管雪梅 郭明輝

(東北林業(yè)大學(xué)，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(gòu)造和材性的變化，對(duì)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(guān)關(guān)系。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于木材染色的工藝研究較多，而對(duì)于木材本身的性質(zhì)，特別是解剖特性對(duì)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(fā)展。本研究以人工林樟子松單板為研究對(duì)象，測(cè)定其解剖性質(zhì)和染色效果，對(duì)樟子松的解剖特性進(jìn)行多元回歸分析，建立相關(guān)模型，定量地闡釋二者的相關(guān)關(guān)系和變化規(guī)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(jù)。

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(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，都為20世紀(jì)60年代種植的人工林。選取3株不同生長(zhǎng)環(huán)境的樣本，對(duì)每株樣本均從胸高處(1.3 m)橫向截取5.0 cm厚圓盤(pán)，標(biāo)明記號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室氣干處理，作為木材解剖構(gòu)造特征測(cè)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(shù)皮半徑長(zhǎng)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(hào)。所有指標(biāo)均取3組試件測(cè)量的平均值。

化學(xué)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(gòu)造特征的測(cè)定

采用常規(guī)方法制作木材解剖切片，利用木材圖像處理分析儀對(duì)橫切面木材解剖構(gòu)造特征進(jìn)行測(cè)定，對(duì)樟子松指標(biāo)分早晚材分別標(biāo)定。主要測(cè)量了胞壁率、導(dǎo)管形態(tài)、纖維形態(tài)、組織比量等木材解剖構(gòu)造特征。

1.2.2 木材染色方法與試驗(yàn)步驟

木材染色為便于對(duì)照和分析，采用一種染料在相同染色條件下進(jìn)行染色，最后評(píng)價(jià)解剖因子與木材染色效果的相關(guān)性。參考前人研究成果［4］，將試材用砂紙進(jìn)行表面清潔，按照以下質(zhì)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(guò)程中，對(duì)染液不斷進(jìn)行攪拌，使其充分流動(dòng);當(dāng)達(dá)到染色溫度(75℃)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，在還有10 min達(dá)到染色時(shí)間時(shí)，加入和上面相同質(zhì)量的食鹽(NaCl);當(dāng)達(dá)到染色時(shí)間時(shí)(60 min)，加入純堿進(jìn)行恒溫固色處理;固色時(shí)間達(dá)到30 min之后，關(guān)閉水浴鍋，取出燒杯。將染色單板取出用蒸餾水反復(fù)清洗至清洗液無(wú)色為止，然后晾干保存，等待顏色測(cè)定。

1.2.3 木材材色的測(cè)試

使用NF333型全自動(dòng)分光光度計(jì)測(cè)定染色前(素材)、染色后試件的明度(L*)，紅綠軸色品指數(shù)(a*)和黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)。每塊試件均取3個(gè)有代表性的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別為靠近縱向、靠近橫向，以及靠近中心。取3點(diǎn)的平均值用于計(jì)算和分析單板染色前后色度學(xué)指標(biāo)的變化量，利用公式(1)計(jì)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(guān)性的分析方法

采用多元回歸方法分析各個(gè)木材解剖因子對(duì)木材染色效果的影響和貢獻(xiàn)，從而確定影響木材染色效果的主要解剖因子［5］。有關(guān)分析計(jì)算均采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 樟子松的解剖特征

樟子松木材解剖特征結(jié)果見(jiàn)表1和圖1?？梢?jiàn)，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(shù)脂道和木射線組成。其組織比量結(jié)果從表1可見(jiàn)，樟子松木材木射線比量為10.26%，管胞比量高達(dá)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(gòu)造數(shù)據(jù)

2.2 染色前后樟子松色度學(xué)特征變化

樟子松木材染色前后色度學(xué)特征變化結(jié)果如表2所示?？梢钥吹皆缤聿拿鞫戎礚*都很高，黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*較高，紅綠軸色品指數(shù)a*很低，各色度學(xué)指標(biāo)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(dá)－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(shù)a*都顯著升高，但早晚材紅綠軸色數(shù)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(lán)軸色品指數(shù)b*降幅都不大，但相比而言，晚材的黃藍(lán)軸色品指數(shù)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(guò)55，表明早晚材染色前后木材材色都發(fā)生了明顯變化。

表2 樟子松木材染色前后色度學(xué)特征變化結(jié)果

考查樟子松染色前后L*－a*－b*三維散點(diǎn)圖和二維散點(diǎn)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(diǎn)位于圖的左上角，而染色材樣點(diǎn)位于圖的右下角，表明染色后主要呈現(xiàn)的是活性艷紅X－3B染料的顏色。而L*－a*、L*－b*、b*－a*二維散點(diǎn)圖顯示，未染色材樣點(diǎn)比較集中于一個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域，而染色材樣點(diǎn)比較分散，表明早晚材色度學(xué)指標(biāo)有區(qū)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(guān)分析

2.3.1 木材解剖構(gòu)造與木材染色效果的指標(biāo)

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

圖1 樟子松木材染色前后色度學(xué)特征變化圖

表3 木材解剖因子和染色效果指標(biāo)符號(hào)與含義對(duì)照

2.3.2 樟子松解剖因子間的相關(guān)性分析

樟子松解剖構(gòu)造指標(biāo)之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)如表4所示。可見(jiàn)，樟子松木材解剖構(gòu)造13個(gè)指標(biāo)間均有一定的相關(guān)性，其中早材管胞長(zhǎng)度(x1)和晚材管胞長(zhǎng)度(x6)、早材管胞弦向直徑(x2)和晚材管胞長(zhǎng)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(guān)系數(shù)都很高，分別為0.911、0.671、0.695、0.714和－0.987，絕對(duì)值均超過(guò)了 0.65，表明這些因子之間相關(guān)性很高。

解剖構(gòu)造指標(biāo)之間的相關(guān)性分析表明，解剖構(gòu)造指標(biāo)間有一定的相關(guān)性，并且有部分指標(biāo)之間高度相關(guān)。由于這些指標(biāo)間還存在著由數(shù)學(xué)計(jì)算引起的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，對(duì)樟子松可以剔除早材管胞長(zhǎng)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(gè)指標(biāo)。

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(duì)多線性回歸分析

以樟子松木材解剖因子的9個(gè)指標(biāo)作為自變量，以木材染色效果即樟子松染色前后色度學(xué)變化特征值的8個(gè)指標(biāo)作為因變量進(jìn)行多對(duì)多線性回歸分析。結(jié)果從表5可見(jiàn)，樟子松木材解剖因子的9個(gè)指標(biāo)和染色效果指標(biāo)之間均有較高程度的相關(guān)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.573 ～0.786。

2.4.2 解剖因子對(duì)染色效果的貢獻(xiàn)分析

樟子松解剖因子很多，為確定木材解剖因子對(duì)木材染色效果的貢獻(xiàn)，也就是尋找影響樟子松木材染色效果的主要因子。在此對(duì)樟子松木材解剖因子與其染色效果多對(duì)多回歸系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［6］，如表6所示。可見(jiàn)，對(duì)早材明度差(ΔL*)貢獻(xiàn)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(duì)早材紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)貢獻(xiàn)較大的為木射線比量x12(1.948)、管胞比量 x11(1.513)和樹(shù)脂道比量x13(0.56);對(duì)早材黃藍(lán)軸色品指數(shù)差(Δb*)貢獻(xiàn)較大的為木射線比量 x12(－1.031)、管胞比量 x11(－0.801)和樹(shù)脂道比量 x13(－0.42);對(duì)早材色差(ΔE*)貢獻(xiàn)較大的為早材胞壁率x4(－0.349)、早材壁腔比 x5(0.274)和樹(shù)脂道比量 x13(0.248)。對(duì)晚材明度差(ΔL*)貢獻(xiàn)較大的解剖因子為木射線比量x12(1.038)、晚材管胞長(zhǎng)度x6(0.659)和管胞比量x11(0.473);對(duì)晚材紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)貢獻(xiàn)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(zhǎng)度 x6(－0.776);對(duì)晚材黃藍(lán)軸色品指數(shù)差(Δb*)貢獻(xiàn)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(duì)晚材色差(ΔE*)貢獻(xiàn)較大的為晚材管胞長(zhǎng)度 x6(－0.867)、管胞比量 x11(0.444)和樹(shù)脂道比量 x13(0.405)。

表4 人工林樟子松木材解剖構(gòu)造指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

表5 樟子松染色前后色度學(xué)變化參數(shù)與解剖因子的多對(duì)多回歸結(jié)果

表6 樟子松木材染色前后色度學(xué)變化參數(shù)與解剖因子的多元回歸標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的比較

3 結(jié)論

對(duì)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(guān)性。樟子松木材解剖因子與其各個(gè)染色效果指標(biāo)間的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.573～0.786。采用比較多元回歸分析的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)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(shù)脂道比量和晚材管胞長(zhǎng)度等因子。

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