木材的显色与变色

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枫亚(张久铭)编撰

1材色的定义

教科书¹对材色给出的定义如下：

木材是由细胞壁构成的，而构成细胞壁的主体—纤维素本身是无色无味的物质，只是由于色素、单宁、树脂和树胶等内含物质沉积于木材的细胞腔，并渗透到细胞壁中，使木材呈现出各种颜色，称为材色。

2材色的产生 

人们曾经认为木材的颜色是由于木材中存在具有色素的物质或其他物质在外界条件作用下而产生的。后来的研究发现²，木质素结构中缔合有发色结构物质，所以木材颜色产生的原因有两个方面，一是与木质素有关，二是与抽提物有关。

2.1木材颜色产生的基础原理

专业研究结果表明³：木材化学组成分中的纤维素、半纤维素在正常情况下都是以单键联结的有机化合物，对可见光中各种波段无吸收，而全部反射，故不具有颜色特性。木质素及抽提物中的黄酮类、酚类化合物的结构单元中都存在共轭双键的发色基团，在可见光波段区内具有吸收峰，随着吸收和反射光谱的不同，而显示出不同的材色。

2.2抽提物中发色物质的形成

心材的颜色往往比边材深⁴，有些深得很多，这是因为抽提物成分在心材和边材中的分布及含量不同。与木材颜色和变色紧密相关的多元酚类化合物主要分布在心材。木材所呈现的颜色与其组分的化学构成有密切关系，因为分子结构的不同，对可见光的吸收范围和程度不同，从而表现出不同的颜色。

心材是由边材转化而来，大量抽提物的集中出现是心材形成的标志。关于边转心的过程与机制，现有的研究表明²：木质化阶段一经结束，木纤维和管胞就死亡。而横向和纵向薄壁细胞却一直维持很多年仍生活着。这些细胞作为水和无机盐类传导的通道，维持新陈代谢进程和贮存养料，经过一定时间后死亡并逐渐形成心材。在此过程中，木材内部发生各种变化，形成大量抽提物沉积在细胞壁或填充在细胞腔和一些细胞组织中。具体讲就是⁵边心材转换区的薄壁细胞在死亡之前会产生生理机能亢进的表现，在这期间薄壁细胞把淀粉粒等贮藏物质转化成抽提物，并将这些抽提物输送到邻近的组织中。

3木材的显色

3.1细胞壁结构物质中的发色组分

木质素是细胞壁的三大构成物质之一，属于非结晶性的三度空间高聚物。

光表现方面，木质素⁴

吸收可见光内380nm～500nm之间波段的蓝紫光。(注:可见光波段范围为380nm～780nm)

按色彩学原理推知，其反射的补光呈微黄色。

由于纤维素和半纤维素均为无色物质，所以我们见到的边材颜色来自木质素，由边材转化而成的心材材色中也包含着木质素的颜色在内。

久置于空气中的木材，或木材加工过程中受热、或在氧化剂存在的条件下，均会导致木质素变色。借助边材，我们可以直观地感受到其颜色的变化，变化的程度与时间和环境温度相关，变色的大致方向是由淡黄色→土黄色→黄褐色→……。

3.2抽提物中的发色组分

木材抽提物中所含的发色物质，有色素、单宁、树胶和树脂等，是木材产生颜色的重要原因之一。

3.2.1色素

色素的发色有以下两种情况²：

①色素本身为带色物质使木材显色。这些色素种类较多，可使木材显现出不同颜色，比如：

紫檀木心材为红色，可以提取紫檀香(santalin)色素。

美国鹅掌楸木材里可以提取黄色染料鹅楸黄(liridenine)。

一些桑科的木材中含有桑橙素(maclurin)为黄色微晶粉。

……

②色素本身无色，经氧化后产生各种有色物质，从而使木材产生颜色。比如：

桑树中含有的桑色素(morin)为无色针晶，暴露在空气中的木材为黄色。

苏木中含有的苏木素(brazilin)为无色针晶，碱性条件下氧化，显示红色。

3.2.2单宁

单宁¹广泛地存在于树木的叶、果、材、皮和根部，心材的含量高于边材。富含单宁的木材，久置于空气中后表面颜色变深，并逐步向木内扩展。在加工过程中，与铁接触会发生铁变色，其颜色从浅灰到蓝黑色，随铁与木的接触情况而变化；与铜或合金接触后产生微红色。

3.2.3树胶

树胶是木材中胶质物的统称，在阔叶树材中广泛地存在。树胶颜色多为红色、红棕、褐色，也有特殊颜色的，如黄色、黑色及无色的。有些木材的胶质物直接渗入到纤维组织中，如乌木呈黑色¹，并非其木材细胞壁物质为黑色，而是因为黑色的胶质物渗透到所有细胞的腔内。紫檀木心材显红色的两个主要原因⁶中，一个是其中含溶于乙醇和乙醚，不溶于水的红色素；另一个就是其多纤维部分为红棕色树胶饱和浸润。

3.2.4树脂  

针叶树材和阔叶树材中均含有树脂⁷，树脂除存在于木射线细胞内以外，还存在于树脂道内。也有部分心材导管中富含树脂而边材导管中则没有(如愈疮木和维腊木)。

树脂的颜色多为黄色，或黄色偏红、偏棕，偶有淡绿或深绿色的。

树脂颜色对材色的影响源于树脂的渗出，某些导管比较密集且管中树脂富集的树种也对材色构成影响。

3.2.5水溶性抽提物

木材水溶性抽提物中的带色物质含量一般较少或颜色很淡。常温条件下，长时间的泡木之水颜色仍然淡淡的，可见水溶性带色抽提物不足以对木材颜色的倾向构成影响，所以一般也不将其归为色素。但是长时间处于高温环境(如干燥加工或在气温较高的区域存放)时，情况则有所不同⁸，木材中的水溶性带色抽提物会因热变色的发生而影响材色。

常温条件下长期放性过程中的缓慢变色，其中也有水溶性带色抽提物的色变贡献。

4木材的变色⁸

4.1光化学降解引起的变色

在引起木材褪色、变色的诸多因素中，紫外光与可见光的照射是最主要的，置于日光下的木材，其表面会迅速发生化学降解作用，而使木材表面颜色发生变化(褪色)。有些木种置于日光下后，短期表现为色相的转变，但日晒时间一久，变色的最终方向是褪色。

影响光变色的因素有三个：

①温度。提高温度可使光降解和氧化反应加速。

②水分。自由基的浓度是影响光化学降解的因素之一，当含水率在某个值的范围内时，自由基浓度达到峰值。

③树种。由于光降解发生在木表及近表部分，所以木材的体积越大，其降解侵蚀率越低。还有，金属离子(尤其是铁离子)的含量对自由基的形成有所影响。

4.2化学试剂引起的变色

4.2.1化学试剂导致变色的特点

化学试剂导致木表颜色变化是木材 颜色变化中重要的一类，其特点如下：

①反应快，木材在短时间内变色。

②大多出现在加工过程中，或加工结束后。

③受反应条件，如温度、时间和PH值等的影响。

④反应多发生在心材。

4.2.2化学试剂  

导致木材表面颜色变化的化学试剂主要是：

①过渡金属（如铁离子等）和氧化剂(如KMnO₄等)。

②酸、碱或其他加工过程中的化学助剂。

4.2.3变色的化学组分

受试剂影响产生颜色变化的主要化学组分是单宁类、黄酮类、以及木质素和酚类化合物。

4.2.4化学试剂变色的机理

木质素属于细胞壁的结构物质，是导致木材变色的化学组分之一。木质素具有较强的还原能力，易被氧化剂氧化，氧化的结果使边材颜色趋向黄褐色，使心材的颜色加深。

木材的抽提物是导致木材变色的重要因素，与材色变化相关的抽提物包括两大类：

①单宁类。单宁类由水解类单宁和凝缩类单宁组成，具有以下几点特性：

一是具有较强的极性，易溶于热水、乙醇、丙酮和乙酸乙酯。

二是能与重金属盐（如醋酸铅、醋酸铜）和碱土金属氢氧化物(如Ca(OH)₂)溶液形成沉淀。

三是与过渡金属形成络合物显色，如与FeCl₃反应，生成黑或绿色沉淀。   

四是强还原剂，易在空气中氧化，尤其在酶作用下，形成发色化合物。

②黄酮类和酚类。黄酮类和酚类是导致木材显色和变色的重要要化学组分。这些化合物具有较强还原能力，易被氧化剂氧化，其氧化产物能使木材显色或颜色加深。同时，也易与过渡金属作用而显色。

单宁类、黄酮类以及其他酚类化合物大多存在于心材中。

4.2.5铁变色

这是由Fe离子与木材中的单宁、酚类、黄酮类以及木质素发生化学反应引起木材变色，大多呈灰黑色。在这类变化中，过渡金属铁离子不仅易与多元酚形成金属络合物呈现颜色，而且在铁离子存在下，多元酚更易被氧化，形成单宁铁、单宁酸铁以及醌类化合物等。过渡金属铜离子也有类似的反应，生成单宁铜或单宁酸铜，使木材呈浅红色变色。

引起这类木材变色的铁离子常来源于木材加工过程，如制材过程的刀锯、以及工业用水等，都能产生与木材作用的铁离子，使木材变色。

影响铁变色的因素有三个：

①木材组分。影响铁变色的主要木材组分是单宁，单宁的含量影响木材 色差变化，但是黄酮类、木质素等也对变色过程有一定影响。

②铁离子浓度。一般木材在铁离子浓度很低时就能产生变色。

③时间。铁引起变色所需的时间很短，一般3min即可变色，若温度升高则速度会加快。

4.2.6酸变色

木材的酸变色是酸与木材中的单宁、黄酮类多酚类化合物发生化学反应所致。经热水抽提过的木材，一般无酸变色反应，可证这一类变色反应不是由木质素引起的。酸变色的木材一般呈红色，随着PH值的减小而色差值增大。当PH值为 2～5时，木材变色轻微。

此外，含有凝缩类单宁较多的针叶树材，酸变色程度较大；光照下不仅酸变色速度快而且色差值增大，置于暗处的木材酸变色轻微。

4.2.7碱变色

碱变色是碱性化合物与木材中的少量组分单宁、黄酮类以及其他酚类化合物反应所致。经热水抽提过的木材，碱变色的反应不明显。但随PH值增大而颜色加深，并且呈不同颜色，大多呈棕色、红棕色。碱变色通常出现在木制品使用过程中，如木制品与碱性材料接触，在潮湿条件下，可发生碱变色。

4.3微生物作用引起的变色

霉菌和变色菌的侵害是导致木材变色的原因之一，由霉菌和变色菌引起的材色变化主要发生在边材。遭到霉菌侵害的木材，可见成片的黑灰色和淡绿色的霉斑；变色菌引起木材的变色，因菌种与树种的不同产生的颜色也不同，所变化的颜色有蓝、青、黄、绿、红、灰、黑色等。

木材霉菌和变色菌均为子囊菌纲和不完全菌纲的真菌，其生长发育的适宜温度为23～35℃。

4.4其他原因引起的变色

4.4.1热变色

热变色通常出现于木材干燥过程中。木材的变色因树种和干燥温度而异，它可以变黄、棕、红、灰等颜色，长期处于高温下的木材可 变成棕褐色。木材的热变色主要是干燥过程中木材内的水分外移，部分水溶性的抽出物，如酚类、黄酮类化合物随之外移至表面所致，同时在高温下受空气氧化变色。

4.4.2酶变色

刚采伐的木材，锯解成材后，放置于潮湿环境中，氧化酶会导致木材表面变色。所变颜色因树种不同而异，如冷杉边材变黄，桤木变红棕色，柳杉变黑。含水率及温度是酶变色的重要影响因素。当环境相对湿度达100％时，木材易产生酶变色。温度也影响酶变色，环境温度在20℃以下时酶变色比较缓慢。

4.4.3树脂渗出使木材显色

除上述的各种木材变色外，还有木材的树脂渗出引起的变色等。

— END—

参考文献

1.《木材学》（2006,8,徐有明主编）

2.《木材学》（2014,7,刘一星主编）

3.《木材的材色及材色处理》（1996,1,徐永吉）

4.《木材热诱发变色过程中发色体系形成机理》

  （2012,陈瑶）

5.《边材生理机能及心材形成机理的研究进展》

  （2018,1,罗蓓等）

6.《印度商用木材》

   (1932,R.S.Peason,H.P.Brown.)

7.《木材学》（1985,9,成俊卿主编）

8.《木材变色的类型》(作者不详)  

注：最后一节“木材的变色”中采用了《木材变色的类型》的全部核心内容，根据需要有所增删，但基本保持了原文的框架、观点和结论。