兩種方法染色處理速生楊木單板1)

那 斌 王志鵬 孫丹丹 王志強 盧曉寧

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

兩種方法染色處理速生楊木單板1)

那 斌 王志鵬 孫丹丹 王志強 盧曉寧

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

采用熱浸法和冷壓法對速生楊木單板進行染色處理，利用紫外可見分光光度計研究染液質(zhì)量分數(shù)、染色時間、染色溫度及助劑等因素對速生楊木單板染色效果的影響。結(jié)果表明:兩種方式對速生楊木單板進行染色處理都取得了較好的上染率，而熱浸法的染色效果較冷壓法要好。

速生楊木單板;染色;上染率;熱浸法;冷壓法

隨著天然優(yōu)質(zhì)木材日趨減少，利用國內(nèi)豐富的速生楊木資源進行改性處理以替代珍貴木材的使用具有重要的現(xiàn)實意義。對速生楊木單板進行染色處理以模仿珍貴木材材色，同時提高其整體的強度性能，這樣既緩解了珍貴木材急缺的現(xiàn)狀，滿足市場的需求，又可以提高楊木產(chǎn)品的附加值。

木材是一種不均質(zhì)的毛細孔材料，木纖維中含有豐富的親水性基團，如羥基(—OH)、羧基(—COOH)等。染料隨水溶液通過木材毛細管通道，透過木細胞壁擴散后，沉降在纖維表面上，使得木材染色[1]。本研究采用熱浸法和冷壓法兩種方法對速生楊木單板進行染色處理，將4種酸性染料混合進行染色。這是因為一方面酸性染料是一類含有酸性基團如磺酸鈉(RSO3Na)的水溶性染料，通常在酸性水溶液中染色，其染色功能基于在酸性介質(zhì)中易電離形成帶負電荷的磺酸基(RSO-3)與帶正電荷的被染物相吸引，而木纖維浸泡在酸性溶液中，帶正電荷的氫離子很快擴散到木纖維內(nèi)，中和了顯負電性的(—COOH)基團，使整個木纖維帶正電荷。因此，帶負電荷的磺酸基與帶正電荷的木纖維在親合力的作用下相吻合，其色牢度由親合力的大小來決定[2];而另一方面由于染料對木材的選擇性吸附不同，選擇性吸附強的染料在木材表面的孔的入口處附近染色，而選擇性吸附弱的染料滲透到木材內(nèi)部染色，因而產(chǎn)生色層分離譜的色差效果。可以利用這種吸附強弱不同，進行不同染料多色染色，增強染色效果。滲透性好的染料可浸潤到木材內(nèi)部與晚材部分，而滲透性差的染料只能滲透到木材表面和早材部分，使染色材鋸切后會形成不同種顏色圖案[3]。因此實驗采用不同的染料混合，以達到增強染色效果的目的。研究表明可以通過測定木材的上染率來評定木材的染色效果[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試件:速生楊木旋切單板，取自江蘇徐州豐縣。單板選取的是速生楊木單板的邊材無缺陷部分。并將速生楊木單板制成規(guī)格:80mm×60mm×1.5mm共18塊試件。試件通過前期處理的含水率為32％。

染料:酸性大紅GR、嫩黃G、酸性黑ATT和酸性橙Ⅱ4種粉末染料，其中酸性大紅GR質(zhì)量分數(shù)為50％，其它3種的質(zhì)量分數(shù)都為100％。

助劑:均染劑元明粉(Na2SO4·10H2O)，質(zhì)量分數(shù)為98％。

1.2 試驗儀器設備

AF1004型電子分析天平;101A-2B型電熱鼓風干燥箱;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋;TU-1810紫外分光光度計;常用玻璃器皿。

1.3 試驗方法

將4種酸性染料混合采用熱浸法和冷壓法對速生楊木單板進行染色，并通過設定正交試驗來確實染液質(zhì)量分數(shù)、染色時間、染色溫度和助劑等因素對速生楊木單板上染率的影響。

1.3.1 熱浸法

染色前，先對單板進行前期處理，即將單板浸入水中4h，取出后氣干到含水率32％。將酸性大紅GR、酸性嫩黃G、酸性黑ATT和酸性橙Ⅱ4種染料混合，其中m(酸性橙Ⅱ)∶m(酸性黑ATT)∶m(酸性嫩黃G)∶m(酸性大紅GR)=14∶5∶4∶2，分別配置成不同質(zhì)量分數(shù)溶液。(配置原染液時，1g染料加100mL水配置的溶液質(zhì)量分數(shù)為1％)[4]。設定浴比為10。

試驗選取了染液質(zhì)量分數(shù)、染色時間、染色溫度和助劑4個影響因素。各因素水平見表1。

染色工藝試驗過程流程:前期處理→加入助劑并配置染液→測定空白溶液吸光度(A0)→試件進行染色→取出試件并沖洗?測定殘液吸光度(A1)→按R=(A0-A1)/A0計算上染率。

表1 熱浸法試驗因素與水平

1.3.2 冷壓法

染色前，先將楊木單板放入水浴鍋中恒溫(90℃)抽提2h，取出后氣干到含水率為32％。染色時先將單板加熱，使單板中的空氣和水分受熱膨脹而運動加劇，然后將熱單板浸漬到室溫染液中，單板內(nèi)部產(chǎn)生負壓，染料溶液能夠順利滲透到內(nèi)部，從而使單板染色[3]。其中混合溶液的配比和熱浸法中一樣。

試驗采用了加熱溫度、加熱時間、染液質(zhì)量分數(shù)這3個影響因素。各因素水平見表2。

表2 冷壓法試驗因素與水平

染色工藝試驗過程流程:前期處理90℃水中抽提2h→氣干24h至含水率32％→配置染液并測定空白溶液吸光度(A0)→試件加熱并進行染色→10min后取出試件并沖洗→測定殘液吸光度(A1)→按R=(A0-A1)/A0計算上染率。

試驗的研究方法是先設定L9(34)染色正交試驗，然后利用紫外分光光度計來測定每次試驗中試件的上染率。利用正交方差分析的方法研究染色工藝參數(shù)對上染率的影響，從而得出最佳的染色方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱浸法效果

染料的上染率與工藝因子的方差和極差分析見表3。可以看出，各因素對染色的上染率影響顯著性排列為:染色時間＞助劑＞染色溫度＞質(zhì)量分數(shù)。第二因素染色時間的極差最大，其次是第四因素助劑和第三因素染色溫度，第一因素染液質(zhì)量分數(shù)最小，說明影響最小。從平均值來看，第一因素的第一水平最好，第二因素的第二水平最好，第三因素的第一水平最好，第四因素的第一水平最好。因此最佳的染色因素水平是:染色質(zhì)量分數(shù)0.5％，染色時間為2h，染色溫度為70℃，且不加助劑。染色效果見表4。

表3 熱浸法工藝因子水平的結(jié)果

染液質(zhì)量分數(shù)對上染率的影響:由表4可知，染色質(zhì)量分數(shù)對上染率的影響幅度變化不大，說明染液質(zhì)量分數(shù)影響不顯著。

染色時間對上染率的影響:隨著時間的增加，上染率上升，當染色時間為2h，上染率最大.當時間繼續(xù)增加，上染率反而下降。從極差分析來看，染色時間對上染率的影響最大。這是因為速生楊木單板密度比較小且厚度較薄，其內(nèi)部的空隙大，染液很快就能滲透進入材內(nèi)部進行染色。當達到一定時間，染色效果最好，隨后，時間的增加和染液的蒸發(fā)，降低了染色效果，影響了上染率。

表4 熱浸法效果

染色溫度對上染率的影響:隨著溫度的上升，上染率上升很快，因為提高溫度使染料分子得到更大的能量，克服庫侖力，增加了單板發(fā)生碰撞形成分子間范德華力的機會。同時，提高溫度可顯著降低染料的聚集程度，增加染料分子的擴散性能。但溫度也不能過高，過高的溫度使吸附在單板上的染料分子能量增加太大，加劇染料與單板的解吸，上染率反而會降低。所以70℃為比較適宜的溫度[3]。

助劑對上染率的影響:助劑元明粉的加入降低上染率，由此可知助劑抑制楊木單板的染色。

由上述分析可知，熱浸法對速生楊木單板進行染色的整體效果比較好，其中染色時間和染色溫度對上染率的影響較顯著，而染色質(zhì)量分數(shù)對上染率的影響較小，助劑的加入則抑制上染率。同時酸性染料有利于速生楊木單板的染色。染色優(yōu)化工藝是:染液質(zhì)量分數(shù)0.5％，染色時間2h，染色溫度70℃且不加助劑。

2.2 冷壓法效果

染料的上染率與工藝因子的方差和極差分析見表5?？芍饕蛩貙ι先韭实挠绊戯@著性排列:加熱時間＞染液質(zhì)量分數(shù)＞加熱溫度。第二因素加熱時間極差最大，其次是第三因素染液質(zhì)量分數(shù)，第一因素最小。從平均值看，第一因素的第一水平最好，第二因素的第三水平最好，第三因素的第三水平最好。所以最佳工藝:加熱溫度100℃，加熱時間30min，染液質(zhì)量分數(shù)1.5％。染色效果見表6。

表5 冷壓法工藝因子水平的結(jié)果

表6 冷壓法效果

加熱溫度對上染率的影響:當溫度達到100℃后，上染率隨著溫度的升高而降低。這是因為楊木單板加熱，使其內(nèi)部的水分和空氣運動加劇，又因為試件很薄，所以加熱一段時間后單板的內(nèi)外部受熱均勻，當試件溫度達到一致后，迅速放入常溫染液中，其內(nèi)部的水分和空氣受膨脹排出單板內(nèi)部，產(chǎn)生的負壓很多，加速了染液的滲透。但是，溫度升高到一定程度后，染料的水解速度加快，上染率反而下降[5]。

加熱時間對上染率的影響:隨著加熱時間的增加，上染率上升。加熱時間越大，單板溫度越高，促使單板內(nèi)部水分和空氣向外遷移，遇冷后收縮，單板內(nèi)部壓力降低，內(nèi)外壓力差變大，有利于染液吸收，從而上染率上升。

染液質(zhì)量分數(shù)對上染率的影響:隨著染液質(zhì)量分數(shù)的增大上染率呈上升趨勢。因為染液質(zhì)量分數(shù)增大，染液中染料分子的數(shù)量增多，沖破單板內(nèi)部的庫倫力和與纖維的碰撞機率也增大了，由于試驗選用的質(zhì)量分數(shù)較小，所以不會出現(xiàn)飽和的狀態(tài)。但是當質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)變的很大時，染料分子在水溶液中隨條件不同會發(fā)生不同程度的聚集，染料的聚集體難以在單板中流動和擴散，造成細胞壁的部分紋孔阻塞，從而影響其上染率[6]。

由上述分析可知，加熱時間對染色上染率影響最大，其次是染液質(zhì)量分數(shù)，加熱溫度對上染率的影響較小，當溫度達到120℃后，上染率基本保持不變。所以本試驗的最佳優(yōu)化工藝條件是:加熱溫度100℃，加熱時間30分鐘，染液質(zhì)量分數(shù)1.5％。

采用冷壓法對楊木單板染色的工藝較簡單，操作方面，但是冷壓法的染色效果比熱浸法差。

3 結(jié)束語

采用熱浸法和冷壓法兩種方法對速生楊木單板進行染色處理，都取得了較好的上染率，并獲得了最佳染色工藝;熱浸法的染色效果較冷壓法要好，而冷壓法的工藝更為簡單。

[1] 張偉，許俊，岳孔，等.速生楊木板材的染色工藝試驗[J].林業(yè)科技開發(fā)，2008，22(5):84-86.

[2] 顧麗莉，蔣麗紅，趙榆林，等.酸性染料對木材進行染色實驗研究[J].染料工業(yè)，2001，38(1):40-41，27.

[3] 李紅.毛白楊木材染色技術研究[D].北京:北京林業(yè)大學，2005.

[4] 陳玉和，陸仁書，方桂珍.木材水溶性染料的染色技術[J].木材工業(yè)，1999，13(2):27-30.

[5] 張洋，安霞，周兆斌，等.速生楊木染色效果的色差分析[J].林業(yè)科技開發(fā)，2007，21(1):25-27.

[6] 張明龍，程良松，李年存.意大利楊和楸木染色試驗研究[J].林業(yè)機械與木工設備，2006，34(6):22-24.

Dyeing Treatment of Veneer from Fast-Growing Poplar by Heat-Infusing and Cold-Pressing

/Na Bin，Wang Zhipeng，Sun Dandan，Wang Zhiqiang，Lu Xiaoning(College of Wood Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-41～43

Veneer from fast-growing poplar;Dyeing;Rate of dye uptake;Heat-infusing;Cold-pressing

TS190.2

1)江蘇省自然科學基金(BK2009529)、國家自然科學基金(31070502)。

那斌，男，1971年10生，南京林業(yè)大學木材工業(yè)學院，副教授。

2010年12月6日。

責任編輯:戴芳天。

This paper deals with the dyeing treatment of the veneer from fast-growing poplar using heat-infusing and cold-pressing methods.The influences of dye-liquor concentration，dyeing time，dyeing temperature and auxiliaries on the effect of dyeing are studied using ultraviolet-visible spectrophotometer.Both of the two methods show an increased rate of dye uptake，and the effect of heat-infusing is better than that of cold-pressing.