长期以来, 人们对探讨和开发新型木材染色技术非常重视, 对木材材料本身的性质对染色工艺的影响很少研究, 即对木材构造和材性的变化与木材染色效果之间的相关性及其影响未有研究, 这严重影响了木材染色技术的发展和提高(陆文达, 1993)。为揭示木材解剖构造与染色效果的相关性变化规律, 本研究以人工林毛白杨为研究对象, 测定木材的解剖性质和木材的染色效果, 对毛白杨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, 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指导。

1 材料和方法 1.1 材料

从5株人工林毛白杨试材中随机选取34块径切面边材板条(50 cm ×12 cm ×12 cm)(L ×R ×T)作为试材, 在同一块板材条上分别截取1个木材解剖和2个木材染色试样, 在板条的一边截取木材解剖试样, 在紧邻的另一边截取木材染色试样。其中木材解剖样试样尺寸为2 cm ×2 cm ×2 cm(L ×R ×T), 木材染色试样尺寸为5 cm ×5 cm ×1 cm(L ×R ×T), 每块板条以2个染色试样染色效果的平均值进行木材解剖因子与染色效果相关性研究的分析。染料为酸性染料酸性大红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。

1.2.2 木材染色方法

木材染色参考基太村洋子(1971)的常规浸染方法进行。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的相关性结果。试验用染料为酸性大红3R, 染液浓度为0.5 %, 浴比为1:35。

将染色试样放入盛有400 mL的0.5 %(W/V)酸性大红3R染料溶液的玻璃染缸中, 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5min用镊子翻动木材试样1次, 使其2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6504 K。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Ø20 mm。对每块试样均取6个点进行多点测试, 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2面砂光。

测色参数的测量计算, 用测色色差计直接测得多点平均3刺激值X₁₀Y₁₀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(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数理统计软件STATISTIC进行处理。

2 结果和讨论 2.1 人工林毛白杨木材的解剖特征

毛白杨是阔叶散孔材, 主要有导管、木纤维和木射线组成, 几乎没有轴向薄壁组织细胞。毛白杨边材的解剖构造测定结果的平均值如表 1所示。

毛白杨边材的导管弦向直径在48 ~ 83 μ, 平均值为66.43 μ; 导管频率为23.24 ~ 156.56个/mm², 平均值为58.08个/mm²; 木纤维腔径平均值为12.01 μ; 木纤维壁厚, 平均值为6.45 μ; 而木纤维直径为10.94 ~ 36.08 μ, 平均值为18.47 μ, 木纤维壁腔比为0.529, 腔径比为0.652。

毛白杨边材的组织比量木纤维最大, 为73.01 %, 木射线为18.28 %, 导管比量为12.52 %, 胞壁率为59.97 %。可见, 毛白杨边材的主要组成是木纤维。

2.2 人工林毛白杨木材染色前后的色度学特征变化

人工林毛白杨边材试样进行加热至90 ℃±2 ℃后恒温浸染, 用肉眼观察发现, 染色前后木材材色发生了非常显著的变化。毛白杨边材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^*均为负者), 降低幅度在-23.79 ~ -42.01之间, 平均值达-36.72;红绿轴色品指数a^*变化较大, 红绿轴色品指数差Δa^*变化在29.10 ~ 53.52之间, 平均值为48.12;黄蓝轴色品指数b^*变化很小, 红绿轴色品指数差Δb^*为4.22 ~ 16.22, 平均值为8.44;色饱和度C^*变化范围大, 色饱和度差ΔC^*在20.54 ~ 44.22之间变化, 平均值为37.52;色调角Ag^*变化很大, 色调角差ΔAg^*在-28.48 ~ -149.94之间, 平均值为-53.84;而染色前后的总体色差和色相差亦发生了很大的变化, 色差ΔE^*变化范围为37.83 ~ 68.15, 平均值高达61.49;同样色相差ΔH^*也发生了较大的变化, 变化范围为18.14 ~ 41.01, 平均值为31.00, 这表明染色前后木材材色变化非常明显。

由此可见, 毛白杨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, 这表明染色后主要呈现的是酸性大红3R染料的颜色。

2.3 人工林毛白杨木材解剖因子与染色效果间的相关分析

为准确地分析木材染色效果和解剖构造间的相关性, 为排除有些相关性很强的因子对其他因子的掩盖作用, 对毛白杨木材解剖性质之间的相关性进行简单相关分析, 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。毛白杨木材染色效果采用染色材的色度学参数进行评价。

2.3.1 毛白杨木材解剖因子与染色效果的指标

以测定的毛白杨木材导管、木纤维以及组织比量等特征值等11个指标, 作为自变量; 以染色材色度学特征值(y₁ -y₅)5个指标作为因变量, 评价木材染色效果。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 毛白杨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, 简单相关系数是用来描述2个变量之间线性相关的密切程度。

从表 4可见, 毛白杨边材解剖性质11个指标间均有一定的相关性, 其中导管比量(x₃)和木纤维比量(x₄)、木纤维壁厚(x₈)和木纤维腔径比(x₁₁)之间的相关系数很高, 分别为0.90200、-0.98049, 绝对值均超过了0.90, 表明这两对因子之间高度相关。鉴于这些指标间的高度相关性, 在进一步分析时, 可将毛白杨木纤维腔径比(x₁₁)予以剔除, 而用与其高度相关的另一个指标木纤维壁厚(x₈)进行木材染色效果与解剖性质相关性的分析。

但这里应该说明的是尽管导管比量(x₃)和木纤维比量(x₄)之间的相关系数都很高, 但考虑到导管比量是考察毛白杨木材中导管数量的一个重要指标, 根据需要决定不将其剔除。

2.3.3 毛白杨木材染色效果与解剖因子的多元回归分析

多对多线性回归分析可用于研究1个或多个因变量对多个自变量的线性估测, 可得到多个自变量与1个或多个因变量之间的效果程度的结果(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, 1994; 顾万春, 1985;蒋华松等, 1998)。

(1) 毛白杨木材染色效果与解剖因子的多对多线性回归分析  以毛白杨木材解剖因子的10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进行多对多线性回归分析, 考察毛白杨木材解剖因子与其木材染色效果之间的内在联系。分析所得结果从表 5可见, 毛白杨木材染色效果的5个指标和木材解剖因子之间均有较高程度的相关, 其复相关系数较高为0.4836 ~0.7998, 其中毛白杨木材酸性大红3R染色的主要色品指数红绿轴色品指数a^*及其饱和度C^*以及色调角Ag^*与解剖因子的复相关系数称为0.7739、0.6903和0.7998, 比较高, 且色调角Ag^*与解剖因子回归显著性检验结果回归显著, 表明可以利用这个相关方程式预测木材染色效果。同时也表明, 毛白杨木材的染色效果与其解剖因子之间存在着较强的相关性。

(2) 毛白杨木材解剖因子对染色效果贡献分析  毛白杨木材解剖因子很多, 为分析确定其染色效果的主要因子, 也就是确定木材解剖因子对染色效果的贡献。这里对毛白杨木材解剖因子与其染色效果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)。

对毛白杨木材染色材色度学特征与解剖因子因子的多对多线性回归的标准回归系数进行考分析, 标准回归系数从表 6可见, 对毛白杨木材染色材的明度(L^*)、红绿轴色品指数(a^*)、色饱和度(C^*)和色调角(Ag^*)贡献最大的因子为毛白杨木材的导管比量x₃、木纤维比量x₄、木射线比量x₅, 表明这3个材性因子对木材染色效果影响最大, 即影响毛白杨木材染色效果的木材解剖因子主要是木材的导管比量、木纤维比量和木射线比量, 也就是说毛白杨木材的3种主要组成组织的大小对木材染色效果有显著作用。

综上分析可见, 影响毛白杨边材染色的主要解剖因子为导管比量、木纤维比量和木射线比量等因子。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、导管和木纤维壁上的纹孔是主要的渗透通道, 本射线、导管和木纤维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、管胞比量和木纤维比量等就成为影响毛白杨边材染色的主要解剖因子。

3 结论

对毛白杨木材染色效果与解剖因子间的多元回归分析表明, 毛白杨木材的染色效果与解剖因子之间有相当程度的相关关系, 复相关系数在0.4836 ~ 0.7998之间。采用比较多对多回归分析的标准回归系数的方法, 确定出影响毛白杨木材染色效果的主要解剖因子为导管比量、木纤维比量和木射线比量。