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木材防护知识讲座

2014-11-20 22:56:48 人评论 次浏览 分类:行业动态


第一讲  木材的生物败坏
金重为
南京林业大学 教授    东莞市天保木材防护科技有限公司 董事
 
木材是人们喜爱的可再生材料,它具有其它材料无可比拟的优点。但是,对于大多数树种,特别是人工速生树种的木材,在采伐、运输、贮存、加工和使用的过程中,如果没有得到适当的保护,就会在外界因子的作用下,发生败坏变质,过早的失去其使用价值,造成重大的经济损失,也是对资源的巨大浪费。这些外界因子包括生物的、物理的和化学的,但以生物的败坏最为严重,危害性也最大,应引起人们足够的重视。
 
一.木材的基本构造和成分
木材是天然高分子有机体,是由各种不同的细胞组成。由于细胞的种类、组成、排列以及内含物的不同,因此,不但不同树种的木材的构造和性质不同,就是同一树种的不同个体,乃至同一个体的不同部位的构造和性质也有一定的差异。特别在抵抗生物败坏的性能、物理力学强度性质以及干燥和防护处理的难易程度方面也有所不同。
 
1.针叶材和阔叶材
工业上使用的木材主要来自裸子植物和被子植物的树木。针叶材属裸子植物,它产生针叶材。总的说来,针叶材材质比较软,所以又称软材。阔叶材属被子植物,它产生阔叶材。因为阔叶材的材质总的说来比较硬,所以又称硬材。
针叶材和阔叶材的构造和材性都有差别,针叶材的构造比较简单且呈均匀性,主要由纵向管胞、木射线和纵向树脂道组成,纵向管胞既是输导组织,又能起机械支撑作用;阔叶材的构造比较复杂且呈不均匀性,主要由导管、木纤维、木射线和纵向薄壁细胞组成,木纤维在阔叶材中起机械支撑作用,而导管则起输导作用。
 
2.早材和晚材
树木通过形成层的活动,在一个生长季节中所产生的次生木质部,在横切面上出现一个完整的轮状结构成为生长轮。如果树干径向生长有一定的季节性,且在每一个生长季节中形成一个生长轮成为年轮。在一个生长轮或年轮内,即在一个生长季节中,开始形成的木材部分叫做早材(或春材),后来形成的木材部分叫做晚材(或夏材)。在一个生长季节内,由早材过渡到晚材常是渐进的。一般说来,在早材里,细胞大,但壁薄,比较疏松;而晚材的细胞小,但壁厚,比较紧密。
 
3.边材与心材
在一段原木的横断面上,木材的宏观结构和色泽常在不同区域表现树干生理老化的过程。习惯上把靠近树皮以内不同厚度的边缘木材叫做边材;从树干中心到边材部分的木材叫做心材。后来把边材和心材中间的区域称心边材过渡区或中间区。边材木质部一般色泽较淡,而心材的颜色较深,且会出现细胞壁加厚,针叶材管胞的闭塞纹孔出现,并沉积有许多树木生命活动过程中产生的胶质、树脂、侵填体和浸提物,造成心材重量的增加、空隙率的减少、耐久性增加、渗透性减少,所以一般而言,心材比边材更能耐腐抗虫。此外这些沉积物使心材的尺寸更加稳定,在含水率发生变化时,心材的抗胀缩性要比边材好得多,但心材是干燥和防护处理时会遇到一定的困难。
 
4.木材的基本成分
如上所述,木材是由各种不同的细胞组成,而细胞又是由细胞壁和细胞腔组成。构成木材细胞壁和胞间层的化学成分成为主要成分,包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维素是骨架物质,半纤维素是基体物质,木质素是结壳物质,它们之间的关系就像钢筋混凝土中钢筋、石子和水泥一样,是一座建筑物的支撑物。这三种成分的总量达木材的60%以上。
 
除了上述三种主要成分以外,木材中还含有一定数量的次要成分,它们可以用适当溶剂浸提除去而不影响木材细胞壁的物理结构,所以又称浸提成分。它们大多数存在于细胞腔内或特殊组织中,有时也沉积在细胞壁内。木材次要成分的类型和数量的变化,不仅对于木材的色、香、味和耐久性有密切关系,而且对于木材材性的均匀性、加工利用的方式也有重要影响。木材次要成分可以分成六大类:挥发油、天然树脂、油脂与脂肪酸、碳水化合物及多元醇类、芳香族化合物和矿物质成分等。通常心材中的浸提物含量比较高,其中酚类化合物如木质酚类、黄酮类和单宁等,能赋予心材抵抗菌、虫的能力,所以心材比边材具有较强的耐久性。
 
二.木材的微生物败坏
在自然界中能败坏降解木材的微生物很多,主要有真菌和细菌两大类。真菌以孢子进行大量繁殖,一个成熟的真菌子实体可以释放出几千亿个孢子,孢子又小又轻,可以随风飘扬,也可随水、昆虫和其它动物以及人类的活动而传播。而细菌则是大量的存在于周围环境中,所以,可以说木材上肯定存在着各种各样的微生物,其中不乏能败坏木材的微生物。而木材中又含有一切微生物生长、繁殖所需要的所有营养料,因此,只要温度、湿度、含水率适宜,这些微生物立即在木材中发芽,形成菌丝,开始对木材的败坏和降解。
 
根据木材微生物的分类和被危害木材所表现出来的性状的不同,可以将木材的微生物败坏分为细菌败坏、发霉、变色和腐朽。现简述如下:
 
1.木材细菌降解
潮湿的木材,例如水存的木材、喷水保存的木材、与潮湿土壤接触的木材等,特别容易受到细菌的降解。细菌是从木材的内皮开始,沿着木射线和横向树脂道很快的进入木材内部,以边材的单、多糖为碳源。细菌有很好的耐酸、耐碱性,并且还能耐较高的温度(50~60℃)。细菌对有毒的化学药物有很强的抵抗力,并且有分解防腐剂的能力。一般说来,木材细菌降解对木材的强度影响不大,但却能大大提高木材的渗透性,这主要是细菌降解细胞间的纹孔膜,并能打通针叶材中的木射线和横向树脂道,从而增加木材的径向渗透性。但是近年来的研究表明,只要条件合适,时间足够长,有些细菌也会严重的降解细胞壁成分,造成力学强度显著的下降。降解木材的细菌主要属于杆菌属(Bacillus)、产气杆菌属(Aerobaccter)和假单孢菌属(Pseudomonas)。
 
2.木材的发霉
未经干燥的木材易严重发霉。潮湿的板方材、圆木和单板等都很易发霉。木材和单板在干燥前,如大量堆放几天,就可能发霉。含有较多边材的潮湿板方材在运输过程中就可能发生严重发霉。家具及其它在室内使用的木制品,在温暖和潮湿的条件下,如果通风不良,亦可能长霉。
 
感染霉菌的木材,在适宜的条件下,表面的霉孢子发芽成菌丝侵入木材,主要吸收木材细胞内的糖分、淀粉等养料,发展成孢子群,使木材表面形成黑、绿、黄红、蓝绿各种颜色。多数霉菌在大气相对湿度90%以上时生长最旺盛,有的霉菌能在含水率20%的气干材上发生。一般菌丝潜伏在木材表层,只有在适宜条件下菌丝才向内发展,所以木材的发霉只限于木材表面或靠近表面很浅的一层,一般可以用刨子刨去表面层,或用毛刷刷去霉孢子的方法除去。在阔叶材上,发霉除了表面变色外,常常还会引起表面薄层的变色,这种变色常呈较深的颜色,并且多斑点,这对如胶合板的面板等比较贵重的产品而言是很讨厌的。
 
发霉一般不破坏木材的细胞壁,对木材的力学强度影响不大,但对木材的韧性影响大,也会大大增加木材的渗透性,这样,有时会使防腐剂在木材中的分布不均匀。由于发霉的木材容易受潮,因此也容易发生腐朽。
 
霉菌对不良条件的抵抗力大于木腐菌,并对防腐剂的耐药性也超过木腐菌,有时,有些防腐剂还会刺激霉菌的生长。许多霉菌还能耐高温。在适宜的条件下,霉菌还会引起木材软腐。所以木材的防霉至今仍是世界性的难题之一。
 
致使木材发霉的霉菌属于子囊菌亚门和半知菌亚门中的真菌,主要有木霉属(Trichoderma)、粘帚霉属(Gliocladium)、青霉属(Penicillium)和毛霉属(Mucro)的霉菌。
 
3.木材的边材变色
木材的边材变色,或称蓝变,是最普遍且最具有经济影响力的一种真菌变色。对于未干燥的木材,在采伐后的贮存和气干过程中,变色是一个非常严重的问题,如在我国南方,橡胶木和马尾松等富含淀粉的木材,采伐后,若未能及时干燥或经预防处理,只需几天就会发生严重的变色。已经干燥的木材重新受潮,也会发生真菌变色。使用过程中的木制品在潮湿条件下,也会发生变色。
 
真菌使木材变色是由真菌的菌丝本身的颜色引起的,并且主要发生在边材。针叶材的变色一般呈蓝色至铁灰色,而阔叶材则多呈棕色。变色的程度主要取决于变色真菌生长繁殖的状况和木材种类。由于典型的变色真菌的菌丝能深入到木材的较深处,所以很难脱色。
 
有时,变色发生在木材的内部,而不是表面,这种内部变色所造成的损失要比表面变色大,这是因为木材内部变色不容易发觉,直到木料运到加工厂进行加工时才看到,但已经无可挽救了。木材内部变色现象是由于感染变色真菌的木材表面很快干燥,干燥的木材表面没有足够的水分提供给变色菌,使其菌丝发展成有色的菌丝,这样,木材的表面即使有菌丝,这些菌丝也是无色的,所以木材表面看不到变色的现象。但是,干燥的木材表面并不能阻止真菌菌丝向木材内部蔓延,如果木材内部是潮湿的,那么变色真菌就能继续繁殖,发展成为有色的菌丝,造成木材内部 变色。新采伐的木材锯制成板材后,如果没有及时的进行防变色处理,也会发生内部变色的现象,因为在木材锯开后,变色真菌会很快的进入到木材内部,即使以后再进行表面的防变色处理,变色菌在表面不再生长,但在内部防变色药剂未能达到的区域,已经存在的变色菌仍能繁殖而造成内部变色。
 
一般来说,变色除了对木材的韧性和冲击强度有较大的影响外,对木材的其它强度的影响不大,但木材渗透性增加。变色往往是腐朽的预兆,因为变色的木材一旦遇雨水,会严重受潮,招致木腐菌的生长、繁殖。
 
引起木材变色的真菌属于子囊菌亚门和半知菌亚门,使松木变色有毛长喙壳菌(Ceratocystis pilifera)、筒囊蓝污菌(Ceratocystis ips)和色二孢属(Diploda sp.)等,使阔叶材变色的有绿长喙壳菌(Ceratocystis virescens)、多环长喙壳菌(Ceratocystis plurianulata)、串孢长喙壳菌(Ceratocystis moniliformis)和坚硬粘束梗菌(Graphium rigidum)等。
 
4.木材的腐朽
造成木材腐朽的微生物是一类寄生性或腐生性的真菌,属于真菌界中的真菌门的担子菌亚门,而绝大多数木腐菌又属层菌纲的无隔担子菌亚纲中的非褶菌目和伞菌目。木腐菌的菌丝在木材内蔓延,菌丝端头能分泌各种不同的酶,分解木材中细胞壁的组成成分(纤维素、半纤维素和木质素),同时还能消化细胞腔中的内含物如淀粉、糖类作为养料,造成木材组织破坏,使木材的力学强度大大下降。
 
根据腐朽后木材的外观、化学成分以及引起腐朽的真菌不同,将腐朽分为两种类型,即褐腐和白腐。
 
(1)木材的褐腐:引起木材褐腐的叫褐腐菌。褐腐菌喜欢在比较干燥
的木材中生长繁殖,它以木材中的半纤维素和纤维素等碳水化合物为主要食料,只改变木质素的性质,但不能消化和吸收木质素,所以腐朽后木材的纤维素含量大大降低,而木质素的相对含量却大大提高。我们知道纤维素是木材细胞的骨架成分,随着纤维素含量的大大降低,木材的颜色变褐,所以叫做褐腐,而且形状严重收缩和崩溃,出现垂直于纤维的裂缝,力学强度损失很大,所以又称为破坏性腐朽。大多数树种的木材发生了褐腐时,用1%的四氧化锇(OsO4)溶液喷洒在木材上,溶液的颜色很快的变黑,而未遭褐腐的木材的变色速度却慢得多。但这种溶液不适用于白腐的木材。褐腐较多发生在针叶材上。
 
(2)木材的白腐:引起木材白腐的叫白腐菌。白腐菌以相似的相对速度分
解和消化木材中的碳水化合物(半纤维素和纤维素)和木质素。由于木材中的半纤维素和纤维素的总量几乎要比木质素多一倍,所以腐朽后的木材中留有较多的半纤维素和纤维素,而纤维素含量会更高一些,并且白腐菌还会破坏木材中的有色物质,所以,白腐因腐朽后木材的颜色呈浅色而得名。由于纤维素是木材细胞壁中的骨架成分,既然保留有较多的纤维素,所以不会出项像褐腐木材那样的垂直于纹理的裂缝,除非出现严重腐朽降解的情况,否则不会发生严重的收缩和崩溃现象,所以又把白腐叫做腐蚀性腐朽。白腐较多发生在阔叶材上。
 
不管白腐还是褐腐,按照木腐菌危害木材的过程,大致可以分为三个阶段,即三种腐朽表现:
 
I. 木材初期腐朽:这时仅在木材表面有些变化,比正常木材颜色稍暗或稍浅,在显微镜下可看到木材细胞内已有少量腐朽菌丝。
 
II.木材中期腐朽:这时木材出现褪色,在有些情况下,木材出现不规则的黑线,使腐朽木材看起来很象大理石花纹。在木材上能看到白色或淡褐色的菌层。这时木材的力学性质开始降低,物理和化学性质开始变化,木材变软。
 
III.木材后期腐朽:白腐材上形成肉眼能见的小蜂窝或筛孔等形状的孔眼,出现褪色或白色斑点。褐腐材上出现肉眼可见的细裂纹,呈碎块状,木材颜色变化很大,呈深褐色,力学强度消失,木材逐渐变成焦炭状,很容易用手捏成粉末。这是破坏性腐朽的主要特征。
 
白腐材与褐腐材的主要性状比较见表1-1。
 
11  白腐材和褐腐材主要性状的比较
 
5.木材软腐
引起木材软腐的真菌叫做软腐菌。软腐菌喜在潮湿、温暖的条件下生长、繁殖,所以水边的木材和木结构、潮湿土壤中的木材都会受到软腐菌的侵害。这类真菌主要侵害木材表层,使木材组织软化,表面呈黑褐色,粘滑,干燥后呈纵横细裂纹。当软腐的表层在外力作用下剥落后,软腐菌又在新的表层生长繁殖,引起新一层的软腐,就这样一层一层的向内降解木材。软腐菌也能降解木材细胞壁的主要成分纤维素、半纤维素和木质素,但降解木质素的能力不如白腐菌。在显微镜下观察软腐的木材,发现菌丝以T形分枝横穿细胞壁,并在细胞壁的S2层形成长菱形空腔,这是软腐木材和其它腐朽木材的主要区别。软腐菌侵害阔叶材多于针叶材,但没有一种木材能阻止它的侵害。
 
软腐菌耐高温、高湿,耐酸碱,对防腐剂的耐药性也比较大,并能在缺氧的条件下生长。虽然木材软腐的速度要比褐腐和白腐慢,但由于对环境的适应性比较强,所以其破坏性会更大。其对木材强度的影响也似白腐材和褐腐材,但影响的速度较慢。
 
软腐菌属于子囊菌亚门和半知菌亚门,主要的软腐菌有球毛壳菌(Chaetomium globosum)、色二孢菌(Diplodia spp.)等。
 
下面列表总结一下木材的微生物败坏。
 
12  败坏木材的微生物及其败坏的特征


三. 木材的虫害
危害木材的害虫主要有两大类:一类是鞘翅目(Coleoptera)的天牛科(Cerambycidae)、小蠹科(Scolytidae)、长小蠹科(Platypodidae)、粉蠹科(Lyctidae)、长蠹科(Bostrychidae)、象甲科(Curculionidae)、吉丁虫科(Buprestidae)和窃蠹科(Anobiidae)的害虫,另一类是等翅目(Isoptera)的白蚁。此外,膜翅目(Hymenoptera)的树蜂科(Siricidae)也能对木材造成危害。
 
鞘翅目主要是幼虫危害。害虫在木材中钻蛀成各种孔道和虫眼,不但影响木材强度,降低使用价值,而且为腐朽菌的传播滋生创造了条件。害虫造成的缺陷使木材不适合于某些专门的用途,如需要高强度的车辆、工具柄和航空用材等,要求不漏水的桶、盆等,以及家具等。在危害严重的情况下,木材布满虫眼,或伴随着严重的腐朽,使木材失去其使用价值。房屋或其它建筑工程用材受到害虫危害时,会造成巨大损失。
 
木材害虫对木材危害主要表现在:
 
1.虫眼
根据木材受蛀的程度不同,虫眼一般可分为下列几种:
(1)表面虫眼:凡蛀食木材深度不足1厘米的虫眼或虫沟,称表面虫眼或
表皮虫沟。如木材受小蠹科的某些害虫的侵害而形成的。表面虫眼或虫沟均不算缺陷。
(2)小虫眼:虫眼圆形,最小直径不足3毫米,由平孔长小蠹(Platypus spp.)、
材小蠹(Xyleborus spp.)和梯小蠹(Xyloterus spp.)危害形成,发生在原木上,尤以南方阔叶材上较常见。成虫通过树皮直接钻入边材内部危害,虫孔深度数厘米至十多厘米不等,虫道在木材内呈水平和垂直树枝状分叉,蛀屑全部排出孔外,易为人们发现。小虫眼数量不多时,一般对木材的使用影响不大(虫孔密集时除外),因此一般直接使用的原木,对小虫眼不加限制。如果建筑木结构未经很好干燥、防腐等处理,虫源带入建筑结构中,也会造成严重危害。
(3)大虫眼:虫眼圆形或椭圆形,较大,最小直径在3毫米以上,一般由
天牛的蛀食引起。由于虫道透入木材较深(6厘米以上),所以影响使用极为严重,一般在用材中均须加以限制。影响的大小,则随着大虫眼的数目和木材用途而定。另一类立木钻蛀性害虫(如天牛和白蚁)在树木生长时侵入树干中心部分危害,只能在原木断面见到虫孔,对木材的影响亦大。
(4)粉虫眼: 是由长蠹科、粉蠹科等木材害虫造成。这一类害虫主要以
木材中的淀粉和糖类为营养,因此,缺少淀粉的木材一般被害较轻,或不致受害。害虫在木材内部蛀成各种通道。在木材表面仅有虫眼,有时不易发现。在木材内部已被蛀蚀的部分,蛀粉常从蛀孔中落下,严重时木材表面一触即破,建筑木结构和家具上表现更为严重。
 
2.髓斑
严格的说,髓斑不是虫眼,它是树木在生长过程中形成层遭蛀干害虫的幼虫科体(Agromyza属)危害,树木产生愈伤组织,逐渐使伤痕愈合。随着树木的生长,该组织被包在木质部中,木材锯解后呈深色斑痕。一般多发生于边材部分。阔叶材常见于槭、桦、椴、樱等属木材中,针叶材的杉木亦常见,并见于柏科木材中。
 
3.木材的白蚁危害
白蚁蛀蚀木材,主要是工蚁和拟工蚁。白蚁对木材,特别是建筑木结构的危害是破坏性的。木材被害初期,白蚁不破坏木材表层,特别在木材结构中一时很难发现。严重时整个木材成层破坏或蛀蚀殆尽,使木材完全失去使用价值,甚至造成房屋倒塌,危及生命安全。根据白蚁生活习性的不同,木材被害可以分为四种类型:
 
(1)家白蚁类型:以家白蚁(Coptotermes formosanus)为代表。白蚁蛀入木材内部,专门蛀蚀木材年轮的早材部分。木材被害呈沟状、深缝状,严重时整个木材只剩下片状或条状的晚材部分。
 
(2)散白蚁类型:以黑胸散白蚁(Reticulitermes chinensis)为代表。散白蚁不营建集中的大巢,群体比较分散,常近地面活动。群体主要生活在木材内、树根内。危害枯立木的根或近地面的树干,或堆放在地面上的木材,房屋内地板、门、窗墙角木柱等。在南方主要危害房屋下部近地面处的木构件;在北方对建筑物的梁檩、椽条也能蛀蚀。危害程度不如家白蚁严重。
 
(3)木白蚁类型:以堆砂白蚁(Cryptotermes spp.)为代表。它的蛀蚀活动都在木材内部。在受其害的木材的下方常有粪便落下,状如小砂堆,故名堆砂白蚁,借此很容易发现堆砂白蚁的危害。木材被害后呈片状,分层。因为仅蛀蚀早材部分,最后只剩下一片片的晚材部分。
 
(4)土白蚁类型:以黑翅土白蚁(Odontotermes formosanus)为代表。在木材表面蛀食,由外向内逐步深入,不管早、晚材,一律蛀蚀。被害木材形成片状,严重时木材仅剩一条不规则的心子。
 
四.海生钻木动物对木材的危害
浸在海水中的码头桩木、护木、木船以及渔民用的网墙等,常受一些海生钻木动物的蛀蚀。这些动物主要是软体动物的船蛆(Teredo navalis)和海笋(Martesia striata),甲壳动物的蛀木水虱(Limnoria japonica)和团水虱(Sphaeroma spp.)。由于这两类动物的生活习性不同,对木材造成的危害也不同。
 
1.软体动物类对木材的危害
以船蛆(凿船虫或凿船贝)为例。受船蛆危害的木材从表面看相当完整,不易看到受害的痕迹。内部类似大蛀孔,孔道内壁有白垩质沉淀。木材往往被破坏得非常厉害,象蜂窝一样,稍受风浪就能冲破。
 
船蛆在幼虫时就钻入木材中,以后随着身体的长大而逐渐深入,终生不外出,因此在木材表面只有很小的小孔。船蛆在木材内钻蛀的孔道随木材的大小和船蛆的数量而不同。若被害木材较大,而钻蛀的船蛆数量又较少,则船蛆能够长得较大,孔道也可以较大。相反,若在一块较小的木材中,同时存在着很多的船蛆,由于船蛆的生长受到限制,则孔道可能很小。
 
另一种软体动物类叫海笋,它的幼虫进入木材后身体并不增长,钻蛀木材的深度较船蛆为浅。但由于蛀孔较大,对木船、桩木的危害也很严重。
 
2.甲壳类动物对木材危害
危害木材的海生甲壳类动物主要有蛀木水虱和团水虱等。
这类动物附着在木材表面上,用齿咬食木材表层,呈蜂窝状穿孔,即向内钻蛀,也以在木材表面居多。浸于海水中的桩木,以在接近海水潮面部位被害较多。
 
水虱开始进入木材时孔道很小,孔呈圆形或卵圆形。穿凿孔道不太深,随着虫体的生长和不断的咬蚀木材,孔道逐渐加深。在较深的孔道中,又在另一些孔壁上穿凿很多小孔道与表面相通,以便与外界交换海水。在各孔道之间也可凿成孔道相通,使整个木材形成海绵状。一旦受海浪冲击,受害木材表面即被虫蚀剥落。母虫所产的幼虫也能在母虫的洞穴中继续穿凿,使木材逐渐被蛀蚀殆尽。