王攀博结题论文红木类木材组织构造及材性的比较研究.doc

红木类木材组织构造及材性的比较研究王攀博 徐青 徐魁梧摘要：本文运用传统的方法，从木材宏观及微观构造、荧光反应三个方面，对常见红木类木材进行比较研究并实现初步分类。在此基础上，使用X-Rite公司分光仪采集试样表面视觉物理量，基于L*a*b*均匀颜色空间对木材表面颜色进行比较研究，利用Ava公司的AvaSpec-2048型光谱仪采集试样表面近红外光谱数据，运用模式识别方法进行木材分类的研究。关键字：红木类木材、比较研究Abstract: Comparative studies of Rosewood species were conducted in traditional ways including macrostructure 、microstructure and fluorescence reaction. Wood surface visual parameters measured by X-Rite were discussed based on L*a*b* uniform color space. Near infrared spectra parameters were also mearsured by AvaSpec-2048. The wood identification was studied combined with pattern recognition.Key words: Rosewood species、comparative studies红木，根据国家标准定义，是当前国内家具用材约定俗成的名称。共有33个树种，归为紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹乌木和鸡翅木8类，隶属于紫檀属、黄檀属、柿属、崖豆属及铁刀木属。本文概述了红木资源的分布情况。运用传统的方法，从木材宏观及微观构造、荧光反应三个方面，对常见红木类木材进行比较研究并实现初步分类。运用现代方法，从木材表面视觉物理量、近红外光谱两个角度比较研究了常见红木类木材。1 红木类木材资源分布概述我国有天然分布的红木树种仅有降香黄檀( Dalbergia odorifera) 、黑黄檀( Dalbergia fusca) 2 个种。降香黄檀为我国海南特有种、国家二级保护植物,属蝶形花科黄檀属,半落叶乔木2 3 , 主要零星分布于海南西部、西南部和南部的东方、昌江、乐东、白沙及崖县等地；黑黄檀为国家二级保护植物,属蝶形花科黄檀属,落叶乔木4 ,5 ,主要分布于云南南部的西双版纳州、思茅地区,海拔为7001 700m 的山地,此外绿春、元江也有零星分布。目前,我国已引种并开展过人工栽培的红木树种主要有铁刀木( Cassia siamea) 和印度紫檀( Pterocarpus i nducus) 2 个种。我国引种栽培铁刀木的历史悠久,目前我国的云南、广东、海南、广西、福建等地均有种植。印度紫檀于20 世纪初期引入我国,现在云南、海南、广东、广西、台湾均有少量栽培。 其它引种红木树种 ,如囊状紫檀( Pterocarpus marsupium) 、檀香紫檀( P.santalinus) 、阔叶黄檀( D.latif olia) 、东非黑黄檀( D.melanoxylon) 、巴西黑黄檀( D.nigra) 、乌木( Diospyros ebenum) 610 ,现主要种植于华南地区各热带树木园、植物园,但尚未扩大栽培。国标规定的33种红木类木材在国外主要分布在印度、东南亚地区、热带非洲以及拉丁美洲地区。2 传统研究方法2.1宏观特征比较研究共采集了八种常见红木类木材的宏观构造图像，包括刺猬紫檀、大果紫檀、非洲崖豆木、白花崖豆木、交趾黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、微凹黄檀。研究了八种红木类木材的宏观构造。2.2微观特征比较研究共制作了刺猬紫檀、赛州黄檀、交趾黄檀三种红木类木材的三切面切片，采集了其横切面、弦切面、径切面微观构造图片。研究了三种红木类木材的微观构造。2.3 荧光反应以市场上常见的红木类木材作为研究对象，材料部分来源于木材工业学院木材标本室，部分从市场采购。实验红木种类：鸟足紫檀、大果紫檀、印度紫檀、刺猬紫檀、奥氏黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、交趾黄檀、巴厘黄檀、铁豆木。实验得到，在所有实验样本中，木屑浸泡液出现荧光的为鸟足紫檀、大果紫檀、印度紫檀、刺猬紫檀，皆为花梨木类，其中印度紫檀出现荧光反映用时较短，相对明显，刺猬紫檀最不明显，且实验过程中发现，刺猬紫檀的荧光分散在溶液中，而其余三种红木的荧光聚集在溶液的上部。其余六种试样，奥氏黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、交趾黄檀、巴厘黄檀、铁豆木没有观察到荧光。2.4 部分红木类木材检索表木材的材性是木材鉴别的依据。通过采集常见红木类木材的宏观构造图片、微观构造图片，观察其主要特征并进行比较研究，以及通过观察其荧光反应，可以实现对以下12种红木的初步分类与鉴别。编制检索表如下：1 木射线组织同形21 木射线组织异形82 木屑浸出液有荧光 32 木屑浸出液未见荧光 43 木材几无香气刺猬紫檀3 木材香气显著大果紫檀4 心材主为红褐色及紫黑色卢氏黑黄檀4 心材新切面暗红褐色、橘红褐色至红褐色55 散孔材，半环孔材或倾向不明显微凹黄檀5散孔材，半环孔材或倾向明显66 轴向薄壁组织主为翼状及/或傍管带状非洲崖豆木， 白花崖豆木6 轴向薄壁组织主为细线及/或窄带状77 有异形型射线组织倾向；气干密度1.0g/cm3赛州黄檀7无异形型射线组织倾向；气干密度1.0g/cm3印度黄檀8 心材全部乌黑，浅色条纹稀见乌木， 厚瓣乌木8 心材黑或栗褐色，带黑色及栗褐色条纹苏拉威西乌木, 菲律宾乌木3 现代研究方法3.1 基于Lab颜色空间对木材表面的比较研究以市场上常见的红木类木材作为研究对象，试样经长期室温条件下气干，被测面使用压刨床精刨加工平整。实验仪器为美国爱色丽（X-Rite）公司生产的分光仪。实验结果如下表：表1 L、a、b、E测量值名 称（产地）LabE平均值标 准 偏 差平均值标 准 偏 差平 均值标 准 偏 差平均值标 准偏 差刺猬紫檀1（非洲）50.66 1.93 12.47 0.59 23.04 1.05 20.58 0.80刺猬紫檀2（非洲）38.60 4.42 13.74 1.01 15.74 2.87 10.46 4.05刺猬紫檀3（非洲）50.48 4.36 19.68 1.51 24.65 3.22 22.54 2.46大果紫檀（东南亚）47.74 1.81 18.15 0.73 20.44 1.43 19.56 4.08白花崖豆木（缅甸）35.04 1.09 7.66 1.04 9.47 1.11 4.92 0.42非洲崖豆木（非洲）43.53 3.00 9.18 0.40 20.01 1.88 15.81 3.10交趾黄檀34.95 3.96 17.27 6.33 14.49 5.05 11.01 4.31赛州黄檀35.13 1.88 6.51 0.71 5.34 1.37 7.32 0.60微凹黄檀（危地马拉）31.33 1.48 14.71 2.26 13.91 2.34 6.34 2.03卢氏黑黄檀31.43 1.53 13.44 1.67 6.81 1.02 3.84 0.90CIE （1976）L*a*b*均匀颜色空间是由国际照明委员会在CIE（1931）基础上制定的，它在三维色空间的各个坐标轴方向上均具有视感知觉的等距性，而且细分了明度指数和色品指数的级差11。表格中，L*的标准偏差表示颜色深浅的差异；a*的标准偏差表示黄-蓝通道上色调的差异、b*的标准偏差表示红-绿通道上色调的差异。而E为色差，表示色知觉差异，是L*a*b*三项偏差综合的结果。由表3数据可知，刺猬紫檀、大果紫檀照度L主要分布在47至51，它们都是花梨木类，木材表面较亮；白花崖豆木、非洲崖豆木照度L主要分布在35至43，它们都是鸡翅木类，木材表面次亮；交趾黄檀、赛州黄檀、微凹黄檀、卢氏黑黄檀照度L主要分布在31至34，它们都属于黄檀属黑酸枝类或红酸枝类，木材表面最暗。可见，由L值得到的木材表面亮度与肉眼观察的相一致，并且将亮度数值化，测得花梨木类、鸡翅木类、酸枝类的L数值分布区间，有助于红木的分类。所有实验样本的a和b的数值均大于0，表明红木木材颜色分布在红黄色系，其中刺猬紫檀、大果紫檀、非洲崖豆木b值明显大于其余实验样本，表明其木材表面偏黄色。由表数据可知，卢氏黑黄檀的E值最小，表明卢氏黑黄檀木材表面颜色分布均匀，而刺猬紫檀、大果紫檀的E值最大，表明其木材表面颜色分布差异较大。3.2 基于近红外光谱对木材的比较研究以市场上常见且较易收集的红木类木材（大果紫檀、刺猬紫檀、东南亚鸡翅、非洲黄鸡翅）作为研究对象，试样经长期室温条件下气干，被测面使用压刨床精刨加工平整。实验仪器为AvaSpec-2048型光纤光谱仪、DK-S24电热恒温水浴锅。 交趾黄檀心材 交趾黄檀边材图1交趾黄檀心边材光谱图3.2.1木材心边材光谱比较分析3.2.1木材心边材光谱比较分析交趾黄檀心边材谱图见图1。通过比较以上交趾黄檀的心边材光谱图，心边材光谱图之间存在明显的差异。而同一种木材中心边材最大的差异是丰富而又具有内涵的抽提物，因此它们之间的差异反映木材抽提物。3.2.2木材抽提前后光谱的比较分析对微凹黄檀、交趾黄檀、刺猬紫檀热水抽提前后的光谱图进行横向比较分析，可以看出，抽提前后的谱图在15003500cm-1之间存在较大的差异，抽提前后木材化学成分相差较大的即为抽提物，因此这些差异反映了木材抽提物。同时将抽提后光谱作纵向比较，抽提后谱图之间的差异较小，明显没有抽提前光谱差异大。这也说明木材特征光谱的区别，反映木材抽提物。3.2.3大果紫檀和刺猬紫檀的鉴别图2和图3为大果紫檀和刺猬紫檀的光谱图。依据以上分析的结论（光谱之间的差异反映丰富而具内涵的抽提物）和图中分析可以看出,样本的指纹区存在较为明显的差异，尤其是650900nm波段内。因此选择650900nm波段的数据进行判别分析。 图2 大果紫檀光谱图 图3 刺猬紫檀光谱图对所选波段的光谱数据选用了标准化转换，欧式平方距离，离差平方和法进行聚类分析，聚类分析树形见图4，其中130为大果紫檀，3160为刺猬紫檀，从树形图上可以清晰的看出，大果紫檀与刺猬紫檀有明显的聚类效果，当欧式平方距离在1760范围内时，所有的树种被清晰地分为两类，具体的统计结果见表2。图4 大果紫檀与刺猬紫檀聚类分析树形图表2大果紫檀与刺猬紫檀分类结果样本分类结果小计错判数正确率大果紫檀刺猬紫檀大果紫檀26430486.7%刺猬紫檀12930196.7%总计60591.7%从试验结果可以看出，96.3%的大果紫檀和86.7%的刺猬紫檀都得到准确鉴别，取得了满意的判别分类结果。4 结果与讨论1）通过调查研究，查阅文献，了解了红木类木材的资源分布情况。2）采集了常见红木类木材的宏观及微观构造图像，深入研究了其构造特征，对常见树种进行了荧光反应，观察其是否发生荧光反应，并记录了发生荧光反应所需时间，较好地实现了对部分红木类木材的分类。3）通过采集木材表面视觉物理量，基于L*a*b*均匀颜色空间对木材表面颜色进行了比较研究，得到了常见红木类木材表面颜色的照度、色调、色差，为从木材颜色角度识别木材提供了数值支持。4）通过近红外光谱技术与聚类分析的模式识别方法相结合，对多组木材实现了较高准确率的识别分类。验证了运用近红外光谱识别木材的可行性。5）验证了木材特征光谱的区别反映木材抽提物。参考文献1 GB/ T 18107 - 2000 ,红木S2 周铁烽. 中国热带主要经济林树种栽培技术M. 北京:中国林业出版社,200113 温茂元. 海南热带人工林持续经营M. 海口:南海出版公司,200014 云南省林业科学研究所. 云南主要树种造林技术M 昆明:云南人民出版社,198515 西南林学院. 云