热处理和植物油蜡浸润对落叶松颜色均一性和耐候稳定性的影响

人工林兴安落叶松（Larix gmelinii）：采自黑龙江鹤岗地区，25年生。弦切板初始尺寸为4 000 mm（L）×200 mm（T）×45 mm（R）。板材在实验室内半封闭条件下经过近1年的气干与平衡处理，初始含水率为20%±2%。心、边材的气干密度分别为0.71、0.64 g/cm³。

自制植物油蜡混合溶液^[12]，由3种油和2种蜡组成。大豆油、桐油、亚麻油质量比为9∶3∶1，蜂蜡、棕榈蜡质量比为1∶1。蜂蜡和棕榈蜡仅占油蜡混合溶液的0.5%。混合溶液整体呈淡黄色，质地均匀。

恒温恒湿试验箱、木材热改性专用试验箱、可控温专用容器箱。

经过16组热处理和联合处理后的心、边材试样的颜色变化，如图1所示。

图1  热处理和联合处理落叶松表面颜色

Fig.1  Surface color of larch samples with thermal treatment and joint processing

随着热处理温度的升高和时间的延长，两组木材颜色逐渐变暗变红，但心材表面颜色的变暗程度比边材略明显。主要原因是在热处理过程中，羰基先减少后增加并伴随着共轭芳酮、醌类结构和醚键的增多，导致热处理后木材颜色向深褐色转变^[15]。由于边材与心材的化学组成并无明显差别，心材则因半纤维素、木质素及抽提物含量较多，存在更多的酚羟基、羰基、双键等发色与助色基团，从而呈现出比边材更深的颜色^[16]。

相比热处理材，浸润处理后的落叶松表面颜色更加饱满。试样在200 ℃油浴环境下热解产物持续挥发，植物油蜡分子渗透填充到细胞腔内，在同等处理条件下边材比心材吸收更多的植物油蜡^[17-18]。

联合处理落叶松试件色度学参数如图2所示，在几乎所有的热处理工艺下，心材试样的L*、b*均低于边材，a*高于边材；从图2f中也可以看出，在相同的热处理条件下，大部分联合处理后的心材与边材之间的色差整体大于对照未浸润试样。

图2热处理与植物油蜡联合处理落叶松样品色度学参数

Fig.2Colorimetric parameters of larch samples with thermal treatment and plant oil wax infiltration

已有研究中发现，ΔE=3可以定义为人类对颜色色差的感知极限（即当色差值＜3时，人眼无法分辨颜色差异）^[19]。表2显示了落叶松不同工艺处理后心材与边材之间的颜色差异。

表2  热处理与植物油蜡浸润联合处理落叶松心边材色差

Tab.2  Color difference of larch samples with thermal treatment and plant oil wax infiltration

表2中对角线上ΔE表示经相同工艺热处理（identical thermal treatment，ITT）后心材和边材之间的差异（加粗方框）。在热处理组别中，仅在180 ℃+2 h处理时，心材与边材色差为2.70，可以实现落叶松颜色的均一性。对心材与边材分别施以不同热处理条件以达到颜色均一这一方法，被称为颜色均一化热处理（homogeneous thermal treatment，HTT）。表中HTT（S-H）表示边材与心材色差的最小值（简化H₁，加粗显示）；HTT（H-S）表示心材与边材色差的最小值（简化H₂，斜体显示）。

观察心边材色差的变化率发现，在HTT处理下落叶松心边材色差值要比ITT处理工艺小50%～80%，最高达86%；而植物油蜡浸润处理后，HTT工艺下的心边材色差比ITT工艺小更多，最高为91%。以ΔE=3为界限，联合处理工艺下得到12组材色均一化处理方案组合，具体见表3。

整体来看，无论是热处理还是联合处理，HTT的所有组别与ITT相比，心边材两组样本之间的颜色差异性均明显降低。采用植物油蜡对落叶松进行浸润处理，发现了更多减小心边材色差的工艺组合。因此，使用HTT与植物油蜡浸润联合处理工艺，可以获得心边材材色均一的落叶松板材。

联合处理心边材的FTIR光谱分析见图3。

图3  植物油蜡及其浸润处理后心边材的FTIR光谱

Fig.3  FTIR spectrum of plant oil wax and infiltrated heartwood and sapwood

植物油蜡富含以碳碳双键‒乙烯基为代表的发色基团（3 008 cm^-1处的碳碳双键的C‒H伸缩振动）与以碳氧单键‒酯基为代表的助色基团（1 159 cm^-1处指纹区的C‒O‒C中的C‒O伸缩振动基团)，以及酯的FTIR光谱的特征频带（1 743 cm^-1处的振动带）。3 333.38～3 335.16 cm^-1处为羟基O‒H的吸收峰。

在高温作用下，木材内的纤维素分子链间的每一对游离羟基脱除1分子水，形成醚键，使纤维素非结晶区和半纤维素的游离羟基数量显著减少^[20]。1 743 cm^-1处的乙酰基和羧基上的羰基（C=O）伸缩振动峰也较为强烈。

由图3a可知，温度对植物油蜡的化学组分未产生影响，只会加快油蜡分子的运动。观察可知在2 923、2 854、1 743 cm^-1处都出现了相同的特征峰，说明植物油蜡分子渗入到木材内部，且与木材组分紧密结合，其中生色基团和助色基团与落叶松木质素中的碳水化合物和树脂中的蒎烯结合，形成特定的结构^[21]，改变了试材对可见光的吸收，使木材表面呈现出发红、且较为饱和的视觉效果。

在十个周期内，落叶松木材在室外放置中随着时间的延长以及室外环境的变化而产生的裂纹等级，见表4。180 ℃+8 h热处理条件下的落叶松试样的裂纹变化情况，见图4。

  

  

图4十个周期内落叶松裂纹情况

Fig.4Surface cracking condition of larch during ten cycles

图4显示，在十个周期内，热处理落叶松样品表面裂纹数量明显多于联合处理的样品。热处理落叶松样品在第八个周期达到最高开裂等级L5，而联合处理落叶松样品前六个周期内开裂等级稳定在L1级，在第七周期内达到最高，为L2级。由于植物油蜡填充在落叶松内部，减少了水分子的移动且有效阻碍了光降解，从而减缓了木材的开裂现象。