CN110587747B - 一种络合锯材、络合胶合木及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种络合锯材、络合胶合木及其制备方法，属于木材加工技术领域。上述络合胶合木的制备方法包括：步骤1：准备适量锯材；步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材；步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材；步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材；步骤5：对上述络合锯材进行基材加工；步骤6：层板加工；步骤7：层积加工；步骤8：制品加工。本发明通过在胶合木中引入“纤维素‑植物多酚‑金属盐”动态多重牺牲键网络结构，使其具有减少开裂甚至不开裂、增加尺寸稳定、防腐、防霉、防火等优点。

Description

一种络合锯材、络合胶合木及其制备方法
技术领域
本发明涉及木材加工技术领域，具体涉及一种络合锯材、络合胶合木及其制备方法。
背景技术
胶合木(又称集成材、指接材)，是以锯材为基本单元，通过胶粘剂胶合而成的一种工程木材，主要包括平行结构胶合木(Glulam)和交叉结构胶合木(CLT)。与原木相比，胶合木具有美观、强度大，许用弯曲应力大、结构均匀，内应力小，不易开裂和翘曲变形等优点，被广泛应用于家具、楼面板、墙面板、桥梁、建筑等工程领域，是人工林木材高效利用的有效途径之一。但是胶合木作为一种生物质材料，与其他木质品一样，也存在湿胀干缩、开裂变形、腐朽、霉变、变色等问题，因此，极大地限制了它的应用。针对胶合木在使用过程中的主要缺陷，人们采用物理和化学技术进行功能性改良，包括木材强化技术，木材尺寸稳定性增强技术，木材防腐、防霉技术，木材变色防止与染色技术等。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种络合锯材、络合胶合木及其制备方法。本发明制备的络合锯材、络合胶合木及其制备方法具有减少开裂甚至不开裂、提高尺寸稳定、防腐、防霉、防火等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种络合锯材的制备方法，包括：
步骤1：准备适量锯材；
步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材；
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材。
进一步的，所述步骤1为：
11)将原木锯截成一定长度的木段；
12)将上述的木段锯剖成一定宽度和厚度的锯材；
13)将上述的锯材干燥至相对含水率为6％-30％。
进一步的，所述步骤2为：
21)将植物多酚溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液；
22)把上述锯材浸渍于植物多酚水溶液中，将所述多酚水溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材。
进一步的，所述植物多酚水溶液的浓度为1g/L～25.0g/L，平均分子量为170～50000，为1～40聚合体；所述锯材在植物多酚水溶液中的浸渍时间为10min-48h，浸渍温度为0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压；所述植物多酚为栲胶、单宁、单宁酸、末食子酸、焦性末食子酸的一种或多种混合。
将锯材浸泡多酚溶液中，在水的作用下锯材细胞壁逐渐溶胀，所述植物多酚被逐渐地导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，直至达到预设定的浸渍量；将所述锯材取出，放置在干燥窑或空气中，使锯材中水分逐渐蒸发，所述细胞内植物多酚浓度增加，达到等电点时，开始沉淀，并在氢键和/或疏水键作用下，植物多酚被固化锯材内，形成多酚锯材。
进一步的，所述步骤3为：
31)将金属盐溶解在水中，搅拌均匀后，形成金属盐水溶液；
32)把上述多酚锯材浸渍于金属盐水溶液中，将所述金属盐水溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙。
进一步的，所述金属盐水溶液的浓度为0.3g/L～30.0g/L；所述多酚锯材在金属盐水溶液中的浸渍时间10min-180天，浸渍温度0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压；
所述金属盐为铁盐、铜盐、铝盐、锌盐、钛盐、钙盐、钼盐、钨盐、铬盐、镁盐、钾盐，及其复盐的一种或多种混合物。
将制备的多酚锯材，浸泡在金属盐溶液中，所述金属盐溶液被逐渐地导入到将所述多酚水溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙，直至达到预设定的浸渍量；在此过程，所述多酚与金属离子在水和空气的作用下络合成多酚-金属离子络合物，将所述锯材取出，放置在干燥窑或空气中，使锯材中水分逐渐蒸发，从而使锯材、植物多酚和金属离子形成一个整体。
另一方面，本发明提供一种络合锯材，所述的络合锯材含有重量比为0.3％-15％的植物多酚，同时含有重量比为0.1％-12％的金属盐，所述植物多酚和金属盐分布在所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，并以络合物形式存在。
再一方面，本发明还提供一种络合胶合木的制备方法，以上述络合锯材为原料，包括：
步骤1：络合锯材加工
将络合锯材分等后，经刨削加工成一定宽度和厚度的络合锯材，对络合锯材的两端进行开齿、开槽或截平，加工成指形、斜面、阶梯面或平面；
步骤2：络合层板加工
将间苯二酚胶黏剂、水性高分子-异氰酸酯胶黏剂或聚醋酸乙烯胶粘剂涂布在络合锯材的两端的指接面、斜面、阶梯面或平面，通过指接、斜接、搭接或端接接长，再将所述胶黏剂涂布在络合锯材的厚度、宽度方向，采用平拼或侧拼成一定宽度，固化后经刨削成一定厚度络合层板；
步骤3：层积加工
将间苯二酚胶黏剂、水性高分子-异氰酸酯胶黏剂或聚醋酸乙烯胶粘剂涂布层板的上、下表面，将所述的层板采用平行或交叉组坯后，加压固化成络合胶合木坯板；
步骤4：制品加工
将络合胶合木板坯裁边、锯切、砂光、检验后，加工成络合胶合木。
再一方面，本发明还提供一种络合胶合木，所述络合胶合木是由若干层络合层板按照顺纹或交叉结构组坯而成，在每层络合层板之间设置有胶黏剂；
所述胶黏剂为间苯二酚胶黏剂、水性高分子-异氰酸酯胶黏剂或聚醋酸乙烯胶粘剂；
所述层板是由络合锯材纵向接长和/或横向胶拼而成；
所述络合锯材含有重量比为0.3％-15％的植物多酚，同时含有重量比为0.1％-12％的金属盐，所述植物多酚和金属盐分布在所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，并以络合物形式存在。
进一步的，所述络合锯材为樟子松、落叶松、马尾松、辐射松、杉木、、橡木、杨木、桦木、榉木、水曲柳、白蜡中的一种或多种。
络合锯材包含锯材、植物多酚和金属盐，植物多酚与锯材组分之间通过多点氢键和/或多点疏水键作用，将植物多酚固定在锯材中，多酚与金属离子之间通过络合成多酚-金属离子络合物，从而使锯材、植物多酚和金属离子形成一个整体。氢键主要是由多酚中的酚羟基与锯材纤维素和半纤维素中的羟基和羰基结合产生；疏水键主要是由多酚中的苯环与锯材中的木质素中的苯环之间形成疏水键结合产生；所述络合主要由植物多酚中邻位二酚羟基与金属离子螯合产生。
现有研究认为，引起胶合木开裂的原因很多，其中最主要的因素是木材中的多糖(纤维素、半纤维素等物质)在吸湿和解吸过程吸收或释放水分而引起木材膨胀或收缩，从而导致的胶合木尺寸不稳定和开裂，见图1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，在锯材的细胞壁内引入植物多酚和金属盐，利用植物多酚的酚羟基与纤维素、半纤维素的羟基结合，同时，邻位酚羟基与金属离子络合，将相邻的纤维素/半纤维素的分子链交联成网状结构，犹如在纤维素/半纤维素分子链支上了若干支架支撑，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩；在上述的基础上，在纤维素骨架内形成了大量的由氢键(植物多酚酚羟基和锯材中的羟基结合形成了多点氢键)和配位键(植物多酚酚环上的邻位羟基与金属盐络合形成了配位键)组成的多重牺牲键网络。由于牺牲键键能小于共价键(纤维素、半纤维素、木质素以及酚醛树脂之间形成了共价键网络)，当锯材受到内应力或外力作用时，牺牲键优先于共价键断裂。牺牲键不断地断裂和重构的动态作用，耗散了锯材体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整。这为解决锯材的开裂问题提供了新方法。
本发明首先将把植物多酚导入锯材，使锯材发生了润胀；然后向其中导入金属盐，植物多酚与锯材中的纤维素和半纤维素结合，形成多点氢键，同时，植物多酚与金属盐络合，将“纤维素-植物多酚-金属盐”结合成一体，犹如在纤维素骨架分子中形成了若干支架支撑；然后，伴随的水分的蒸发和氧化反应，“纤维素-植物多酚-金属盐”进一步交联和氧化，最终形成络合锯材。本发明“纤维素-植物多酚-金属盐”动态多重牺牲键网络结构，支撑起纤维素和/或半纤维素，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩，同时牺牲键不断地断裂和重构的动态作用，耗散了木质重组材料体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整，从分子水平解决了锯材易开裂问题，见图2。
本发明将金属盐通过植物多酚原位络合，被原位固定在木质材料细胞中，制备的络合锯材、络合胶合木具有减少开裂甚至不开裂，提高尺寸稳定，防腐、防霉、防火等优点。
附图说明
图1为现有技术中细胞壁纤维素骨架干缩湿胀分子链结构图；
图2为本发明络合锯材纤维素骨架干、湿状态分子链结构图；
图3为本发明实施例1制备的络合橡木锯材图片；
图4为本发明实施例3中络合胶合木制备流程示意图；
图5为本发明实施例4中正交结构胶合木流程示意图；
图6为本发明实施例4中制备的络合樟子松锯材图片；
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明中，所使用材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。
实施例1
一种络合锯材的制备方法，包括：
步骤1：准备适量锯材；
11)将橡木锯截成一定2.0m长的木段；
12)将上述的木段锯剖成厚度为50mm，宽度为120mm的锯材；
13)将上述的锯材干燥至相对含水率为18％。
步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材；
21)将橡椀栲胶溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液，浓度为1g/L；
22)把上述锯材加压浸渍于上述植物多酚水溶液中，浸渍时间为12h，浸渍压力为0.4MPa，浸渍温度为80℃；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材。
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材
31)将氯化铁溶解在水中，搅拌均匀后，氯化铁溶液浓度为300g/L；
32)把上述多酚锯材加压浸渍于氯化铁溶液中，浸渍时间为8h，浸渍压力为0.4MPa，浸渍温度为常温，得到多酚金属盐锯材；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材，如图3所示，其基本物理力学性能如表1所示。
从图3可以看出，络合橡木成黑白相间的色泽，纹理更有层次感。从表1物理力学性能可以看出，经过络合处理后，材料的气干密度略有下降，体积发生了膨胀；在强度基本保持一致的条件下，材料弹性模量减小，柔性增加；络合处理后，弦向干缩系数大大降低，尺寸稳定性大幅度增加。
表1络合处理前、后橡木性能的比较
性能指标 未处理 络合处理
气干密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.65 0.63
弯曲强度(MPa) 127 131
弹性模量(GPa) 13.7 10.8
径向干缩系数(％) 0.23 0.08
弦向干缩系数 0.43 0.17
实施例2
一种络合锯材的制备方法，包括：
步骤1：准备适量锯材；
11)将白蜡树锯截成长为2000mm的木段；
12)将上述的木段锯剖成厚度为40mm，宽度为40mm的锯材；
13)将上述的锯材干燥至相对含水率为18％。
步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材；
21)将单宁酸溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液，浓度为10.0g/L；
22)把上述锯材加压浸渍于上述植物多酚水溶液中，浸渍时间为24h，浸渍压力为0.6MPa，浸渍温度为常温，将所述多酚水溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材；
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材
31)将硫酸铝溶解在水中，搅拌均匀后，硫酸铝溶液浓度为50g/L；
32)把上述多酚锯材加压浸渍于硫酸铝溶液中，浸渍时间30天，浸渍温度常温，将所述金属盐溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙，得到多酚金属盐锯材；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材，其物理力学性能如表2所示。
从表2的物理力学性能可以看出，经过络合处理后，材料的气干密度略有下降，体积发生了膨胀；色泽由奶白色或微带粉红转变成的灰色，有效地改变了颜色；在强度基本保持一致的条件下，材料的弹性模量减小，柔性增加；尺寸稳定性大幅度增加。
表2络合处理前、后白蜡木性能的比较
Figure BDA0002208421530000071
Figure BDA0002208421530000081
实施例3
一种平行结构络合胶合木的制备方法，流程图见图4，包括：
步骤1：准备适量锯材；
11)将杨木锯截成一定2.0m长的木段；
12)将上述的木段锯剖成厚度为25mm，宽度为120mm的锯材；
13)将上述的锯材干燥至相对含水率为35％。
步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材
21)将单宁酸溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液，浓度为3.0g/L；
22)把上述锯材加压浸渍于上述植物多酚水溶液中，浸渍时间为4h，浸渍压力为0.5MPa，浸渍温度为常温，将所述多酚水溶液导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材；
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材
31)将氨溶烷基胺铜(ACQ)溶解在水中，搅拌均匀后，氨溶烷基胺铜溶液，浓度为5.0g/L；
32)把上述多酚锯材加压浸渍于氨溶烷基胺铜溶液中，浸渍时间3h，浸渍压力为0.4MPa，浸渍温度为常温，将所述金属盐导入到所述锯材的表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙，得到多酚金属盐锯材；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材。
步骤5：对上述络合木进行基材加工
将络合锯材干燥至含水率为12％，经刨削加工成一定宽度和厚度的板材，对板材的两端进行开齿、开槽或截平，加工成指形、斜面、阶梯面或平面；
步骤6：层板加工
将间苯二酚胶黏剂胶粘剂涂布在板材的两端的指接面、斜面、阶梯面或平面，通过指接、斜接、搭接或端接接长，再将所述胶黏剂涂布在板材的厚度、宽度方向，采用平拼或侧拼成一定宽度，固化后经刨削成一定厚度层板；
步骤7：层积加工
将间苯二酚胶黏剂胶粘剂涂布层板的上、下表面，将所述的层板采用平行组坯后，加压固化成络合胶合木坯板；
步骤8：制品加工
将络合胶合木板坯裁边、锯切、砂光、检验后，加工成络合胶合木，其物理力学性能如表3所示。
表3络合处理前、后杨木胶合木性能的比较
性能指标 未处理 络合处理
气干密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.45 0.43
弯曲强度(MPa) 66.7 66.5
弹性模量(GPa) 8.5 7.4
径向干缩系数(％) 0.13 0.04
弦向干缩系数(％) 0.26 0.09
防霉性能 4级 2级
防腐性能 Ⅳ级(不腐朽) Ⅱ级(耐腐)
铜离子流失 --- 12％
从表3的物理力学性能可以看出，经过络合处理后，材料的气干密度略有下降，体积发生了膨胀；在强度基本保持一致的条件下，材料的弹性模量减小，柔性增加；尺寸稳定性大幅度增加；材料的防腐性能从不耐腐等级提高到了耐腐等级，铜离子的流失量大幅度降低。
实施例4
一种交叉结构络合胶合木的制备方法，流程图见图5，包括：
步骤1：准备适量锯材；
11)将章子松锯截成一定2.0m长的木段；
12)将上述的木段锯剖成厚度为25mm，宽度为120mm的锯材；
13)将上述的锯材干燥至相对含水率为18％。
步骤2：把植物多酚导入锯材，得到多酚锯材；
21)将落叶松栲胶酸溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液，浓度为2.0g/L；
22)把上述锯材加压浸渍于上述植物多酚水溶液中，浸渍时间为8h，浸渍压力为1.0MPa，浸渍温度为常温；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材；
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐，得到多酚金属盐锯材
31)将硼酸锌和硫酸铝铵按重量比1：1比例均匀地溶解在水中，搅拌均匀后，形成硼酸锌和硫酸铝铵混合溶液，浓度为5.0g/L；
32)把上述多酚锯材加压浸渍于硼酸锌和硫酸铝铵混合溶液中，浸渍时间6h，浸渍压力为0.8MPa，浸渍温度为常温，得到多酚金属盐锯材；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材，如图6所示。
步骤5：对上述络合木进行基材加工
将络合锯材干燥至含水率为12％，经刨削加工成一定宽度和厚度的板材，对板材的两端进行开齿、开槽或截平，加工成指形、斜面、阶梯面或平面；
步骤6：层板加工
将间苯二酚胶黏剂胶粘剂涂布在板材的两端的指接面、斜面、阶梯面或平面，通过指接、斜接、搭接或端接接长，再将所述胶黏剂涂布在板材的厚度、宽度方向，采用平拼或侧拼成一定宽度，固化后经刨削成一定厚度层板；
步骤7：层积加工
将间苯二酚胶黏剂胶粘剂涂布层板的上、下表面，将所述的层板采用交叉组坯后，加压固化成络合胶合木坯板；
步骤8：制品加工
将络合胶合木板坯裁边、锯切、砂光、检验后，加工成络合胶合木，其物理力学性能如表4。
表4络合处理前、后章子松交叉胶合木性能的比较
Figure BDA0002208421530000101
Figure BDA0002208421530000111
从表4的物理力学性能可以看出，经过络合处理后，材料的气干密度略有下降，体积发生了膨胀；在强度基本保持一致的条件下，材料的弹性模量减小，柔性增加；尺寸稳定性大幅度增加；材料的防火性能从不B2等级提高到了B1级，松脂油被固定在了锯材内，不再往材料表面飘移。
综上可知，本发明将金属盐通过植物多酚原位络合，被原位固定在木质材料细胞中，制备的络合锯材、络合胶合木具有减少开裂甚至不开裂，改善尺寸稳定，防腐、防霉、防火等优点。
以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种络合锯材的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：准备适量锯材；
步骤2：把植物多酚导入锯材：将所述锯材浸渍于植物多酚水溶液中，使植物多酚导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中，得到多酚锯材；所述植物多酚水溶液的浓度为1g/L~25.0g/L，平均分子量为170~50000，为1~40聚合体；
步骤3：在多酚锯材中导入金属盐：将所述多酚锯材浸渍于金属盐水溶液中，使金属离子导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中，得到多酚金属盐锯材；所述金属盐水溶液的浓度为0.3g/L~30.0g/L；所述金属盐为铁盐、铜盐、铝盐、锌盐、钛盐、钙盐、钼盐、钨盐、铬盐、镁盐、钾盐，及其复盐的一种或多种混合物；
步骤4：干燥多酚金属盐锯材，得到络合锯材，所述的络合锯材含有重量比为0.3%-15%的植物多酚，同时含有重量比为0.1%-12%的金属盐。
2.根据权利要求1所述的络合锯材的制备方法，其特征在于，所述步骤1为：
11）将原木锯截成一定长度的木段；
12）将上述的木段锯剖成一定宽度和厚度的锯材；
13）将上述的锯材干燥至相对含水率为6%-30%。
3.根据权利要求1所述的络合锯材的制备方法，其特征在于，所述步骤2为：
21）将植物多酚溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液；
22）把上述锯材浸渍于植物多酚水溶液中；
23）干燥已浸渍植物多酚水溶液的锯材。
4.根据权利要求3所述的络合锯材的制备方法，其特征在于，所述锯材在植物多酚水溶液中的浸渍时间为10min-48h，浸渍温度为0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压；所述植物多酚为栲胶、单宁、单宁酸、没食子酸、焦性没食子酸的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的络合锯材的制备方法，其特征在于，所述步骤3为：
31）将金属盐溶解在水中，搅拌均匀后，形成金属盐水溶液；
32）把上述多酚锯材浸渍于金属盐水溶液中。
6.根据权利要求5所述的络合锯材的制备方法，其特征在于，所述多酚锯材在金属盐水溶液中的浸渍时间10min-180天，浸渍温度0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压。
7.一种络合锯材，其特征在于，所述的络合锯材由权利要求1-6任一所述的方法制备得到。
8.一种络合胶合木的制备方法，其特征在于，包括：以权利要求7所述的络合锯材为原料，包括：
步骤1：络合锯材加工
将络合锯材分等后，经刨削加工成一定宽度和厚度的络合锯材，对络合锯材的两端进行开齿、开槽或截平，加工成指形、斜面、阶梯面或平面；
步骤2：络合层板加工
将间苯二酚胶黏剂、水性高分子-异氰酸酯胶黏剂或聚醋酸乙烯胶粘剂涂布在络合锯材的两端的指接面、斜面、阶梯面或平面，通过指接、斜接、搭接或端接接长，再将所述胶黏剂涂布在络合锯材的厚度、宽度方向，采用平拼或侧拼成一定宽度，固化后经刨削成一定厚度络合层板；
步骤3：层积加工
将间苯二酚胶黏剂、水性高分子-异氰酸酯胶黏剂或聚醋酸乙烯胶粘剂涂布层板的上、下表面，将所述的层板采用平行或交叉组坯后，加压固化成络合胶合木坯板；
步骤4：制品加工
将络合胶合木板坯裁边、锯切、砂光、检验后，加工成络合胶合木。
9.一种络合胶合木，其特征在于，所述络合胶合木由权利要求8所述的方法制备而成。
10.根据权利要求9所述的络合胶合木，其特征在于，所述络合层板的锯材为樟子松、落叶松、马尾松、辐射松、杉木、橡木、杨木、桦木、榉木、水曲柳、白蜡中的一种或多种。
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