干燥过程中抽提物迁移规律对木材颜色均匀度作用的热力学机制

The color differences between heartwood, sapwood and early, late wood are obvious, which have a negative effect on wood products qualities. The study on mechanism of wood color changes during dying demonstrated that the discoloration is attributed to the changes of the chromophore system caused by oxidation of extractives. Wood chromophore system is a kind of chromogenic structures which formed from oxidation of lignin and extractives under certain conditions. The color uniformity between heartwood, sapwood and early, late wood can be achieved if the reactions between extractives and wood components can be conducted completely by adjusting drying conditions. It is of scientific interest to improve qualities of wood products. The characters of the moving of extractives during wood drying process will be illustrated in the respects of physical and chemical by using molecular dynamics and thermodynamics. The re-distribution of the extractives in wood and its influence on color uniformity will be explained by the differences of compatibility between extractives and lignin/carbohydrates. This study will give an explanation on the color uniformity during drying process in the aspects of thermodynamic principle. The results of this study will lay a theoretical foundation for wood color uniformity adjusting during drying. This study is of theoretical interest and of great relevance to applications to improve quality and utilization of wood.

木材的心、边材和早、晚材颜色差异比较显著，影响到木材制品的品质。干燥过程中木材变色机理研究发现：抽提物和木素的氧化会改变木材发色体系的结构，使木材的颜色发生变化。木材发色体系是木素和抽提物在一定条件下发生氧化反应形成的一种发色体结构。若能在干燥过程中通过调节干燥工艺条件促使抽提物组分和木材其他组分充分反应，形成新的发色体系，实现木材心、边材和早、晚材颜色均一化，对提高木材制品的品质具有重要的科学意义。项目拟采用分子动力学和热力学的方法，从物理和化学角度综合分析木材干燥过程中抽提物的迁移特性；通过抽提物组分与木素、碳水化合物的亲和性能差异研究，阐明抽提物在木材组分中再分布的规律及对颜色均匀化的影响，揭示木材干燥过程中颜色均匀化的热力学原理。研究成果将为干燥过程中木材颜色均匀化调控奠定理论基础，对提高木材品质和利用率具有重要的理论意义和实用价值。

木材颜色是木材表面性质、木材品质和利用价值评定的重要指标，是木材产品加工增值的重要影响因素。木材的心、边材颜色差异比较显著，一定程度上限制了木材的利用。根据木材易于受热、湿等因素的影响而变色的特性，在木材的干燥过程中，通过适当调控温、湿度可以减弱或消除天然木材的心、边材色差，获得美观、耐久，内外一致的颜色。项目以速生桉木、刺槐、落叶松为研究对象，分析木材的细胞形态及抽提物组成，通过分子动力学和热力学的方法，从物理和化学角度综合分析木材干燥过程中抽提物的迁移特性；分析抽提物迁移过程中化学结构变化机理其对木材颜色均匀度的影响；分析了心边材抽提物组分及颜色差异的分子机理；探讨了不同热处理条件对木材颜色均匀度的影响及木材颜色均匀度评价；建立了热处理过程中木材心边材颜色变化动力学模型，揭示了木材干燥过程中颜色均匀化的热力学原理。研究表明，水溶性抽提物的迁移随温度、时间呈线性变化。在80℃饱和蒸汽预热处理条件下，巨尾桉心边材颜色均匀度提高22%。预热处理过程中小分子酚类和酮类化合物中从心材迁移到了边材。多元酚类化合物主要在分布在心材，经热处理后含量减少，少量迁移到了边材，生成不溶于水的有色物质，使木材心边材色差减小。酚类化合物在迁移过程中发生氧化、缩合反应，炔醇化合物发生亲核反应，有机酸在迁移过程中与半纤维素水解产物发生反应生成酯类物质，这些反应形成具有C=O和C=C键共轭结构的物质，共轭体系增大，对可见光的吸收增强，导致木材色度指数红、黄色调增加，颜色加深。一级反应动力学模型能够有效的预测热处理过程中木材颜色的变化。在干燥过程中通过调节干燥工艺条件促使极性抽提物组分在迁移过程中与木材其他组分反应，形成新的发色体系，实现木材心、边材颜色均一化，对提高木材制品的品质具有重要的科学意义。研究成果为干燥过程中木材颜色均匀化调控奠定理论基础，对提高木材品质和利用率具有理论意义和实用价值。