不同染色工藝對(duì)杉木邊材染色滲透性的影響

王玉梅，吳華平，Nayebare Kakwara Prosper，孫芳利

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

不同染色工藝對(duì)杉木邊材染色滲透性的影響

王玉梅，吳華平，Nayebare Kakwara Prosper，孫芳利

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

酸性染料由于顏色豐富，價(jià)格低廉而成為現(xiàn)階段木材工業(yè)常用的染料。木材的染色效果通常與染料的滲透深度和分布均勻性密切相關(guān)。為了提高染料的染色效果，同時(shí)充分利用豐富的國(guó)產(chǎn)速生材，以杉木邊材為試材，研究恒溫浸漬法、冷熱交替法和真空浸注法3種工藝對(duì)染料縱向和橫向滲透性的影響。結(jié)果表明：①恒溫浸漬法中，橫向滲透性隨著染液溫度升高而增加，縱向滲透性則相反。橫向滲透在染液溫度為90 ℃時(shí)最大，為0.66～0.94 mm，而縱向滲透在染液溫度為28 ℃時(shí)最大，為3.2～4.67 mm。在恒溫浸漬中，染料的滲透深度隨染色時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則變化；②冷熱交替法中，染料滲透性介于真空注入與恒溫浸漬之間，溫度差對(duì)橫向滲透性的影響遠(yuǎn)大于對(duì)縱向滲透性的影響；相同時(shí)間內(nèi)，交替次數(shù)的增加能顯著提高染料在橫向的滲透性，而縱向滲透性遠(yuǎn)低于橫向滲透性；③真空注入中，染料在縱向和橫向滲透性均最大，比恒溫90 ℃浸漬2 h提高2.0～3.0倍。

染色工藝；杉木；染料滲透性

木材染色是一種簡(jiǎn)單易行的材色處理方法，不僅可以消除天然木材生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的心邊材色差，而且可以利用速生材模擬珍貴木材顏色，滿足人們對(duì)珍貴木材材色的需求[1]。木材的染色效果與染料、木材種類及染色工藝密切相關(guān)。染料具有選擇吸著性，影響其在木材中的滲透性，進(jìn)而影響染色的深度和均勻性[2]。為了提高染料在木材中的滲透性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)木材的滲透性進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為對(duì)木材進(jìn)行各種預(yù)處理，如機(jī)械處理、微波處理、水熱處理、化學(xué)藥劑處理、酶和微生物等處理，能夠顯著提高木材的滲透性[3-6]，也有采用不同處理工藝，如真空加壓、冷熱交替、高溫恒溫浸漬等方式提高藥劑對(duì)木材的滲透性。

杉木是我國(guó)長(zhǎng)江流域、秦嶺以南地區(qū)栽培廣、生長(zhǎng)快、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的用材樹種。由于其紋理通直，結(jié)構(gòu)均勻，不容易翹曲和開(kāi)裂，具香味，抗蟲耐腐，被廣泛用于建筑、家具、器具、造船等領(lǐng)域[7]。但是，杉木材色單一，難以滿足人們對(duì)木材材色多樣化的需求。此外，杉木由于內(nèi)含物較多，滲透性較差，染色等改性處理較難。為了提高杉木材的染色效果，本文以杉木速生材為研究對(duì)象，比較恒溫浸漬法、真空浸注法、冷熱交替法3種不同的染色工藝對(duì)染料滲透性的影響，考察染料在縱向和橫向均勻滲透深度的不同，從而探討杉木材的最佳染色工藝，為杉木均勻高效染色奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)采用樹齡20 a，直徑30 cm的杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)邊材為試塊，試塊加工成標(biāo)準(zhǔn)的徑切板，尺寸為50 mm (順紋理方向)×50 mm×20 mm(垂直于紋理方向)，用于染色的酸性紅GR、酸性嫩黃G和酸性黑ATT(圖1)購(gòu)自青島川林染料工業(yè)有限公司，直接使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)所選染料的結(jié)構(gòu)圖

1.2 方法

1.2.1 染液調(diào)配 酸性紅GR、酸性嫩黃G、酸性黑ATT單獨(dú)染色時(shí)不需要調(diào)配?；旌先玖鲜菍⑺嵝约tGR、酸性嫩黃G和酸性黑ATT按照質(zhì)量比為5∶5∶2進(jìn)行調(diào)配，模擬海南黃花梨的顏色值。調(diào)配依據(jù)是根據(jù)測(cè)色色差儀測(cè)試海南黃花梨的顏色值，探索不同染料所占比例后調(diào)制得到。

1.2.2 染色工藝 取8塊質(zhì)量相近的杉木邊材試塊，干燥到含水率15%左右。用于橫向滲透性測(cè)試的試塊，用環(huán)氧樹脂封住其橫斷面(圖2a)，測(cè)試徑向和弦向的綜合滲透性；用于縱向滲透性測(cè)試的試塊用環(huán)氧樹脂封住其所有縱切面(圖2b)，僅測(cè)試2個(gè)端面的滲透性，即沿著縱向的滲透性。按照不同工藝進(jìn)行染色處理，染色結(jié)束后，按照?qǐng)D2標(biāo)記分別從幾何中心a和b處鋸開(kāi)，用游標(biāo)卡尺觀測(cè)染料在縱向(即順紋理方向)和橫向(即垂直于紋理方向)的均勻滲透深度。每種處理選用4個(gè)重復(fù)(試塊)。染色結(jié)束后對(duì)試件風(fēng)干24 h，然后干燥到含水率15%左右，得到染色處理材。染色處理采取如下方法。

圖2 杉木邊材試塊縱橫向滲透性測(cè)試樣品

1)恒溫浸漬法。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的染料溶液(下同)。染色影響因素選取染料種類、溫度、時(shí)間和濃度。染色時(shí)間固定為2 h的條件下，測(cè)試溫度(28、70、90 ℃)對(duì)縱向和橫向滲透性的影響；染液溫度固定在28 ℃條件下，測(cè)試染色時(shí)間(2、4、6、8、10 h)對(duì)縱向和橫向滲透性的影響。

2)真空浸注法。將試塊放入500 mL的燒杯中，上壓玻璃片，以免在浸注染液時(shí)試塊浮起。將放有試塊的燒杯在低于0.08 MPa的真空下處理30 min，吸入染料染液，靜置2 h。取出，用水沖洗表面浮色，測(cè)試染液縱向和橫向滲透深度，風(fēng)干24 h，然后干燥到含水率15%左右。

3)冷熱交替法。冷熱交替處理以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的酸性紅GR為研究對(duì)象，分2方面研究，一是固定交替次數(shù)為1次，研究溫度差對(duì)染料滲透性的影響，設(shè)置90 ℃/90 ℃(即無(wú)溫度差，恒溫)、90 ℃/70 ℃、90 ℃/28 ℃、90 ℃/0 ℃ 4個(gè)溫度差處理，試塊在熱劑和冷劑中分別染色1 h，總時(shí)間為2 h；二是固定交替溫度差為90 ℃/28 ℃，染色總時(shí)間仍為2 h，研究交替次數(shù)為1次、2次、3次下染料的滲透性。該實(shí)驗(yàn)中如果交替1次，則試塊在熱劑和冷劑中分別放置60 min；交替2次，則在熱劑和冷劑中分別為30 min；交替3次，則在熱劑和冷劑中分別為20 min。染色結(jié)束后，測(cè)試染料滲透深度，并將染色材干燥到含水率15%左右。

2 結(jié)果與分析

2.1 恒溫浸漬法對(duì)染料滲透性的影響

恒溫浸漬法由于操作簡(jiǎn)單而成為目前常用的染色方法。該方法對(duì)木材的染色效果受到染液濃度、溫度、染色時(shí)間、染料種類等因素影響。本文主要考察染液溫度和染色時(shí)間對(duì)染料滲透性的影響。恒溫浸漬法染色時(shí)溫度和時(shí)間對(duì)染料均勻滲透深度的影響見(jiàn)圖3，3種染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%，染色時(shí)間為2 h條件下。由圖3可以看出，染料在木材中的滲透性均為縱向遠(yuǎn)大于橫向。橫向滲透性隨著染液溫度升高而增加；縱向滲透性則相反，隨著染液溫度的升高而減小。一般而言，溫度升高，染液粘度降低，對(duì)木材的滲透性提高。但是，縱向滲透性隨著溫度升高而降低，主要原因可能與木材解剖構(gòu)造、抽提物含量、分布和染料的特性有關(guān)。當(dāng)溫度為90 ℃時(shí)，染料在杉木中橫向均勻滲透深度為0.66～0.94 mm，縱向均勻滲透深度為2.16～2.26 mm?？v向滲透在28 ℃時(shí)達(dá)最大，為3.2～4.67 mm。當(dāng)染液溫度為90 ℃時(shí)，不同染料在橫向的滲透性大小為酸性紅GR(Red)>酸性嫩黃G(Yellow)>酸性黑ATT(Black)，而在縱向滲透深度相當(dāng)。由恒溫浸漬法染色中時(shí)間對(duì)染料滲透的影響(圖4)，可以看出，染料的滲透深度隨染色時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則變化。

圖3 恒溫浸漬染色下溫度對(duì)染料均勻滲透深度的影響圖4 恒溫(28℃)浸漬染色下時(shí)間對(duì)染料均勻滲透深度的影響

2.2 真空浸注法對(duì)染料滲透性的影響

真空浸注法是利用木材的多孔性，在木材內(nèi)形成一定的真空度，使染料在真空狀態(tài)下吸入木材中。由常溫真空浸注和恒溫90 ℃處理2 h的滲透效果(圖5)可以看出，不論是縱向還是橫向，染料在真空狀態(tài)下的滲透性均大于恒溫90 ℃狀態(tài)下的滲透性。在真空狀態(tài)下，酸性紅GR、酸性嫩黃G和酸性黑ATT的縱向滲透深度分別為6.18、4.22、2.78 mm，混合染料縱向滲透深度為3.24 mm，比恒溫浸漬法提高2.2～3.0倍；3種染料的橫向滲透深度在真空浸漬下達(dá)1.66 mm以上，比恒溫90 ℃提高2.3～2.8倍。真空處理能夠顯著提高染料在杉木邊材中的均勻滲透深度。

圖5 真空浸注和恒溫(90 ℃)處理對(duì)染色深度的影響

2.3 冷熱交替法對(duì)染料滲透性的影響

圖6 溫度差對(duì)冷熱交替法染色深度的影響

冷熱交替法通過(guò)在木材中形成暫時(shí)的真空將染料溶液吸入木材中，其效果一般介于恒溫浸漬和真空浸漬之間，但無(wú)需真空處理設(shè)備。一般情況下，熱劑和冷劑的溫度差越大，處理效果越好，浸漬時(shí)間越長(zhǎng)，浸漬效果越好。本文主要考察冷劑和熱劑的溫度、交替次數(shù)2個(gè)因素對(duì)處理效果的影響。由圖6可知，溫度差對(duì)縱向滲透性的影響遠(yuǎn)小于對(duì)橫向滲透性的影響；冷熱交替處理能夠大幅度提高染料的橫向滲透性，且溫差越大，滲透性越大。酸性紅GR、酸性嫩黃G、酸性黑ATT、混合染料在90 ℃/0 ℃交替溫度下橫向滲透性比恒溫90 ℃下分別提高2.0、1.6、3.7、1.7倍；混合染料橫向滲透性也與溫度差大小呈正相關(guān)。縱向滲透中，酸性嫩黃G和酸性黑ATT在90 ℃/0 ℃交替時(shí)最大，其余溫度差下滲透性與恒溫90 ℃處理相同時(shí)間的效果相當(dāng)；混合染料縱向滲透性明顯低于單個(gè)染料滲透性，且隨冷熱交替溫度的增加變化無(wú)規(guī)律。

圖7 交替次數(shù)對(duì)酸性染料冷熱交替染色效果的影響

為了進(jìn)一步探索冷熱交替對(duì)染料滲透性的影響，選擇便于調(diào)控的90 ℃/28 ℃固定溫度差，增加冷熱交替次數(shù)，測(cè)試酸性紅GR在縱向和橫向的滲透性，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可以看出，相同染色時(shí)間下，交替次數(shù)的增加能顯著提高染料在縱向和橫向的滲透性。對(duì)于縱向滲透，相同處理時(shí)間下交替處理與90 ℃恒溫處理比較，交替處理的滲透性低于恒溫處理的效果。對(duì)于橫向滲透，交替次數(shù)的增加明顯提高了染料的滲透性，均高于相同浸染時(shí)間下的90 ℃恒溫處理。90 ℃恒溫處理橫向滲透平均深度0.97 mm，相同時(shí)間下90 ℃/28 ℃冷熱交替處理3次平均為1.46 mm，高出0.46 mm。

從木材構(gòu)造方面分析，縱向滲透性主要依靠占其總體積90%以上的管胞及其它軸向組織，熱劑處理后染料進(jìn)入這些組織和細(xì)胞中，排出部分空氣并在冷劑中形成一定的真空度進(jìn)一步吸液。由于縱向滲透主要靠大毛細(xì)管系統(tǒng)，空間大，形成的真空度也有限，在冷劑中的吸液量會(huì)受到限制，因而染液的滲透性可能低于90 ℃恒溫處理的效果。此外，據(jù)報(bào)道，針葉材的管胞兩端無(wú)穿孔，流體從一個(gè)管胞到另一個(gè)管胞必須經(jīng)過(guò)紋孔。因此，冷熱交替對(duì)縱向滲透性的改善具有局限性[4]。橫向滲透路徑主要是細(xì)胞壁上的紋孔和微孔，滲透路徑小，障礙多，尤其是具緣紋孔的通透性對(duì)滲透性影響較大。杉木具緣紋孔有紋孔塞，在一定條件下紋孔塞堵住紋孔口[8-9]。而木材在冷熱交替的染料中處理，可能會(huì)使紋孔膜偏移，紋孔塞偏離紋孔口，也有可能如何盛[5]所報(bào)道的微波處理使紋孔塞緣部位的小孔孔徑增大，從而增加染液的滲透性。另外，有報(bào)道認(rèn)為酸性染料都堆積在木材紋孔中，而木材的導(dǎo)管壁上幾乎沒(méi)有[10]。因而紋孔通透性的變化對(duì)橫向滲透性的影響大于對(duì)縱向滲透性的影響，這也是冷熱交替對(duì)橫向滲透性的影響大于縱向滲透性的可能原因。

3 結(jié)論

本文以杉木邊材為試材，通過(guò)封閉橫斷面或者縱切面，研究杉木邊材在恒溫浸漬法、冷熱交替法和真空浸漬法3種工藝下的縱向、橫向滲透深度性能，以期為杉木邊材的均勻染色奠定一定的基礎(chǔ)，研究結(jié)果如下。

1)恒溫浸漬法染色中染料在杉木邊材中的滲透性均為縱向遠(yuǎn)大于橫向。但是在所選溫度范圍內(nèi)，溫度對(duì)縱向、橫向滲透性具有不同的影響。提高染液溫度，橫向滲透性明顯增加，但縱向滲透性隨著染液溫度的升高反而有所下降。染色時(shí)間對(duì)染料的滲透深度呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則變化，染料滲透性均未隨著染色時(shí)間的增加而增加。

2)真空處理能夠顯著提高染料在縱向和橫向的滲透深度，杉木邊材在常溫真空處理下，染料在橫向滲透深度比恒溫90 ℃下提高2.3～2.8倍，縱向可提高2.2～3.0倍。

3)冷熱交替法對(duì)杉木邊材的染色效果介于恒溫浸漬法和真空浸漬法之間。熱劑與冷劑的溫度差對(duì)縱向滲透性的影響遠(yuǎn)小于對(duì)橫向滲透性的影響。90 ℃/0 ℃冷熱交替1次橫向滲透比恒溫90 ℃提高1.7～2.0倍。此外，交替次數(shù)的增加能提高染料在縱向和橫向的滲透性，但對(duì)橫向滲透性的影響遠(yuǎn)大于縱向滲透性。相同時(shí)間下，增加冷熱交替次數(shù)能夠顯著提高杉木邊材和橫向滲透性。

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Penetration of Dyes into Chinese fir Timber Under Different Dyeing Processes

WANG Yumei，WU Huaping，Nayebare Kakwara Prosper，SUN Fangli

(SchoolofEngineering，ZhejiangAgriculture&ForestryUniversity，Lin′an311300，Zhejiang，China)

Acid dyes are by now the widely applied dyes in wood industry for their rich color and low cost.The dyeing effect is normally closely related to the depth and uniformity of dyes distributed in wood.In order to improve the effect of dyeing，as well as make good use of the abundant domestic fast-grown wood，sapwood of Chinese fir was taken as test material and three kinds of treatments were tested，including constant temperature impregatation，alternated temperature impregnation and vacuum impregnation.The results showed as follows：① Under constant temperature impregnation，the transverse penetration increased with an increased temperature while longitudinal one was the contrary.The deepest penetration in transverse direction was found to be at 90 ℃，0.66～0.94 mm deep，while in longitudinal direction，at，28 ℃，up to 3.2～4.67 mm deep.Reaction time showed irregular influences on the penetration of dyes，neither in transverse direction nor in longitudinal direction.②Under alternated hot and cold treatment，the penetration of dyes was between that of the vacuum impregnation and constant temperature treatment.However，the temperature difference had much greater influence on the transverse penetration than on the longitudinal penetration，during the same time，the increase in alternation times could help improving the transverse penetration of dyes，but reducing the longitudinal penetration.③As regard to vacuum impregnation，both the traverse and longitudinal penetration were among the highest，2.0～3.0 times for example than 90 ℃ boiling for 2 h.

dyeing process；Chinese fir timber；penetration of dyes

2016-10-08；

2016-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(31470587)；浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(Z14C160009)

王玉梅(1989—)，女，山東棗莊人，浙江農(nóng)林大學(xué)碩士研究生，從事木材改性方面研究。E-mail：1192191881@qq.com。

孫芳利，浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院教授，博導(dǎo)，從事木材保護(hù)與功能化改性。E-mail：sun-fangli@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.02.004

TS652

A

1002-7351(2017)02-0019-05