于2019年10月，选取39年生红锥人工纯林，沿山体等高线，设置20 m×30 m样地5块。对样地内所有红锥每木检尺，使用胸径尺测定胸径，超声波测高器(Vertex Ⅳ,Sweden)测定树高和枝下高。各样地信息见表1。

表1 5块红锥人工林样地概况

1.3 树盘解析

根据调查数据，每块样地择选1株优势木，共对5株优势木进行树干解析。解析木标记北方向后，定向伐倒。使用油锯在距干基2 m处依次截取主干材树盘 4个，树盘厚度为3～5 cm，共计20个，标号后使用保鲜膜紧密包扎带回实验室。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计整理；采用三次曲线拟合干燥时间与树盘含水率及心材、边材材色热变化的关系模型；使用SPSS 19.0单因素方差分析，探究干燥温度对红锥心材和边材裂纹数目、裂纹长度和裂纹宽度等干燥缺陷的影响。

2 结果与分析

2.1 干燥过程中红锥树盘含水率的变化

红锥树盘初始含水率为74.13%，气干含水率为14.11%。由图1可见，60，80和120 ℃ 3种干燥温度下，红锥树盘含水率均随干燥时间增加快速减小，3条曲线拟合度R2均高于0.989，较好地反映了干燥时间与树盘含水率之间的关系。根据含水率的动态变化，将木材含水率变化过程分为3个阶段：0～8 h，为急剧失水阶段，该阶段3种温度干燥处理失水量占初始值的比例分别为54.42%，52.13%和63.95%；10～22 h，为缓慢失水阶段，此阶段3个处理失水量占比分别为第一阶段的67.79%，65.33%和53.53%；24～32 h，为稳定失水阶段，该阶段3种温度干燥处理失水量占比仅分别为第一阶段的15.11%，9.35%和2.47%。

图1 红锥树盘含水率随干燥时间的变化

2.2 干燥过程中红锥木材材色的空间分布

CIELab色彩空间体系可将人眼所能辨识的颜色转化为3个色度学指数，即亮度L*、色度a*和色度b*，分别反映了颜色明暗程度、红绿轴向特征和黄蓝轴向特征。表2显示，常温室内阴干条件下(CK)，红锥心材、边材材色指数的变异值ΔL*、Δa*和Δb*分别为-7.50，5.04和-0.83，两者总色差ΔE*为9.07。60，80和120 ℃干燥处理结束后经室内静置至恒质量，红锥心材、边材的色差ΔE*较对照处理分别减少了3.95，3.85和0.78。方差分析结果表明，不同处理之间红锥心材、边材材色差异显著(P<0.05)。

2.3 干燥过程中红锥木材材色的变化

图2 红锥心材随干燥时间的变化

图3 红锥边材随干燥时间的变化

图4 红锥心材随干燥时间的变化

图5 红锥边材随干燥时间的变化

图6 红锥心材随干燥时间的变化

图7 红锥边材随干燥时间的变化

图8 红锥心材随干燥时间的变化

图9 红锥边材随干燥时间的变化

2.4 干燥过程中红锥木材干燥缺陷的变化

由表3可知，随干燥温度增加，红锥心材裂纹数目和裂纹长度总体表现为增加趋势。常温阴干(CK)和60，80，120 ℃干燥处理的红锥心材裂纹数目分别为2.0，3.0，3.6和4.6条，心材裂纹长度分别为19.38，24.50，27.80和39.02 cm；常温阴干和60，80 ℃干燥处理的裂纹宽度分别为2.36，2.85和2.36 mm，均小于120 ℃干燥处理。常温阴干红锥心材的裂纹数目、裂纹长度和裂纹宽度均显著低于120 ℃干燥处理(P<0.05)。

表3还表明，常温阴干的红锥木材没有劈裂，而其他3个干燥温度处理下红锥边材裂纹数目、裂纹长度和裂纹宽度均随干燥温度增加呈递增趋势。60 ℃干燥时，红锥边材裂纹数目、裂纹长度和裂纹宽度分别为0.4条，5.90 cm和1.26 mm；80 ℃干燥时，其值较60 ℃分别增加了0.4条，2.90 cm和2.83 mm；120 ℃干燥条件下，其值较60和80 ℃干燥分别增加了150.00%，80.17%，254.76%和25.00%，20.80%，9.29%。单因素方差分析结果表明，常温阴干与80，120 ℃干燥处理的红锥边材裂纹数目、裂纹长度、裂纹宽度均达到差异显著水平(P<0.05)。

表3 不同干燥温度处理下红锥心材、边材裂纹数目及其长度和宽度的比较

3 讨 论

3.1 含水率对红锥木材材色变化的影响

3.2 干燥温度对红锥木材材色变化的影响

干燥温度是木材热处理工艺的核心，不同干燥温度条件下，木材表面颜色的稳定性和均质性产生巨大变异，如柚木经高温干燥，木材表面颜色变暗[25]。本研究中，60和80 ℃干燥，红锥心材、边材材色变异小，可较好保持木材自然色泽，而120 ℃干燥时心材和边材色泽变化均较大，无法保持自然色泽。Barcík等[26]研究了橡树(QuercusrobruL.)、疣皮桦和樟子松木材在160，180，210和240 ℃干燥条件下的颜色变化，结果显示，3个树种木材亮度L*的热变化均随干燥温度的增大而增加，而色度a*和色度b*的热变化无规律可寻，这种不规律的热变化可能与木材组分的热化学反应有关。通常来说，低温干燥条件下，木材内部的水分缓慢外移，驱动酚类等水溶性抽提物外移而聚集在木材表面，引起木材表面颜色变化[27]。当转为高温干燥条件时，这些水溶性抽提物被空气中的氧氧化，从而使木材发生变色[3]。此外，高温干燥条件下，木材组分纤维素、半纤维素和木质素发生降解，分解出羰基、羧基、醌类、芪类等物质参与木材黄变反应[4,28]。由此可见，高温虽可加快干燥速率，用时短，能耗少，但木材表面、内部易发生热变色反应，产生不均匀变色[23]，亦存在不可预见性。因此，选择合理干燥温度对不同树种保持木材材色品质至关重要。

3.3 干燥时间对红锥木材材色变化的影响

3.4 干燥温度对心材和边材材色变化的影响

根据表面颜色，将成熟龄树盘分为心材区、边材区和边心材过渡区，这3个区域的材色与其木材组分密切相关[31]，其中，亮度L*与树脂、酚类抽提物含量呈显著负相关[32]，色度a*主要是由抽提物成分及含量决定的[33]，色度b*主要与纤维素、半纤维素和木质素降解产物羰基、羧基、醌类、芪类等物质有关[28]。因此，实木装饰用材树种心材和边材的自然色泽差异巨大。本研究中，60，80和120 ℃处理下，红锥心、边材材色指数发生不同步变化，其根源来自于本身的自然色泽分化。此外，干燥过程中，心、边材木材组分及其变色反应亦可扩大心、边材色差。唐荣强等[34]发现，心、边材木质素和抽提物含量变异导致其材色差异。曹燕燕等[35]亦发现，高温干燥下，枫桦(Betulacostata)边材的色度b*和色度a*随温度升高和时间延长而逐渐增大，心材色度b*则持续降低，进一步解析其变色机理发现，心、边材热变色与黄酮类和多酚类物质等抽提物的酚羟基或取代基发生变色反应有关。

3.5 干燥温度对木材总色差ΔE*的影响

ΔE*可以反映木材材色的总变化，其值越大，木材材色变化越大。Cui等[36]根据人眼对木材材色变化的识别度，将木材材色ΔE*分为4个等级：0≤ΔE*≤1.5，人眼不能辨识；1.5<ΔE*≤3.0，勉强分辨；3.0<ΔE*≤6.0，能分辨；6.0<ΔE*≤12，极易分辨；ΔE*>12，突变为2种不同颜色。基于此，红锥心材和边材材色热变化显著，均能或极易被人眼识别，因此会影响其外观品质，尤其是120 ℃高温干燥末期，边材褐化严重，其颜色变为暗褐色。由此可见，开展高价值用材树种材色热变化研究，优化干燥工艺，将有助于改善木材材色，提高其外观美感及高价值装饰性能。本研究中，60和80 ℃干燥条件下，红锥树盘的心材和边材热变化相对较为平缓，可保持其木材材色的稳定性和匀质性。

3.6 干燥温度对木材干燥缺陷的影响

有关树盘干燥开裂是否受干燥温度影响，目前尚存在争议，研究结果因干燥工艺不同而存在巨大差异。有研究显示，保持干燥环境湿度恒定，温度越高树盘开裂越严重[37]。艾沐野等[38]及赵景尧等[39]亦提出了低温高湿的树盘干燥工艺，这是因为温度高、湿度低，导致水分移动与蒸发过快，加剧表层的干燥应力产生，先在心材部分诱生表裂，并随干燥持续进行而逐步扩展。本研究发现，常温及60，80和120 ℃干燥处理后，红锥树盘心材的裂纹数目分别为2.0，3.0，3.6和4.6条，边材的裂纹数目为0，0.4，0.8和1.0条，表明心材及边材裂纹数目随干燥温度升高而增多，与上述研究结果一致。由上述结果可知，不管热干燥与否，红锥心材均出现裂纹，此亦表明还需要采取其他措施以解决开裂问题，提高木材利用率。

4 结 论

本研究中，红锥树盘初始含水率高达74.13%。3种干燥温度条件下，心、边材材色热变化总体表现为ΔL*热变化较大，Δa*和Δb*热变异平稳。60和80 ℃干燥条件下，其心材的总色差范围分别为5.33～10.80和5.41～9.70，裂纹数目分别为2.0和3.0条，裂纹长度分别为24.50和27.80 cm，裂纹宽度分别为2.85和2.36 mm，相比于120 ℃干燥，60和80 ℃干燥有效减少了心、边材材色变化并可缓解开裂，是红锥树盘较为适宜的干燥温度。

志谢:承蒙曾杰研究员指导研究方案和论文修改，王春胜博士指导数据处理，特致谢忱！