木材染色是染料分子在木材组织中的渗透吸着, 使木材着色的过程。木材作为染色基材, 其构造和材性的变化, 对木材染色效果必然会有一定的影响, 即木材染色效果和木材解剖因子等有一定的相关关系。长期以来, 人们对探讨和开发新型木材染色技术非常重视, 而对木材材料本身的性质对染色工艺的影响及其相关性研究很少, 严重影响了针对不同树种确定合理科学的木材染色工艺与木材的高效利用(陆文达, 1993)。

为探讨木材材性和木材染色效果之间的关系, 揭示木材解剖因子与木材染色效果的相关性变化规律, 本研究选择人工林杉木为研究对象, 测定其解剖性质和染色效果, 对杉木边材解剖因子与染色效果的相关性采用多元回归分析方法进行分析, 建立相关模型, 定量地阐释二者的相关关系和变化规律, 寻找影响木材染色效果的主要木材解剖因子, 为制定合理的木材染色工艺提供理论依据。

1 材料和方法 1.1 材料

选取5株完全气干的人工林杉木径切面边材板条29块, 在同一块板材条上进行木材解剖和木材染色试样的截取与制作。在板条的一边截取1个木材解剖试样, 在紧邻的另一边截取2个木材染色试样。其中木材解剖试样尺寸为2 cm×6 cm×2 cm(L×R×T), 木材染色试样尺寸为5 cm×5 cm×1 cm (L×R×T)。每块板条的染色效果以2个染色试样的平均值进行与木材解剖因子的相关性分析。

染料为酸性大红3R。

1.2 方法 1.2.1 木材解剖构造特征的测定

木材解剖构造切片的制作采用常规方法, 木材构造特征的测试采用图像处理分析仪进行测定, 仅对横切面木材解剖特征进行测定, 分早材和晚材分别进行测试。

1.2.2 木材染色方法

参考基太村洋子(1971)的常规浸染方法进行木材染色, 为便于对照和分析木材解剖因子与染色效果的相关性, 仅用一种染料在相同的染色条件下进行染色, 最后评价解剖因子与木材染色效果。

将试样放入盛有400 mL的0.5 % (W/V)染料溶液的玻璃染缸中进行染色, 浴比为1: 35, 将前述染缸放到水浴锅中进行加热, 从20 ℃开始加热到90 ℃±2 ℃, 时间约1 h, 加热过程中每隔5 min用镊子翻动木材试样一次, 使其两面都能均匀染色; 待水温升到90 ℃时, 恒温浸染1 h, 然后取出染色试样, 用自来水冲洗1~2 min, 将多余的染液完全冲洗掉。风干试样, 而后测色。

1.2.3 木材材色和染色材颜色的测试

采用CIE (1976)L^*a^*b^*表色系统进行表色。染色前(素材)、染色后试样颜色的测定使用北京光学仪器厂生产的TC-PIIG全自动测色色差计进行测定。光源为D₆₅标准光源, 相关色温为6504K。照明和观测几何条件为o/d (垂直照明/漫反射) 10°大视野, 测量范围为Υ20 mm。对每块试样均取6个点进行测试, 取平均值作为试样的测量值。染色前材色测定时, 用0^#砂纸将试样的两个面砂光。

测色参数的测量计算, 由测色色差计直接测得多点平均3刺激值X₁₀、Y₁₀和Z₁₀, 将各数据送入计算机进行有关统计后, 再进行各项色度学指标计算, 有关色度学特征计算公式见文献(汤顺青, 1990)。

1.2.4 解剖因子与染色相关性的数理统计分析

采用多元回归分析方法进行分析, 建立相关模型, 分析各个木材解剖因子对木材染色效果的影响和贡献, 确定出影响木材染色效果的主要木材解剖因子。有关的统计计算均采用美国的数理统计软件STAST ICA进行处理。

2 结果和讨论 2.1 人工林杉木木材的解剖特征

杉木是早晚材渐变树种, 对杉木边材的解剖特征分别早晚材进行测定。杉木边材解剖特征结果从表 1可见, 早材管胞和晚材管胞相比, 早材管胞弦向腔径34.99 μm, 比晚材23.40 μm的大, 管胞径向腔径早材为41.59 μm, 而晚材仅为14.81 μm; 从管胞壁厚来看, 早材弦向壁厚为6.51 μm, 而晚材为11.95 μm, 几乎是早材的2倍; 同样径向壁厚, 早材的为6.09 μm, 晚材却为13.51 μm, 比早材大2倍多。这表明杉木边材早材管胞腔大壁薄, 而晚材管胞腔小壁厚。

杉木主要由管胞和木射线组成。其组织比量结果从表 1可见, 杉木边材木射线比量为7.40 %, 管胞比量高达92.53 %, 细胞壁率为43.30 %。这表明杉木边材的主要组成为管胞分子。

2.2 人工林杉木木材染色前后的色度学特征变化

对杉木边材试样进行加热至恒温浸染, 染色前后用肉眼观察发现, 木材材色发生了非常显著的变化。其染色前后色度学特征变化结果如表 2所示。染色后明度值L^*大幅度下降(明度差ΔL^*均为负值降低幅度在之间平均值达红绿轴色品指数^*变化也较大红绿轴色品指数差Δa^*变化在17.87~52.09之间, 平均值为42.03;黄蓝轴色品指数b^*变化很小, 黄蓝轴色品指数差Δb^*为-4.60~6.91, 平均值为2.36, 29块板条中仅有6块染色后b^*值下降(Δb^*为负值), 而绝大多数染色后b^*值增大, 但增大幅度较小; 色饱和度C^*变化范围大, 色饱和度差ΔC^*在10.31~33.85之间变化, 平均值为26.74;色调角Ag^*变化也较大, 色调角差ΔAg^*在-27.48~-60.32之间变化, 平均值为-52.11;而色差ΔE^*变化非常大, 变化范围为28.94~65.14, 平均值高达56.77, 表明染色前后木材材色变化非常明显。同样色相差ΔH^*也发生了较大的变化, 变化范围为14.59~39.97, 平均值为32.54。

对杉木边材染色前后材色变化分析表明, 染色后主要呈现的是酸性大红3R染料的颜色, 但染色效果不同板条间有差异。可以发现, 杉木素材材色具有明度高, 黄蓝轴色品指数较高, 红绿轴色品指数很低的色度学特征, 但染色后主要呈现的是明度显著降低, 红绿轴色品指数增幅很高, 而黄蓝轴色品指数变化不大的色度学特征。

2.3 杉木木材解剖因子与染色效果的多元回归分析

为准确地分析木材解剖性质和木材染色效果间的相关性, 排除有些相关性很强的因子对其他因子的掩盖作用, 首先对杉木木材解剖性质之间的相关性进行相关分析, 对两两相关性很高的某些木材解剖指标只选择其中一个, 根据需要而对其余的予以剔除。

杉木木材染色效果采用染色材的色度学参数与染色前后材色变化特征值指标进行评价。一般地, 仅需要用染色后的染色材色度学参数进行分析和讨论, 但考虑到木材底色可能对染色后的染色效果有影响, 因而同时采用染色材色度学参数与染色前后木材材色变化特征值指标进行评价, 并对这两种评价体系与木材解剖因子的相关性分析结果进行比较, 判断两种评价体系所得结果有无一致性, 为今后研究选择确定一种合理经济科学的评价体系与研究方法提供理论参考。

2.3.1 杉木木材解剖因子与染色效果的指标

分别测定了杉木早材、晚材管胞以及组织比量特征值共17个指标, 以这些木材构造指标为自变量; 以木材染色效果指标为因变量, 包括评价木材染色效果的染色材色度学特征值(y₁-y₅)与染色前后材色的色度学特征变化值指标(y₆-y₁₂), 共有12个指标。木材解剖和染色效果指标及其符号与含义如表 3所示。

2.3.2 杉木解剖因子间的相关分析

相关系数是用于描述变量间线性关系密切程度的一种数量指标。简单相关系数可用来描述两个变量之间线性相关的密切程度。

杉木边材解剖性质指标之间的简单相关系数从表 4可见, 杉木边材解剖性质17个指标间均有一定的相关性, 其中部分指标间的相关系数很高。如早材管胞弦向腔径(x₁)和早材管胞弦向直径(x₅)、早材管胞壁腔比(x₆)和早材管胞腔径比(x₇)、晚材管胞径壁厚(x₁₁)和晚材管胞壁腔比(x₁₃)、晚材管胞壁腔比(x₁₃)和晚材管胞腔径比(x₁₄)、木射线比量(x₁₅)和管胞比量(x₁₆)之间的相关系数都很高, 分别为0.95187、0.99993、0.91550、-0.91501和-0.94862, 绝对值均超过了0.90, 表明这些因子之间高度相关。这些指标间之所以具有很高的相关性, 是由于这些指标间存在着由数学计算引起的相关性。鉴于这些指标间的高度相关性, 在描述和进一步分析时, 可选择其中一个指标替代另一个。

根据这个分析结果对杉木木材解剖因子的早材管胞弦向直径(x₅)、早材管胞腔径比(x₇)、晚材管胞径壁厚(x₁₁)、晚材管胞腔径比(x₁₄)予以剔除, 而用与其相关的另一个相应的指标进行有关分析。但这里应该说明的是尽管木射线比量(x₁₅)和管胞比量(x₁₆)之间的相关系数都很高, 但由于木射线是杉木木材的一个重要组成组织, 且木射线比量也是描述杉木木材组成的一个数量指标, 因而决定保留, 并进行有关分析。

2.3.3 杉木木材解剖因子与染色效果的多元回归分析

多对多线性回归分析可用于研究一个或多个因变量对多个自变量的回归的线性估测, 可得到多个自变量与一个或多个因变量之间的相关程度的结果(偏相关系数)以及这些自变量和因变量之间综合相关程度的结果(复相关系数和相关方程式) (唐守正, 1987; 徐振邦, 等, 1994; 蒋华松等, 1998) ¹⁾。

顾万春编著.林业试验统计.中国林科院大青山实验局, 浙江省林业科学研究所, 1985。

杉木木材解剖因子和染色效果变量之间的多元回归分析结果包括相关方程式、回归系数、标准回归系数以及回归方程的显著性检验结果等信息。

2.3.4 木材解剖因子与染色效果的回归方程式

以杉木木材解剖因子的13个指标作为自变量, 以木材染色效果即染色后的5个染色材色度学特征值指标与染色前后木材材色的色度学特征变化值指标(7个指标)作为因变量分两组分别进行多对多线性回归分析, 研究杉木木材解剖因子与其木材染色效果之间的内在联系。分析所得结果如表 5和表 6所示。

(1) 染色材色度学参数与木材解剖因子的多对多线性回归分析从表 5可见, 杉木木材染色效果的5个指标和木材解剖因子之间均有较高程度的相关, 其复相关系数为0.5719~0.7614。(2)染色前后色度学参数木材解剖因子的多对多回归分析从表 6可见, 杉木木材染色前后色度学特征变化值的7个指标和木材解剖性质之间有较高程度的相关, 其复相关系数为0.5630~0.7913。表明木材染色前后的色度学变化与木材解剖性质之间存在着较强的相关性。

2.3.5 影响木材染色效果的主要解剖因子的分析

(1) 木材解剖因子对染色材色度学参数的贡献分析木材解剖因子很多, 为分析确定木材解剖因子对木材染色效果的贡献, 也就是寻找影响杉木木材染色效果的主要因子。这里对杉木木材染色效果与其解剖因子多对多回归分析的标准回归系数进行讨论分析。

标准回归系数是对参与回归分析的具有不同度量单位(不同量纲)的原始数据进行标准化处理后, 进行回归计算所得回归系数。这个回归系数称为标准回归系数, 可以用来比较自变量对因变量的贡献大小, 标准回归系数绝对值大的, 其对因变量的贡献大, 也就是说它对因变量的影响要显著(徐振邦, 娄元仁, 1994; 蒋华松, 沈文瑛, 张大同等, 1998)。

杉木木材染色材色度学特征与解剖因子的多对多回归标准回归系数从表 7可见, 对明度贡献最大的解剖因子为木射线比量x₁₅(-2.14666)、管胞比量x₁₆(-1.63509);对红绿轴色品指数a^*贡献最大的解剖因子为木射线比量x₁₅ (2.64789)、管胞比量x₁₆ (2.64697)、晚材管胞弦壁厚x₁₀ (-1.69602);对黄蓝轴色品指数b^*贡献最大的解剖因子为晚材管胞壁腔比x₁₃(1.13011)和晚材管胞弦壁厚x₁₀(-0.65374);对色饱和度C^*贡献最大的解剖因子为木射线比量x₁₅(2.54881)、管胞比量x₁₆(2.55624)和晚材管胞弦壁厚x₁₀(-1.75772);对色调角Ag^*贡献最大的解剖因子为木射线比量x₁₅(-2.67032)、管胞比量x₁₆(-2.62090)和晚材管胞弦壁厚x₁₀(1.44763)。

综上分析可见, 影响杉木边材染色的主要解剖因子为木射线比量、管胞比量和晚材管胞弦壁厚等因子。产生这种结果主要和染液在木材的径向渗透有关, 径向渗透时木射线细胞和管胞壁上的纹孔是主要的渗透通道, 木射线和管胞壁的纹孔数量的大小就决定了渗入木材中染料的多少, 也就决定了木材染色效果。因此木射线比量、管胞比量和晚材管胞弦壁厚等就成为影响杉木边材染色的主要解剖因子。

(2) 木材解剖因子对染色前后色度学变化参数的贡献分析杉木木材染色前后色度学特征变化值与解剖性质的多对多回归标准回归系数从表 8可见, 对明度差(ΔL^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅ (0.59113)、管胞比量x₁₆(1.00431)和早材管胞弦壁厚x₃(-0.61702);对红绿轴色品指数差(Δa^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅(2.85910)、管胞比量x₁₆(2.95544)和晚材管胞弦壁厚x₁₀(-1.91269);而对黄蓝轴色品指数差(Δb^*)贡献较大的解剖因子为木射线比量x₁₅(-0.68008)、管胞比量x₁₆(-0.44071)和晚材管胞腔径x₉(0.43642);对色饱和度差(Δc^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅(2.25370)、管胞比量x₁₆(2.39051)、晚材管胞壁腔比x₁₃(1.14376)和晚材管胞弦壁厚x₁₀(-1.37958);对色调角差(ΔAg^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅(-3.13167)、管胞比量x₁₆(-3.31729)、晚材管胞弦壁厚x₁₀ (2.05339)和晚材管胞壁腔比x₁₃(-1.19394);对色差(ΔE^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅ (3.22984)、管胞比量x₁₆(3.20209)、晚材管胞弦壁厚x₁₀(-2.15049)和晚材管胞壁腔比x₁₃ (1.86599);对色相差(ΔH^*)贡献较大的为木射线比量x₁₅(3.00122)、管胞比量x₁₆(3.07143)、晚材管胞弦壁厚x₁₀(-2.09093)和晚材管胞壁腔比x₁₃(1.42328)。

上述分析表明, 影响杉木木材染色前后色度学变化参数各指标的木材解剖因子主要为木射线比量x₁₅、管胞比量x₁₆、晚材管胞弦壁厚x₁₀和晚材管胞壁腔比x₁₃(1.42328)等4个指标。这个结果和杉木染色材色度学参数与杉木木材解剖因子多对多回归分析所得的结果基本一致。

对杉木木材染色效果的分析表明, 采用这两种木材染色效果评价体系分析所得的结果和结论基本一致。表明在今后开展同类研究时, 可以忽略或不考虑木材底色影响, 直接测量染色材的色度学指标, 而不用先测定素材的材色, 然后再进行染色后材色的测定。

3 结论

对杉木解剖因子与染色效果之间的多元回归分析表明, 杉木木材的染色效果与木材解剖因子之间有一定程度的相关关系。杉木木材解剖因子与其各个染色效果指标间的复相关系数在0.5630~0.7913之间。

采用比较多对多回归分析标准回归系数的方法, 确定出影响杉木木材染色效果的主要解剖因子为木射线比量、管胞比量、晚材管胞弦壁厚和晚材管胞壁腔比等因子。

对杉木木材染色效果采用染色后的色度学参数与染色前后色度学变化值参数与木材解剖因子多元回归分析表明, 采用这两种木材染色效果评价体系分析所得的结果和结论基本一致。说明在今后开展同类研究时, 可以忽略或不考虑木材底色对染色效果影响。