毛竹竹片的染料溶液滲透特性及影響因子研究*

杜春貴，舒甜甜，葉斌斌，王 林

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 樂山吉象人造林制品有限公司，四川 樂山 614000）

毛竹竹片的染料溶液滲透特性及影響因子研究*

杜春貴1，舒甜甜1，葉斌斌1，王 林2

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 樂山吉象人造林制品有限公司，四川 樂山 614000）

摘要：采用常壓和真空加壓滲透法，進(jìn)行不同條件下毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）竹片的染料溶液滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)滲透時(shí)間相同時(shí)，毛竹竹片的質(zhì)量增加率和滲透深度均隨竹片含水率的升高而較快降低，當(dāng)滲透時(shí)間為24h時(shí)，含水率為50%的試材滲透深度約為含水率為12%的試材的20.7%；竹片越長染料溶液的滲透性能越差，當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，200 mm長度試材的滲透深度約為100 mm的66.3%；無竹節(jié)竹片的染料溶液滲透性能優(yōu)于含竹節(jié)竹片，當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，有竹節(jié)試材的滲透深度約為無竹節(jié)試材的70.5%；染料溶液在竹片縱向的滲透性能比徑向和弦向大得多，其滲透深度的大小順序?yàn)椋簭较颍枷蚁颍伎v向；酸性染料溶液的滲透性能優(yōu)于堿性染料；染料溶液濃度越大，滲透性能越低，1%酸性大紅染料水溶液的滲透深度分別為濃度為3%、5%的125.6%、185.7%；染料溶液的pH值為4.5時(shí)滲透性能最好；提高染料溶液的溫度可以提高滲透性能；增加染料溶液的滲透時(shí)間可以較快提高其滲透性能；真空加壓浸注與常壓浸注相比，能顯著提高竹片的染料溶液滲透性能。

關(guān)鍵詞：毛竹；竹片；染料溶液；滲透性能；影響因子

中國的竹林面積、蓄積量、竹材產(chǎn)量均居世界第一[1～2]。世界竹子中性能最優(yōu)良、利用價(jià)值最高，集中成片分布的毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）約90%分布在我國，這為我國竹材工業(yè)化利用提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因而我國竹材的工業(yè)化利用主要是指毛竹的加工利用[2～4]。我國現(xiàn)已成為世界上最大的竹材制品出口國，其中竹地板在生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面已處于國際領(lǐng)先水平，60%出口到歐美等國家和地區(qū)，深受國內(nèi)外消費(fèi)者的歡迎[4～5]。但市場上銷售的竹地板主要是本色、漂白色和炭化色3種[2]，產(chǎn)品顏色品種少，難以滿足市場對(duì)竹地板色彩多樣化的需求，制約了竹地板產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研發(fā)色彩豐富的竹地板具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)竹地板的基本單元——竹片進(jìn)行染色是實(shí)現(xiàn)竹地板顏色多樣化的最重要手段。竹片通過染色來調(diào)節(jié)顏色深淺，可以改變竹地板的顏色，從而改善竹地板的視覺特性和裝飾性能，提高竹地板的表面質(zhì)量和附加值。當(dāng)前竹材染色大多借鑒木材染色的研究成果，有關(guān)竹材染色的研究報(bào)道較少，由于木材染色過程實(shí)質(zhì)上是染料分子在木材中的滲透和固著過程[6]，所以染料溶液在竹材的滲透特性對(duì)竹材的染色效果有很重要的影響。雖然竹材與木材同屬各向異性材料，但竹材的維管束走向平行且整齊，紋理一致，沒有木射線等橫向組織[7～8]，因而竹材染料溶液的滲透性能有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。目前，有關(guān)竹地板生產(chǎn)所用的毛竹竹片的染料溶液滲透特性的系統(tǒng)研究尚未見報(bào)道。作者采用常壓和真空加壓滲透法對(duì)毛竹竹片進(jìn)行了不同條件下染料溶液的系列滲透試驗(yàn)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹竹片：按照《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》（GB/T15780-1995）中規(guī)定的方法，在浙江省臨安市采集一批竹齡為5 a的毛竹竹材，利用竹地板生產(chǎn)中加工竹片的設(shè)備，將毛竹竹材截?cái)?、開片，經(jīng)刨削后剔除竹青、竹黃，再根據(jù)不同的試驗(yàn)要求加工成竹片。除研究長度對(duì)染料溶液滲透性能影響的竹片外，其它試驗(yàn)所用竹片的尺寸均為：100 mm×20 mm×7.5 mm（長×寬×厚）；除考察竹節(jié)對(duì)染料溶液滲透性影響的竹片含竹節(jié)外，其它試驗(yàn)所用竹片均不含竹節(jié)；除探討含水率對(duì)染料溶液滲透性能影響的竹片外，其它試驗(yàn)所用竹片均干燥至含水率12%左右。

染料：酸性大紅GR、堿性大紅、堿性品藍(lán)固體染料，按不同的試驗(yàn)要求配制成不同濃度的染料水溶液。

1.2 方法

1.2.1 常壓滲透 探討不同含水率（12%、30%、50%）、不同長度（100、150、200 mm）、含竹節(jié)、不同滲透方向（縱向、弦向、徑向，分別留有端面、弦面、徑面，不試驗(yàn)面用環(huán)氧樹脂膠密封）的毛竹竹片對(duì)染料溶液滲透性能的影響時(shí)，將它們分批分別置于濃度為1%的酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透；探討染料種類對(duì)染料溶液滲透性能的影響時(shí)，采用濃度為1%的酸性大紅、堿性大紅、堿性品藍(lán)的染料水溶液，對(duì)毛竹竹片進(jìn)行常溫常壓滲透；以上每種因素的常溫常壓滲透時(shí)間均為：1、2、4、8、12、24h。

此外，采用常壓滲透法，探討酸性大紅染料水溶液濃度（1%、3%、5%）和pH值（3.0、4.5、6.0），以及染色溫度（60、75、90℃）和染液滲透時(shí)間（1、2、4、8、12、24h）對(duì)染料溶液滲透性能的影響。

1.2.2 真空加壓滲透 采用濃度為1%的酸性大紅染料水溶液，對(duì)毛竹竹片進(jìn)行真空加壓浸注，真空加壓滲透時(shí)間分別為：30、60、90和120 min；前真空度為0.085 MPa，時(shí)間30 min；加壓壓力0.7 MPa，后真空度為0.085 MPa，時(shí)間30 min。

1.2.3 染料溶液的滲透效果檢測(cè) 不同滲透方向（縱向、弦向、徑向）染料溶液滲透效果的評(píng)定，采用單位面積的重量增加率（增重率）和滲透深度來表示；對(duì)于其它試驗(yàn)條件，采用稱量竹片浸漬前后的重量變化，計(jì)算增重率和滲透深度來表示。對(duì)于滲透深度的測(cè)定，采用不同試驗(yàn)條件下滲透試驗(yàn)完全結(jié)束后的竹片，沿縱向剖開，均勻取點(diǎn)，測(cè)量縱向滲透深度；每一滲透試驗(yàn)條件，重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 常壓滲透試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 竹片含水率對(duì)染料溶液滲透性能的影響 將含水率分別為12%、30%、50%的毛竹竹片置于濃度為1%的酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)，毛竹竹片的增重率和滲透深度的變化情況見表1。

表1 竹片含水率與染料溶液滲透性能的關(guān)系Table 1 Relation between moisture content of strip and permeability of dye solution

從表1可知，當(dāng)滲透時(shí)間相同時(shí)，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著含水率的增大而快速降低，當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，含水率為50%的試材的增重率約為含水率12%的44.6%，滲透深度約為含水率12%的20.7%。可見，毛竹竹片的含水率對(duì)其染料溶液滲透性能有很大影響。這主要是因?yàn)椋褐衿暮试礁?，竹片?nèi)部的水分就越多，空隙率也越小，當(dāng)竹片置于染料水溶液中時(shí)，染料水溶液就越難滲入其內(nèi)部；而含水率越低，竹片內(nèi)部的水分就越少，空隙率也越大，當(dāng)竹片置于染料水溶液中時(shí)，由于竹片外部的水分含量遠(yuǎn)大于內(nèi)部，從而在竹片內(nèi)外形成了含水率梯度，致使竹片外部的水分較易進(jìn)入竹片內(nèi)部。因此，進(jìn)行毛竹竹片的染色試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將其含水率調(diào)控在適宜的范圍內(nèi)。

2.1.2 竹片長度對(duì)染料溶液滲透性能的影響 將長度分別為100、150、200 mm的毛竹竹片置于濃度為1%的酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 竹片長度與染料溶液滲透性能的關(guān)系Table 2 Relation between strip length and permeability of dye solution

從表2可以看出，當(dāng)滲透時(shí)間相同時(shí)，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著竹片長度的增大而降低，當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，長度為200 mm試材的增重率約為長度100 mm的83.5%，滲透深度約為其66.3%。可見，毛竹竹片的長度對(duì)染料溶液的滲透性能有較大影響。究其原因可能是因?yàn)殡S著竹片長度的增加，染料水溶液移動(dòng)的距離增加，滲透阻力也隨之增大，致使試材的增重率和滲透深度隨之降低。

2.1.3 竹節(jié)對(duì)染料溶液滲透性能的影響 分別將含有竹節(jié)和不帶竹節(jié)的毛竹竹片置于濃度為1%的酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以得知，含竹節(jié)試材的增重率和滲透深度均比不含竹節(jié)的小，當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，有竹節(jié)試材的增重率約為無竹節(jié)試材的87.8%，滲透深度約為其70.5%。可見，竹節(jié)對(duì)染料溶液的滲透性能有影響。其可能的原因是在竹材中竹節(jié)部的維管束大量分叉、迂回交錯(cuò)，形成了復(fù)雜的網(wǎng)狀維管束系統(tǒng)[9～10]，從而阻礙了染料溶液的縱向滲透，導(dǎo)致不含竹節(jié)的毛竹竹片的滲透性能好于含竹節(jié)的毛竹竹片。

2.1.4 滲透方向?qū)θ玖先芤簼B透性能的影響 將分別留有端面、弦面、徑面的毛竹竹片，置于濃度為1%的酸性大紅水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)。由于竹片徑向、弦向、縱向的滲透面積相差較大，若用增重率來評(píng)價(jià)其滲透性能，將難以進(jìn)行對(duì)比，故采用單位面積的增重率來判定其滲透性能。毛竹竹片徑向、弦向、縱向的單位面積增重率和滲透深度的試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表3 竹節(jié)與染料溶液滲透性能的關(guān)系Table 3 Relation between bamboo node and permeability of dye solution

從表4可得知，無論在何種滲透時(shí)間下，試材的單位面積增重率和滲透深度的大小順序均為：徑向＜弦向＜縱向，即縱向滲透性能遠(yuǎn)好于橫向，例如當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，試材的縱向單位面積增重率約為弦向的3倍，徑向的2.2倍；試材的縱向滲透深度約為弦向的13.5倍，徑向的15.2倍。這可能是因?yàn)闃?gòu)成竹材的維管束全部縱向排列，沒有木射線等橫向組織，導(dǎo)致竹材縱向的滲透深度遠(yuǎn)大于橫向。

表4 染料溶液滲透方向與滲透性能的關(guān)系Table 4 Relation between penetration direction and permeability of dye solution

2.1.5 染料種類對(duì)染料溶液滲透性能的影響 分別將毛竹竹片置于濃度為1%的堿性大紅、堿性品藍(lán)、酸性大紅的染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可知，當(dāng)試材滲透24 h后，經(jīng)堿性大紅、堿性品藍(lán)染料溶液滲透試材的增重率，分別為經(jīng)酸性大紅染料溶液滲透試材的93.3%、92.7%；經(jīng)堿性大紅、堿性品藍(lán)染料溶滲透試材的滲透深度，分別是經(jīng)酸性大紅染料溶液滲透試材的53.8%、81.2%?？梢?，染料種類對(duì)毛竹竹片的染料溶液滲透性能有一定的影響，試材在酸性大紅染料溶液進(jìn)行滲透后的增重率和滲透深度均高于在堿性大紅、堿性品藍(lán)染料溶液滲透后的試材，但其數(shù)值相差并不大。這可能是由于毛竹竹片呈弱酸性，因而堿性染料可能與竹材內(nèi)酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而降低了染料溶液的滲透量，使其滲透性能降低，導(dǎo)致用酸性大紅染料溶液對(duì)毛竹竹片滲透的浸透性能大于堿性大紅和堿性品藍(lán)。

2.1.6 染料溶液濃度對(duì)滲透性能的影響 將毛竹竹片分別置于濃度為1%、3%、5%的酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可知，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著酸性大紅染料溶液濃度的增大而降低，例如當(dāng)試材滲透24h后，經(jīng)濃度為1%的酸性大紅染料溶液滲透試材的增重率，分別是濃度為3%、5%的115.6%、140.0%，滲透深度分別是濃度為3%、5%的125.6%、185.7%。可見，染料溶液的濃度對(duì)竹片的滲透性能有較大影響。因?yàn)殡S著染料溶液濃度梯度的增大，染料分子會(huì)集聚，造成竹材細(xì)胞壁紋孔阻塞[11]，致使毛竹竹片的滲透性能降低。

表5 染料種類與染料溶液滲透性能的關(guān)系Table 5 Relation between dye types and permeability of dye solution

2.1.7 染色溫度對(duì)染料溶液滲透性能的影響 將毛竹竹片分別置于水浴溫度為60、75、90℃的1%酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常壓滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 染料溶液濃度與滲透性能的關(guān)系Table 6 Relation between dye concentration and permeability of dye solution

從表7可知，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著染色溫度的增加而增大。當(dāng)試材滲透24 h后，染色溫度為60℃試材的增重率和滲透深度，分別是染色溫度為90℃的70.4%和45.7%。由于染色溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)的速度越快，染料的聚集程度越低，染液的流動(dòng)性也越好，從而大大提高了染液的滲透能力，增加了染料的滲透量。但過高的溫度有可能導(dǎo)致竹材水解，會(huì)降低竹片的力學(xué)強(qiáng)度，并增大能耗。

2.1.8 染料溶液pH值對(duì)滲透性能的影響 將毛竹竹片分別置于pH值為3.0、4.5、6.0的1%酸性大紅染料水溶液中，進(jìn)行常溫常壓滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從表8可知，當(dāng)染料溶液的pH值從3.0升高到4.5，毛竹竹片的增重率和滲透深度隨著pH值的增大而逐漸增大；當(dāng)染料溶液的pH值從4.5升高到6.0，毛竹竹片的增重率和滲透深度隨著pH值的增大而逐漸減??；毛竹竹片的染料溶液滲透性能，在pH值為4.5時(shí)最好。當(dāng)滲透時(shí)間為24 h時(shí)，經(jīng)pH值為4.5的酸性大紅染料溶液處理試材的滲透深度是pH值為3的133.8%、pH為6的159.3%。可見，染料溶液的pH值對(duì)毛竹竹片的滲透性能有較大影響，這可能與竹材本身呈弱酸性有關(guān)。因此，適宜的酸度有利于提高毛竹竹片染料溶液的滲透性能。2.1.9 染料溶液滲透時(shí)間對(duì)滲透性能的影響 從表1至表8可知，無論在何種滲透試驗(yàn)條件下，隨著毛竹竹片在染料溶液中滲透時(shí)間的延長，毛竹竹片的增重率均快速增大，毛竹竹片質(zhì)量增加率約占24 h處理時(shí)的20%左右，但仍以1 h處理時(shí)間增長最快。

表7 染色溫度與染料溶液滲透性能的關(guān)系Table 7 Relation between the dyeing temperature and permeability of dye solution

試驗(yàn)還表明，延長染液的滲透時(shí)間可大大提高毛竹竹片的染料溶液滲透性能，但滲透時(shí)間越長，生產(chǎn)效率越低。因此，進(jìn)行竹片染色時(shí)，應(yīng)在保證染色效果的前提下，盡量減少染料溶液的浸注時(shí)間。

表8 染料溶液pH值與滲透性能的關(guān)系Table 8 Relation between the pH value and permeability of dye solution

2.2 真空加壓滲透試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用濃度為1%的酸性大紅染料水溶液，對(duì)毛竹竹片進(jìn)行真空加壓浸注，真空加壓滲透時(shí)間分別為30、60、90和120 min，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

由表9可知，隨著試材在染料溶液中真空加壓下浸注時(shí)間的增加，試材的增重率和滲透深度均快速增大。究其原因，主要是因?yàn)樵嚥耐ㄟ^真空加壓可以排出內(nèi)部部分空氣，增大內(nèi)部空隙率，減少染料溶液向竹材內(nèi)部擴(kuò)散的阻力，相應(yīng)提高了染料溶液的滲透性能。

采用濃度為1%的酸性大紅染料水溶液，對(duì)毛竹竹片進(jìn)行常壓浸注60 min后，試材的增重率為7.8%，滲透深度為9.74 mm；真空加壓浸注60 min后，試材的質(zhì)量增加率為46.1%，滲透深度為25.33 mm。與真空加壓下浸注60 min后對(duì)比，常壓浸注的試材增重率僅為真空加壓注的16.9%，滲透深度僅為真空加壓浸注的38.5%。因此，真空加壓浸注能顯著提高毛竹竹片染料溶液的滲透性能。

表9 真空加壓浸注對(duì)染料溶液滲透性能的影響Table 9 The influence of permeability of dye solution in vacuum process

3 結(jié)論

（1）毛竹竹片的含水率對(duì)其染料溶液滲透性能有顯著影響，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著含水率的增大而快速降低。

（2）毛竹竹片的長度對(duì)染料溶液的滲透性能有較大影響，隨著竹片長度的增加毛竹竹片的增重率和滲透深度均降低。

（3）竹節(jié)對(duì)染料溶液的滲透性能有影響，含竹節(jié)毛竹竹片的滲透性能比不含竹節(jié)的差。

（4）染料溶液的不同方向?qū)ζ錆B透性能有較大影響，縱向滲透性能遠(yuǎn)大于徑向和弦向，其滲透性能的大小順序?yàn)椋簭较颍枷蚁颍伎v向。

（5）染液種類對(duì)毛竹竹片的染料溶液滲透性能有一定的影響，在酸性染料溶液的滲透性能好于堿性染料；染液濃度對(duì)竹片的滲透性能有較大影響，毛竹竹片的增重率和滲透深度均隨著染液濃度的增大而降低；染液的pH值對(duì)毛竹竹片的滲透性能有較大影響，當(dāng)pH值為4.5時(shí)，毛竹竹片的染料溶液滲透性能最好；染液溫度對(duì)竹片的滲透性能有較大影響，隨著染液溫度的增加毛竹竹片的增重率和滲透深度均增大；染液的滲透時(shí)間對(duì)毛竹竹片的染料溶液滲透性能有顯著影響，隨著毛竹竹片在染料溶液中滲透時(shí)間的延長，其增重率增大。

（6）染料溶液的真空加壓浸注時(shí)間對(duì)毛竹竹片的染料溶液滲透性能有顯著影響，隨著試材在染料溶液中真空加壓下浸注時(shí)間的增加，其增重率和滲透深度均快速增大；與常壓浸注相比，真空加壓浸注能顯著提高毛竹竹片染料溶液的滲透性能。

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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中國分類號(hào)：S795A

文章編號(hào)：1001-3776（2010）05-0009-05

收稿日期：2010-05-11；修回日期：2010-08-20

基金項(xiàng)目：浙江省“151人才工程”第二層次培養(yǎng)人員資助計(jì)劃（2251200014）；浙江省新苗人才計(jì)劃（2007R40G2100024）；浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金（2351000895）

作者簡介：杜春貴（1967－），男，副教授，博士，從事竹木材加工與人造板工藝、生物質(zhì)復(fù)合材料等研究。

Study on Permeability Characteristics of Dye Solution in Bamboo Strip and Its Influence Factors

DU Chun-gui1，SHU Tian-tian1，YE Bin-bin1，WANG Lin2
（1. School of Engineering, Zhejiang A&F University, Lin’an 311300, China; 2. Leshan Jixiang Timber Products Company Limited, Leshan 614000, China）

Abstract:Bamboo(Phyllostachys heterocyclacv.pubescens) strips were selected for testing permeability of dye solution using vacuum process and non-pressure treatment under different conditions. The results showed that at same treatment duration, quantity increase of strips and permeable depth of dye solution in strips decreased quickly with the increase of moisture content of strip, and when treated duration was 24 hours, permeable depth of dye solution in strips with moisture content of 50% had only 20.7% of that in strips with moisture content of 12%. The test showed that longer strips had worse permeability, and when treated duration was 24 hours, permeable depth of dye solution in strips of 200mm had only 66.3% of that in strips of 100mm. Permeability of strips without node had better result than that with node. Permeability of dye solution was much better in strips longitudinal than radial and chord direction. Permeable depth of dye solution in strips had orders as follows: ridial

Key words:Phyllostachys heterocyclacv.pubescens; bamboo strip; dye solution; permeability; influence factor