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硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响

李萍 张源 吴义强 吕建雄 袁光明 左迎峰

李萍, 张源, 吴义强, 吕建雄, 袁光明, 左迎峰. 硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
引用本文: 李萍, 张源, 吴义强, 吕建雄, 袁光明, 左迎峰. 硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
Li Ping, Zhang Yuan, Wu Yiqiang, Lü Jianxiong, Yuan Guangming, Zuo Yingfeng. Effects of silicate impregnation modification on visual physical parameters of Chinese fir wood[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
Citation: Li Ping, Zhang Yuan, Wu Yiqiang, Lü Jianxiong, Yuan Guangming, Zuo Yingfeng. Effects of silicate impregnation modification on visual physical parameters of Chinese fir wood[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189

硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
基金项目: 国家自然科学基金项目(31770606),湖湘青年英才计划(2019RS2040),湖南省研究生科研创新项目(CX20190600)
详细信息
    作者简介:

    李萍,博士,讲师。主要研究方向:木材功能性改良研究。Email:pzxiaomei@163.com 地址:410004 中南林业科技大学材料科学与工程学院

    通讯作者:

    左迎峰,博士,副教授。主要研究方向:木竹材加工与生物质材料研究。E-mail:zuoyf1986@163.com。 地址:同上

  • 中图分类号: S781.43

Effects of silicate impregnation modification on visual physical parameters of Chinese fir wood

  • 摘要:   目的  对杉木素材与硅酸盐改性材的弦切板与径切板材色、光泽度、纹理进行测量与对比,分析硅酸盐改性处理对杉木视觉特性的影响规律。旨在为硅酸盐改性材的大规模应用提供理论依据,指导杉木改性材相关产品的研发。  方法  在改性前后,对100 mm × 100 mm × 20 mm的杉木径切板和杉木弦切板的材色、光泽度、纹理进行测量,分析改性处理前后杉木视觉物理量的变化规律。  结果  改性后,弦切板与径切板的红绿色度值分布区间分别为2.0 ~ 6.0和2.5 ~ 5.5,黄蓝色度值分布区间分别为17.5 ~ 24.0和18.0 ~ 24.0,两组数据均较素材小。明度值分布区间也有所下降,为61.0 ~ 71.0,表明改性处理对杉木的色彩倾向有所均衡,在明暗程度上也有一定影响。杉木素材的平行纹理光泽度(GZL)、垂直纹理光泽度(GZT)、光泽度比(GZB)分别为5.54%、4.32%、1.28,杉木改性材的GZL、GZT、GZB分别为3.32%、2.86%、1.16。两种杉木的GZL均略大于GZT,呈现一定的线性关系。改性后,光泽度线性趋势更加明显,而且数据也更为集中。杉木改性材的纹理粗细、纹理间距、纹理疏密度分别为0.55 mm、9.51 mm、0.06,与素材差别微弱,表明改性处理并没有对纹理的疏密程度产生影响。改性材弦切板与径切板的纹理灰度与背景灰度分布区间都较素材有所降低,说明改性处理使得杉木的纹理与背景的灰度等级变得更高。杉木改性材的纹理灰度与背景灰度分布较素材松散,两者呈一定的线性关系但不紧凑。  结论  硅酸盐改性处理对木材颜色影响较小,杉木基本上维持了原有的颜色特征。杉木改性材光泽度略小于素材,基本分布规律相同。改性处理对纹理间距与纹理粗细的影响微弱,改性材仍保持同素材一样的纹理疏密程度,改性后的杉木纹理灰度值与背景灰度值差别变大,对比度稍高,使得改性杉木的纹理较素材更明显。
  • 图  1  杉木素材与改性材的L*–a*分布图

    Figure  1.  L*-a* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

    图  2  杉木素材与改性材的a*–b*分布图

    Figure  2.  a*-b* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

    图  3  杉木素材与改性材的b*–L*分布图

    Figure  3.  b*-L* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

    图  4  杉木素材与改性材的光泽度分布图

    Figure  4.  Distribution of glossiness of untreated and modified Chinese fir wood

    图  5  杉木素材与改性材纹理粗细与纹理间距

    Figure  5.  Distribution of texture thickness and texture spacing of untreated and modified Chinese fir wood

    图  6  杉木素材与改性材的纹理灰度与纹背景灰度分布图

    Figure  6.  Distribution of texture gray scale and background gray scale of untreated and modified Chinese fir wood

    图  7  杉木弦切板与径切板改性前后的纹理变化

    Figure  7.  Texture changes of Chinese fir wood before and after modification of plain-sawed lumber and quarter-sawed lumber

    表  1  杉木素材与改性材颜色参数测量值

    Table  1.   Measurement of color parameters of untreated and modified Chinese fir wood

    材料名称
    Material name
    类型
    Type
    明度
    Lightness
    (L*)
    红绿色度值
    Red green chroma
    value (a*)
    黄蓝色度值
    Yellow blue
    chroma value (b*)
    色调角
    Hue angle (H*)/(°)
    彩度
    Chroma
    (C*)
    杉木素材
    Unmodified Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    68.56 10.13 23.86 67.00 25.92
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    72.09 5.26 23.91 77.59 24.48
    平均值
    Average value
    70.33 7.70 23.89 72.30 25.20
    杉木改性材
    Modified Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    65.48 3.48 20.20 80.22 20.50
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    65.65 3.81 20.62 79.53 20.97
    平均值
    Average value
    65.57 3.65 20.41 79.88 20.74
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    表  2  改性前后杉木色度学指标差值

    Table  2.   Chromaticity index difference of untreated and modified Chinese fir wood

    差值类型
    Difference type
    明度差值
    Lightness
    difference (ΔL*)
    红绿色度值差值
    Chroma value difference between
    red and green (Δa*)
    黄蓝色度值
    Chroma value difference between
    yellow and blue (Δb*)
    色调角差值
    Hue angle difference
    H*)/(°)
    彩度差值
    Chroma
    difference (ΔC*)
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    3.08 6.65 3.66 13.22 5.42
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    6.44 1.45 3.29 1.94 3.51
    平均差值
    Mean difference
    4.76 4.05 3.48 7.58 4.46
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    表  3  杉木素材与改性材光泽度测量值

    Table  3.   Glossiness measurement of untreated and modified Chinese fir wood

    材料名称
    Material name
    类型
    Type
    平行纹理光泽度
    Parallel incident glossiness (GZL)/%
    垂直纹理光泽度
    Vertical incident glossiness (GZT)/%
    光泽度比
    Glossiness ratio (GZB)
    杉木素材
    Untreated Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    5.59 4.27 1.31
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    5.48 4.37 1.25
    平均值
    Average value
    5.54 4.32 1.28
    杉木改性材
    Modified Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    3.05 2.62 1.17
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    3.59 3.10 1.16
    平均值
    Average value
    3.32 2.86 1.16
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    表  4  杉木素材与改性材的纹理参数测量值

    Table  4.   Measurement of texture parameters of untreated and modified Chinese fir wood

    材料名称
    Material name
    类型
    Type
    纹理粗细
    Texture thickness/mm
    纹理间距
    Texture spacing/mm
    纹理疏密度
    Texture density
    纹理灰度
    Texture gray scale
    背景灰度
    Background gray scale
    灰度对比度
    Gray scale contrast
    杉木素材
    Untreated Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    0.74 13.62 0.05 159.70 173.28 0.92
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    0.40 5.39 0.07 168.73 182.31 0.93
    平均值
    Average value
    0.57 9.51 0.06 164.22 177.80 0.92
    杉木改性材
    Modified
    Chinese fir wood
    弦切板
    Plain-sawed lumber
    0.78 12.60 0.06 129.27 161.46 0.80
    径切板
    Quarter-sawed lumber
    0.31 6.43 0.05 139.81 163.70 0.85
    平均值
    Average value
    0.55 9.52 0.06 134.54 162.58 0.83
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  • [1] 李萍, 左迎峰, 吴义强, 等. 家具和地板用浸渍改性杉木研究进展[J]. 林业工程学报, 2016, 1(5):133−138.

    Li P, Zuo Y F, Wu Y Q, et al. Study on modification of Chinese fir for furniture and floor by resin impregnation[J]. China Forestry Science and Technology, 2016, 1(5): 133−138.
    [2] 王雯, 田健夫, 彭尧. 速生杉木改性技术研究进展[J]. 林产工业, 2019, 56(11):52−55.

    Wang W, Tian J F, Peng Y. Research progress on modification technologies of fast-growing Chinese fir[J]. China Forest Products Industry, 2019, 56(11): 52−55.
    [3] Yue K, Wu J, Xu L, et al. Use impregnation and densification to improve  mechanical  properties  and  combustion  performance of Chinese fir[J/OL]. Construction and Building Materials, 2020, 241: 118101. [2019−12−02]. http://DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.118101" target="_blank">10.1016/j.conbuildmat.2020.118101">http://DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.118101.
    [4] Esteves B M, Pereira H M. Wood modification by heat treatment: a review[J]. Bioresources, 2009, 4(1): 370−404.
    [5] Cao Y, Lu J, Huang R, et al. Increased dimensional stability of Chinese fir through steam-heat treatment[J]. European Journal of Wood & Wood Products, 2012, 70(4): 441−444.
    [6] 黄艳辉, 费本华, 赵荣军. 低分子量酚醛树脂处理对杉木细胞壁的改性机理研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2015, 35(12):3356−3359.

    Huang Y H, Fei B H, Zhao R J. Modified mechanism of cell walls from Chinese fir treated with low-molecular-weight phenol formaldehyde resin[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(12): 3356−3359.
    [7] Furuno T, Imamura Y, Kajita H. The modification of wood by treatment with low molecular weight phenol-formaldehyde resin: a properties enhancement with neutralized phenolic-resin and resin penetration into wood cell walls[J]. Wood Science and Technology, 2004, 37(5): 349−361. doi:  10.1007/s00226-003-0176-6
    [8] Xie Y, Fu Q, Wang Q, et al. Effects of chemical modification on the mechanical properties of wood[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2013, 71(4): 401−416. doi:  10.1007/s00107-013-0693-4
    [9] Xie Y, Xu J, Militz H, et al. Thermo-oxidative decomposition and combustion behavior of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood modified with phenol- and melamine-formaldehyde resins[J]. Wood Science and Technology, 2016, 50(6): 1125−1143. doi:  10.1007/s00226-016-0857-6
    [10] 袁玉洁, 吴智慧. 速生材改性技术及其在家居木制品中的应用研究[J]. 家具, 2016, 37(3):9−13, 17.

    Yuan Y J, Wu Z H. Application of modified fast-growing wood in furniture and wood products[J]. Furniture, 2016, 37(3): 9−13, 17.
    [11] 周亚, 李萍, 左迎峰, 等. 无机质增强木材研究进展与发展趋势[J]. 材料导报, 2019, 33(17):2989−2996.

    Zhou Y, Li P, Zuo Y F, et al. Research progress and development trend of inorganic reinforced wood[J]. Materials Review, 2019, 33(17): 2989−2996.
    [12] 王奉强, 隋芳, 廖恒, 等. 硅酸盐改性木材的力学与阻燃性能[J]. 消防科学与技术, 2014, 33(6):688−690.

    Wang F Q, Sui F, Liao H, et al. Mechanical properties and fire retardance of wood modified by silicates[J]. Fire Science and Technology, 2014, 33(6): 688−690.
    [13] 郑雅娴, 吕文华, 许茂松. 树脂型无机硅酸盐浸渍改性人工林杉木的性能[J]. 木材工业, 2015, 29(6):36−39.

    Zheng Y X, Lü W H, Xu M S. Properties of Chinese fir modified with inorganic silicate resin[J]. China Wood Industry, 2015, 29(6): 36−39.
    [14] Li P, Zhang Y, Zuo Y, et al. Preparation and characterization of sodium silicate impregnated Chinese fir wood with high strength, water resistance, flame retardant and smoke suppression[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(1): 1043−1053. doi:  10.1016/j.jmrt.2019.10.035
    [15] 王霁媛, 张亚池. 改性速生杨的视觉物理量分析[J]. 家具, 2013, 34(3):18−21.

    Wang J Y, Zhang Y C. The analysis on visual physical magnitude of the modified fast-growing poplar[J]. Furniture, 2013, 34(3): 18−21.
    [16] 仇芝萍. 径向木纹视觉特性研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2011.

    Qiu Z P. The study on visual characteristics of radial texture of wood[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2011.
    [17] 于海鹏. 基于数字图像处理学的木材纹理定量化研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2005.

    Yu H P. Quantitation of wood texture by digital image processing[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2005.
    [18] 刘一星, 李坚, 徐子才, 等. 我国110个树种木材表面视觉物理量的综合统计分析[J]. 林业科学, 1995, 31(4):353−359.

    Liu Y X, Li J, Xu Z C, et al. Synthetical statistics analysis on visual physics magnitude (VPM) of the surface of 110 Chinese wood species[J]. Scientia Silvae Sinicae, 1995, 31(4): 353−359.
  • [1] 吴夏雷, 韩超, 孙宇涵, 曹森, 胡瑞阳, 徐金良, 郑会全, 李云.  杉木体细胞胚胎发生胚性愈伤组织诱导条件的优化 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190196
    [2] 孙钊, 潘磊, 孙玉军.  基于无人机影像的高郁闭度杉木纯林树冠参数提取 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190386
    [3] 耿丹, 夏朝宗, 张国斌, 刘晓东, 康峰峰.  杉木人工林灌木层生物量模型构建 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20170257
    [4] 刘丹丹, 关惠元, 黄琼涛.  热处理对表面密实材变形固定及性能影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180175
    [5] 高若楠, 苏喜友, 谢阳生, 雷相东, 陆元昌.  基于随机森林的杉木适生性预测研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20170260
    [6] 张胜龙, 刘京晶, 楼雄珍, 刘洋, 童再康, 黄华宏.  杉木应压木木质部细胞形态特征及主要代谢成分表征 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20140396
    [7] 陈玲, 郝文乾, 高德亮.  光学影像纹理信息在林业领域的最新应用进展 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20140304
    [8] 李际平, 封尧, 赵春燕, 张彩彩.  基于Voronoi 图的杉木生态公益林空间结构量化分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.04.005
    [9] 夏忠胜, 曾伟生, 朱松, 罗洪章.  贵州省人工杉木立木材积方程研建 . 北京林业大学学报,
    [10] 张淑琴, 费本华, 余雁, 邢新婷, 王汉坤.  杉木木材纵向弹性模量二元预测模型的构建 . 北京林业大学学报,
    [11] 张淑琴, 余雁, 费本华, 王汉坤.  杉木木材管胞纵向弹性模量的研究 . 北京林业大学学报,
    [12] 李延军, 唐荣强, 鲍滨福, 孙会.  高温热处理杉木力学性能与尺寸稳定性研究 . 北京林业大学学报,
    [13] 李春明.  利用非线性混合模型进行杉木林分断面积生长模拟研究 . 北京林业大学学报,
    [14] 于丽丽, 高巍, 曹金珍, 唐镇忠.  微波后处理对ACQ-D处理杉木抗水流失性的影响 . 北京林业大学学报,
    [15] 黄华宏, 陈奋学, 童再康, 朱玉球.  矮生杉木光合特性及叶绿素荧光参数研究 . 北京林业大学学报,
    [16] 于丽丽, 郭宁, 曹金珍.  通风条件对ACQ-D处理杉木中铜固着的加速作用 . 北京林业大学学报,
    [17] 刘智, 曹金珍, .  ACQ-D处理后杉木的拉应力松弛 . 北京林业大学学报,
    [18] 蒋佳荔, 吕建雄.  干燥处理材的动态粘弹性 . 北京林业大学学报,
    [19] 吕文华, 金则新, 于文吉, 李俊, 李黎, 武林, 奚如春, 周睿, 张春晓, 邵杰, 雷妮娅, 刘足根, 张志山, 郑景明, 陆平, 索安宁, 周艳萍, 宋先亮, 郎璞玫, 马玲, 许景伟, 焦雯珺, 于海霞, 吴家兵, 孙志蓉, 张建军, 高克昌, 葛剑平, 蔡锡安, 翟明普, 习宝田, 陈少良, 李钧敏, 毕华兴, 赵广杰, 赵文喆, 关德新, 余养伦, 郑红娟, Kwei-NamLaw, 赵秀海, 张小由, 盖颖, 于志明, 陈勇, 纳磊, 朱清科, 李传荣, 马履一, 韦方强, 戴伟, 朱教君, 饶兴权, 夏良放, 朱艳燕, 李笑吟, 杨永福, 王天明, 谭会娟, 张春雨, 王文全, 于波, ClaudeDaneault, 张弥, 王瑞刚, 崔鹏, 江泽慧, 曾小平, 马履一, 袁小兰, 赵平, 李俊清, 张宇清, 李增鸿, 贾桂霞, 方家强, 樊敏, 李丽萍, 吴秀芹, 刘丽娟, 韩士杰, 王卫东, 唐晓军, 王贺新, 李庆卫, 邓宗付, 何明珠, 殷宁, 郭孟霞, 陈雪梅, 张欣荣, 袁飞, 贺润平, 王娜, 江杰, 毛志宏, 蒋湘宁, 王月海, 熊颖, 孔俊杰, 郑敬刚, 王旭琴, 于贵瑞, 刘鑫, 吴记贵, 王瑞辉, 王贵霞, 葛剑平, 孙晓敏, 聂立水, 李新荣, 林靓靓, 郭超颖, 董治良.  杉木木材/蒙脱土纳米复合材料的结构和表征 . 北京林业大学学报,
    [20] 王明枝, 李景文, 杨晓晖, 侯亚南, 马文辉, 刘震, 殷亚方, 李景文, 杨海龙, 熊瑾, 李梅, 
    王保平, 张秋英, 张一平, 龙玲, 饶良懿, 杜华强, 李全发, 符韵林, 李慧, 詹亚光, 宋小双, 黄国胜, 李俊清, 尹立辉, 徐峰, 梁机, 耿晓东, 范文义, 刘文耀, 王雪军, 张克斌, 李妮亚, 韩海荣, 陆熙娴, 秦瑶, 李俊清, 朱金兆, 王洁瑛, 朱金兆, 李发东, 赵敏, 窦军霞, 陈晓阳, 吕建雄, 李吉跃, 倪春, 秦素玲, 毕华兴, 康峰峰, 齐实, 陈素文, 陈晓阳, 刘雪梅, 乔杰, 慈龙骏, 沈有信, 李黎, 孙玉军, 赵宪文, 唐黎明, 李云, 欧国强, 于贵瑞, 刘桂丰, 李凤兰, 马钦彦, 李伟, 任海青, 文瑞钧, 朱国平, 赵双菊, 李伟, 张桂芹, 魏建祥, 宋献方, 韦广绥, 刘伦辉, 王雪, 王玉成, 蒋建平, 黎昌琼, 周海江, 杨谦, 宋清海, , 孙涛, 李慧, 丁霞, 张万军, 孙晓敏, 孙志强, 刘莹, 李宗然, 
    , .  南带产区不同立地类型间的杉木木材解剖 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-19
  • 修回日期:  2020-07-07
  • 网络出版日期:  2020-09-12

硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31770606),湖湘青年英才计划(2019RS2040),湖南省研究生科研创新项目(CX20190600)
    作者简介:

    李萍,博士,讲师。主要研究方向:木材功能性改良研究。Email:pzxiaomei@163.com 地址:410004 中南林业科技大学材料科学与工程学院

    通讯作者: 左迎峰,博士,副教授。主要研究方向:木竹材加工与生物质材料研究。E-mail:zuoyf1986@163.com。 地址:同上
  • 中图分类号: S781.43

摘要:   目的  对杉木素材与硅酸盐改性材的弦切板与径切板材色、光泽度、纹理进行测量与对比,分析硅酸盐改性处理对杉木视觉特性的影响规律。旨在为硅酸盐改性材的大规模应用提供理论依据,指导杉木改性材相关产品的研发。  方法  在改性前后,对100 mm × 100 mm × 20 mm的杉木径切板和杉木弦切板的材色、光泽度、纹理进行测量,分析改性处理前后杉木视觉物理量的变化规律。  结果  改性后,弦切板与径切板的红绿色度值分布区间分别为2.0 ~ 6.0和2.5 ~ 5.5,黄蓝色度值分布区间分别为17.5 ~ 24.0和18.0 ~ 24.0,两组数据均较素材小。明度值分布区间也有所下降,为61.0 ~ 71.0,表明改性处理对杉木的色彩倾向有所均衡,在明暗程度上也有一定影响。杉木素材的平行纹理光泽度(GZL)、垂直纹理光泽度(GZT)、光泽度比(GZB)分别为5.54%、4.32%、1.28,杉木改性材的GZL、GZT、GZB分别为3.32%、2.86%、1.16。两种杉木的GZL均略大于GZT,呈现一定的线性关系。改性后,光泽度线性趋势更加明显,而且数据也更为集中。杉木改性材的纹理粗细、纹理间距、纹理疏密度分别为0.55 mm、9.51 mm、0.06,与素材差别微弱,表明改性处理并没有对纹理的疏密程度产生影响。改性材弦切板与径切板的纹理灰度与背景灰度分布区间都较素材有所降低,说明改性处理使得杉木的纹理与背景的灰度等级变得更高。杉木改性材的纹理灰度与背景灰度分布较素材松散,两者呈一定的线性关系但不紧凑。  结论  硅酸盐改性处理对木材颜色影响较小,杉木基本上维持了原有的颜色特征。杉木改性材光泽度略小于素材,基本分布规律相同。改性处理对纹理间距与纹理粗细的影响微弱,改性材仍保持同素材一样的纹理疏密程度,改性后的杉木纹理灰度值与背景灰度值差别变大,对比度稍高,使得改性杉木的纹理较素材更明显。

English Abstract

李萍, 张源, 吴义强, 吕建雄, 袁光明, 左迎峰. 硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
引用本文: 李萍, 张源, 吴义强, 吕建雄, 袁光明, 左迎峰. 硅酸盐浸渍改性对杉木视觉物理量的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
Li Ping, Zhang Yuan, Wu Yiqiang, Lü Jianxiong, Yuan Guangming, Zuo Yingfeng. Effects of silicate impregnation modification on visual physical parameters of Chinese fir wood[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
Citation: Li Ping, Zhang Yuan, Wu Yiqiang, Lü Jianxiong, Yuan Guangming, Zuo Yingfeng. Effects of silicate impregnation modification on visual physical parameters of Chinese fir wood[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200189
  • 杉木(Cunninghamia lanceolata)作为我国的特有树种,分布广、产量高,是传统民用家具、室内装饰、建筑用材的重要类型[1]。但与硬质阔叶木材相比,杉木存在结构疏松,强度和硬度低,不耐磨,易吸湿,尺寸不稳定等缺点,现代工业中常用来制成胶合板或集成材等人造板材,附加值较低。为扩大杉木的应用范围,满足不断增长的木材需求,研究者们对杉木进行了功能性改良[2],主要类型有密实化处理[3]、高温热处理[4-5]、浸渍改性处理[6]等。其中浸渍改性发展较早,并且已经形成了完整的体系,是一种较为成熟的工业化改性方法。有机浸渍改性中,树脂浸渍是实现木材高效增值利用的主要途径,可大幅提高木材的尺寸稳定性和力学强度[7-8];但其存在分子量高且不均匀、渗透性差、功能单一等缺点,无法满足低成本与高性能的大规模生产要求[9]。无机浸渍改性则是通过无机物(常用的有无机盐、无机氧化物和无机矿土)的浸渍填充改善木材的物理力学性能,提高木材的阻燃和防腐性能,成本相对较低。其最大优点是能够在有效提高木材力学性能的同时,最大限度地保留木材的视觉特性与环境学特性[10],满足市场对木材的使用需求。无机改性剂中,硅酸盐能有效提高杉木的力学强度、防腐、阻燃等性能,且成本低廉,环境友好[11-13];特别是在与人直接接触的家具制造、室内装饰领域应用前景广泛,已经逐渐成为研究者们关注的重点。

    作为一种天然生长的多孔性复合材料,杉木经硅酸盐改性后,改性药剂均匀地渗透到木材内部并与木材发生一系列物理化学反应。本实验采用负–正交替的方法有效打通杉木中闭塞纹孔,从而实现硅酸盐在杉木中的有效渗透,有效提高杉木的力学强度、尺寸稳定性、阻燃抑烟等性能[14]。这一改性过程可大幅提高杉木的物理力学性能和尺寸稳定性,也会使木材的材色、光泽度、纹理等发生一定变化。为探索硅酸盐改性处理对杉木视觉特性的影响规律,本研究对杉木素材与硅酸盐改性杉木材的视觉物理量进行测定与分析。这对于杉木改性材后续在家具、地板、室内装饰和木结构等行业中的大规模开发应用具有重要的理论与现实意义。

    • 杉木采自湖南省永州市,木段纵向长度2 m,直径15 ~ 20 cm,气干密度为0.35 ~ 0.45 g/cm3,含水率10% ~ 12%,心材比例约为30%,边材比例约为70%。用精密推台裁板锯将杉木切成规格100 mm × 100 mm × 20 mm的试件,径切板与弦切板各20块,共40块。44.5%的硅酸钠溶液,工业级,3.4模,购自湖南荷塘化工有限公司;固化剂的主要成分包括硫酸盐、钙盐和磷酸盐,均购自国药集团化学试剂有限公司;超纯水为实验室自制。

    • 将杉木试件放入木材浸渍罐中,将浸渍罐密封;先对浸渍罐抽真空至−0.098 MPa,保压12.5 min;将硅酸钠配成31.60%的溶液,利用浸渍罐中的负压将硅酸钠溶液吸入到浸渍罐中,卸压;再通过空气压缩机对浸渍体系进行加压至0.7 MPa,保压25 min;卸压并将硅酸钠溶液排出后,再将浸渍罐抽真空至−0.098 MPa,保压12.5 min;将固化剂吸入浸渍罐中,卸压;对浸渍罐进行加压至0.7 MPa,保压25 min,并将固化剂排出。以此负–正交替方法进行循环3次。卸压,将浸渍后的杉木拿出,冲洗并擦干表面。将试件采用逐级升温干燥法干燥6 h(80 ℃ 4 h,100 ℃ 1.5 h,120 ℃ 0.5 h),得到硅酸盐浸渍改性杉木材。其中,主剂硅酸钠与固化剂的固体成分质量比为100∶2。

    • 将杉木素材试样用小型压刨机将表面加工平整,并用砂光机砂光,毛刷清洁干净;长期放置于室温条件下,经鼓风机烘干后,在室温下进行测量。本实验选用WSC-S测色色差计(测量孔径Φ20 mm)在试件表面随机选取8点,测量明度(L*)、红绿色度值(a*)、黄蓝色度值(b*),取其测量结果的平均值作为该试件的测量值[15]

      以中南林业科技大学的硅酸盐改性工艺对杉木素材试件进行改性处理,再次烘干;在室温下进行测量。改性材与素材为同一批木材,其测量方法同杉木素材。

    • 采用KGZ-1A台式光泽度仪(测量头为标准的45°测量头)对杉木素材与改性材试件表面的平行纹理光泽度(GZL)和垂直纹理光泽度(GZT)进行测量。试件表面随机选取6点测量,再进行均值处理,并计算光泽度比(GZB)。

    • 采用的方法为2011年仇芝萍[16]提出的木材纹理测量方法,包括纹理粗细、纹理间距、纹理灰度与背景灰度这4个表征量。其中纹理粗细、纹理间距用数显游标卡尺(精度为0.1 mm)直接测量。灰度值数据评价采用的是图像处理软件Adobe Photoshop CS5中自带的RGB颜色系统,该颜色系统采用的是256个整数来表征灰度:值越低灰度级别越低,其中0表示黑色,255表示白色。参照于海鹏[17]的方法,采用Adobe Photoshop CS5对木材纹理图片进行去色处理,再通过吸管工具单击分别吸取纹理灰度和背景灰度数据,纹理灰度与背景灰度的比值即为纹理对比度。纹理疏密度为纹理粗细平均值与纹理间距平均值的比值,代表了纹理单元排列的紧密程度。

    • 杉木素材与硅酸盐改性材的颜色在CIE(1976)均匀色空间的取值范围情况如图1~3所示。经硅酸盐改性后,杉木的材色发生了一定变化。首先从材色值点状分布的总体状态来看,改性后杉木弦切板与径切板的材色不再像素材那样左右或上下区别明显,反而呈现出相互交织的现象,这说明对杉木的无机改性处理可以减小其颜色差异,使其颜色更为均匀统一。从数据的变化上分析,改性后弦切板红绿色度值a*分布区间由素材的7.0 ~ 13.0变成了2.0 ~ 6.0,黄蓝色度值b*分布区间由素材的21.5 ~ 27.0变成了17.5 ~ 24.0,表明无机改性使得弦切板的材色较素材更偏蓝绿调,呈现微微的冷色。同样,径切板的红绿色度值a*分布也由素材的3.5 ~ 7.0变成了2.5 ~ 5.5,黄蓝色度值b*由素材的23.0 ~ 26.0变成了18.0 ~ 24.0,说明径切板的颜色变化趋势与弦切板相同,但在变化幅度上小于弦切板。改性后的弦切板与径切板明度值 L*相似,大部分分布在61.0 ~ 71.0之间,呈现较为统一的状态,这说明改性处理不仅对杉木的色彩倾向有所均衡,在明暗程度上也有一定影响。改性杉木弦切板与径切板的L*均小于素材,且改性前后径切板在明度上的变化程度稍大于弦切板。

      图  1  杉木素材与改性材的L*–a*分布图

      Figure 1.  L*-a* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

      图  2  杉木素材与改性材的a*–b*分布图

      Figure 2.  a*-b* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

      图  3  杉木素材与改性材的b*–L*分布图

      Figure 3.  b*-L* distribution of untreated and modified Chinese fir wood

      表1为杉木素材与改性材颜色参数测量统计结果,表2为杉木素材与改性材色度学指标差值统计结果。从表1可知:改性前杉木弦切板与径切板在明度L*、红绿色度值a*、色调角H*方面差别明显。特别是红绿色度值,两者相差了4.87,说明素材弦切板与径切板相比,更偏红色。而改性处理后的弦切板与径切板的色度学指标差值变小,数据呈现出较为集中的分布状态。另外,表2中改性材与素材的差值表明:改性处理使径切板的明度L*变化最大,弦切板的红绿色度值a*、色调角H*、彩度C*变化最明显。总体上看,改性前杉木素材弦切板与径切板在明度与红绿色度值上有较大区别,黄蓝色度值差别不大;而改性后,无论是弦切板还是径切板的L*、a*和b*这3个参数都呈现较为统一的状态,3个表征量的平均值分别由素材的70.33、7.70、23.89变为了65.57、3.65、20.41。

      表 1  杉木素材与改性材颜色参数测量值

      Table 1.  Measurement of color parameters of untreated and modified Chinese fir wood

      材料名称
      Material name
      类型
      Type
      明度
      Lightness
      (L*)
      红绿色度值
      Red green chroma
      value (a*)
      黄蓝色度值
      Yellow blue
      chroma value (b*)
      色调角
      Hue angle (H*)/(°)
      彩度
      Chroma
      (C*)
      杉木素材
      Unmodified Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      68.56 10.13 23.86 67.00 25.92
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      72.09 5.26 23.91 77.59 24.48
      平均值
      Average value
      70.33 7.70 23.89 72.30 25.20
      杉木改性材
      Modified Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      65.48 3.48 20.20 80.22 20.50
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      65.65 3.81 20.62 79.53 20.97
      平均值
      Average value
      65.57 3.65 20.41 79.88 20.74

      表 2  改性前后杉木色度学指标差值

      Table 2.  Chromaticity index difference of untreated and modified Chinese fir wood

      差值类型
      Difference type
      明度差值
      Lightness
      difference (ΔL*)
      红绿色度值差值
      Chroma value difference between
      red and green (Δa*)
      黄蓝色度值
      Chroma value difference between
      yellow and blue (Δb*)
      色调角差值
      Hue angle difference
      H*)/(°)
      彩度差值
      Chroma
      difference (ΔC*)
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      3.08 6.65 3.66 13.22 5.42
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      6.44 1.45 3.29 1.94 3.51
      平均差值
      Mean difference
      4.76 4.05 3.48 7.58 4.46

      实验数据表明:改性后杉木的明度值L*有所下降,但仍然保持在中等偏上位置;红绿色度值a*变小,但仍然为正,表明改性后杉木颜色依然在红色区间却较原来偏绿;黄蓝色度值b*也有变小趋势,但幅度不明显,且b*仍大于a*,说明黄色调依然是改性杉木的主要基调。整体来看,硅酸盐仿生改性处理对杉木素材的颜色影响较小,没有使杉木出现与原来截然不同的色彩趋势,只是在明度、彩度、红绿色度值和黄蓝色度值上有所降低,色调角稍变大,基本上维持了杉木原有颜色特征。

    • 杉木素材与改性材的光泽度分布情况如图4所示。从图4中可知:素材弦切板与径切板的平行纹理光泽度GZL分别分布在4.7 ~ 6.7和4.8 ~ 6.2,垂直纹理光泽度GZT分别分布在3.5 ~ 4.9和3.9 ~ 4.9,两者并无较大差别。说明杉木素材的表面光泽度与红木类木材相比处于较低的状态。总体上,素材的平行纹理光泽度GZL略大于垂直纹理光泽度GZT,两者呈现相对分散的线性关系。这与刘一星等[18]对110种木材表面视觉物理量的研究结论相符:木材光泽度大部分集中在5%左右,平行纹理光泽度大于垂直纹理光泽度且两者呈线性关系。

      图  4  杉木素材与改性材的光泽度分布图

      Figure 4.  Distribution of glossiness of untreated and modified Chinese fir wood

      杉木经硅酸盐改性后,弦切板与径切板光泽度的线性趋势更加明显,而且数据也更为集中。弦切板与径切板的平行纹理光泽度GZL分布区间由素材的4.7 ~ 6.7和4.8 ~ 6.2变成了2.4 ~ 3.9和3.1 ~ 4.5,垂直纹理光泽度GZT分布区间由素材的3.5 ~ 4.9和3.9 ~ 4.9变成了2.1 ~ 3.5和2.5 ~ 3.7。两组数据均有所下降,说明改性后杉木光泽度比素材小,这主要是由于改性后无机改性剂已经进入到木材细胞腔内部,改变了光的反射路径与反射能量,使得反射光的散射程度变大,反射光能量变小,从而降低了木材的光泽度。

      表3为杉木素材与改性材的光泽度测量结果,杉木素材的GZL、GZT、GZB分别为5.54%、4.32%、1.28,杉木改性材的GZL、GZT、GZB分别为3.32%、2.86%、1.16。综合数据表明,改性后GZL与GZT都有不同程度的变小,说明在光泽度上杉木素材大于杉木改性材;光泽度比GZB虽有所下降但变化不明显;GZL仍然是略大于GZT,与杉木素材光泽度的基本分布规律相同。

      表 3  杉木素材与改性材光泽度测量值

      Table 3.  Glossiness measurement of untreated and modified Chinese fir wood

      材料名称
      Material name
      类型
      Type
      平行纹理光泽度
      Parallel incident glossiness (GZL)/%
      垂直纹理光泽度
      Vertical incident glossiness (GZT)/%
      光泽度比
      Glossiness ratio (GZB)
      杉木素材
      Untreated Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      5.59 4.27 1.31
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      5.48 4.37 1.25
      平均值
      Average value
      5.54 4.32 1.28
      杉木改性材
      Modified Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      3.05 2.62 1.17
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      3.59 3.10 1.16
      平均值
      Average value
      3.32 2.86 1.16
    • 杉木素材与改性材的纹理粗细与纹理间距分布情况如图5所示。素材弦切板的纹理粗细分布在0.5 ~ 1.4 mm区间,位置较为分散且大小差别较大,说明弦切板上有较细的纹理也有相对较粗的纹理;素材径切板的纹理粗细分布在0.2 ~ 0.8 mm区间,数据更为集中,说明径切板的纹理粗细较为均匀且以细纹理为主。纹理间距上,素材弦切板分布在10 ~ 22 mm区间,素材径切板分布在2 ~ 8 mm之间,弦切板纹理间距明显大于径切板,表明弦切板纹理分布较为疏松,而径切板则更为密集。改性材弦切板的纹理粗细与纹理间距分别分布在0.4 ~ 1.8 mm和8 ~ 20 mm之间,径切板的纹理粗细与纹理间距分布在0.2 ~ 0.4 mm和3 ~ 9 mm之间,与素材的纹理粗细与纹理间距分布规律基本相同。但测量数据上反映改性材纹理间距较素材有所变小,这种变化一方面可以看成测量时随机选择位置的不同而产生正常误差,另一方面也可能是无机改性处理使得药剂进入到木材细胞内部对纹理进行了一定的填充,使得原来不太明显而被忽略的纹理变得明显,从而影响到纹理间距数据的测量与统计。总体上,改性处理对于杉木的纹理间距与纹理粗细并未产生较大影响,它的分布规律与未处理素材相同。

      图  5  杉木素材与改性材纹理粗细与纹理间距

      Figure 5.  Distribution of texture thickness and texture spacing of untreated and modified Chinese fir wood

      杉木素材与改性材的纹理灰度与背景灰度分布情况如图6所示。素材弦切板的纹理灰度值分布在142 ~ 172之间,背景灰度值分布在162 ~ 187之间;径切板的纹理灰度值分布在163 ~ 177之间,背景灰度值分布在175 ~ 192之间;两者分布呈紧密的线性关系。杉木改性材的纹理灰度与背景灰度分布比素材松散,两者虽也呈一定的线性关系但不紧凑。改性材弦切板的纹理灰度与背景灰度分布区间分别为102 ~ 145和148 ~ 175;径切板的纹理灰度与背景灰度分别为125 ~ 152和155 ~ 175,两组数据都较未处理素材有所降低,说明改性处理使得杉木的纹理灰度和背景灰度等级都变得更高。

      图  6  杉木素材与改性材的纹理灰度与纹背景灰度分布图

      Figure 6.  Distribution of texture gray scale and background gray scale of untreated and modified Chinese fir wood

      杉木素材与改性材的纹理参数测量值如表4所示。杉木素材的纹理粗细、纹理间距、纹理疏密度分别为0.57 mm、9.51 mm、0.06,杉木改性材的纹理粗细、纹理间距、纹理疏密度分别为0.55 mm、9.52 mm、0.06,数据非常接近,表明改性处理并没有对纹理的疏密程度产生影响,改性材仍然保持同素材一样的纹理疏密程度。另一方面,杉木素材弦切板与径切板的纹理本身存在一定区别,弦切板的纹理稀疏、粗细不匀且纹理间距也更大;径切板纹理密集、但粗细均匀,间距也更小一些;杉木改性材也是如此。

      表 4  杉木素材与改性材的纹理参数测量值

      Table 4.  Measurement of texture parameters of untreated and modified Chinese fir wood

      材料名称
      Material name
      类型
      Type
      纹理粗细
      Texture thickness/mm
      纹理间距
      Texture spacing/mm
      纹理疏密度
      Texture density
      纹理灰度
      Texture gray scale
      背景灰度
      Background gray scale
      灰度对比度
      Gray scale contrast
      杉木素材
      Untreated Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      0.74 13.62 0.05 159.70 173.28 0.92
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      0.40 5.39 0.07 168.73 182.31 0.93
      平均值
      Average value
      0.57 9.51 0.06 164.22 177.80 0.92
      杉木改性材
      Modified
      Chinese fir wood
      弦切板
      Plain-sawed lumber
      0.78 12.60 0.06 129.27 161.46 0.80
      径切板
      Quarter-sawed lumber
      0.31 6.43 0.05 139.81 163.70 0.85
      平均值
      Average value
      0.55 9.52 0.06 134.54 162.58 0.83

      从纹理灰度、背景灰度与灰度对比度上看,杉木素材的值分别为164.22、177.80、0.92;杉木改性材的值为134.54、162.58、0.83。测量数据表明:改性后杉木的纹理灰度与背景灰度都有所降低,且纹理灰度的降低程度大于背景灰度的降低程度。灰度对比度的变化也反应了这一点,灰度对比度的值越小,两者相差的灰度值越多,对比度越高。灰度对比度由素材的0.92变成了改性材的0.83,这说明改性后的杉木纹理灰度值与背景灰度值差别变大,对比度变高,使得杉木的纹理更加明显。为验证这一结果,将杉木弦切板与径切板改性前后的纹理进行了对比,详见图7

      图  7  杉木弦切板与径切板改性前后的纹理变化

      Figure 7.  Texture changes of Chinese fir wood before and after modification of plain-sawed lumber and quarter-sawed lumber

    • 本研究对杉木素材与硅酸盐改性材的弦切板与径切板材色、光泽度、纹理进行测量与对比,分析硅酸盐改性处理对杉木视觉特性的影响规律,得出以下结论:

      (1)改性杉木弦切板与径切板的材色呈现出相对统一的颜色状态,其中弦切板的材色较素材稍偏蓝绿调,径切板的颜色变化趋势与弦切板相同,但在变化幅度上小于弦切板,黄色调依然是改性杉木材的主要基调。

      (2)改性杉木的明度值有所下降,且径切板的明度变化程度稍大于弦切板,但仍然保持在中等偏上位置。整体上,硅酸盐改性处理对杉木的颜色影响较小,改性后的杉木材基本上维持了原有的颜色特征。

      (3)杉木改性材平行纹理光泽度GZL与垂直纹理光泽度GZT略小于素材,光泽度比GZB变化不明显,且GZL仍然是略大于GZT,与未处理素材光泽度的分布规律基本相同。

      (4)杉木改性材的纹理粗细、纹理间距、纹理疏密度分别为0.55 mm、9.51 mm、0.06,与素材差别微弱,表明改性处理并没有对纹理的疏密程度产生影响。改性材弦切板与径切板的纹理灰度和背景灰度分布区间都较素材有所降低,说明改性处理使得杉木的纹理灰度与背景灰度等级变得更高。杉木改性材的纹理灰度与背景灰度分布较素材松散,两者虽也呈一定的线性关系但不紧凑。

      综上所述,硅酸盐改性处理较好地保持了杉木的表面视觉特性,维持其自然的颜色、柔和的光泽度、起伏的纹理所带来的较为轻松愉快的视觉感受,为改性材的后续在生产中的相关应用带来了极大的灵活性。

      致谢 感谢中南林业科技大学农林生物质绿色加工技术国家地方联合工程研究中心、木竹资源高效利用省部共建协同创新中心、木竹资源高效利用湖南省2011协同创新中心、湖南省生物质材料及绿色转化技术重点实验室、湖南省竹木加工工程技术研究中心和湖南省普通高等学校生物质复合材料重点实验室提供平台支持!

参考文献 (18)

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