熱處理木材的材色變化研究概述

成真　劉迎濤

摘要

通過對(duì)近年來熱處理木材材色變化的研究，總結(jié)出了熱處理引發(fā)木材材色變化的機(jī)理，闡述了熱處理過程中處理設(shè)備和處理?xiàng)l件、處理溫度和時(shí)間、木材內(nèi)部抽提物等因素對(duì)木材顏色變化的影響，分析了熱處理帶來的木材材色變化對(duì)木制品加工和物理性能檢測(cè)的意義，最后提出了木材熱處理后關(guān)于顏色變化研究存在的一些問題和材色研究的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 熱處理；木材材色；材色變化；溫度

中圖分類號(hào) S781.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）15-174-03

Review on the Color Change of Heattreated Wood

CHENG Zhen， LIU Yingtao

（Key Laboratory of Biobased Material Science and Technology of Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract The recent researches on the color change of heattreated wood were reviewed. In this paper the causes of the wood color change during heat treatment were revealed and the main factors leading to the color change were analyzed， including the equipment， conditions， temperature， time and wood extractives. The color change of heattreated wood also contributes to wood machining and discovering physical properties of wood. It also brings the problems of the researches on the color change after heat treatment and the trend of development on color change in this paper.

Key words Heat treatment； Color of wood； Color change； Temperature

熱處理是一種能有效改善木材理化性能的方法。在水蒸氣、空氣、惰性氣體、熱油等傳熱介質(zhì)中，對(duì)木材進(jìn)行160～250 ℃條件下的處理，從而降低木材的吸濕性，提高其生物耐久性和尺寸穩(wěn)定性，能有效地提高木材品質(zhì)。20世紀(jì)90年代以來，隨著優(yōu)質(zhì)木材資源的減少，世界范圍內(nèi)開始探索如何高效地利用木材資源，芬蘭、法國(guó)、荷蘭、德國(guó)等木材工業(yè)發(fā)達(dá)的歐洲國(guó)家，木材熱處理生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并被投入到成熟的工業(yè)化應(yīng)用是出現(xiàn)了Thermowood，Retification，Le Bois Perdure，PLATO process，Oil Treated 5種代表性且在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用的工藝方法[1]。

芬蘭的Thermowood熱處理木材工藝是在處理環(huán)境中充入水蒸氣，將含氧量控制在3%～5%以下，溫度控制在180～250 ℃，分為升溫階段、熱處理階段和冷卻平衡階段。法國(guó)的Retification熱處理工藝則是將木材置于氮?dú)馓幚硎抑?，將木材緩慢加熱?10～240 ℃，通過超高溫、無氧環(huán)境下的熱處理，使木材的吸濕性明顯降低，提高了它的尺寸穩(wěn)定性[2]。法國(guó)的Le Bois Perdure熱處理方法則是將生材在空氣介質(zhì)下加熱到220～240 ℃，利用生材本身在加熱過程中揮發(fā)出的水蒸氣作為蒸汽介質(zhì)，從而達(dá)到熱處理的目的。荷蘭的PLATO process采用的處理工藝與一般方法有所不同，傳熱介質(zhì)為水、蒸汽，處理過程包括預(yù)處理和再干燥2個(gè)階段：先將生材或氣干材在160～190 ℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行處理，使木材含水率漸漸達(dá)到較低水平（約10%），再將預(yù)干燥過的產(chǎn)品再次加熱至170～190 ℃，從而得到所需含水率的干燥木材。德國(guó)的Oil Treated木材熱處理則是在熱油（植物原油）介質(zhì)中進(jìn)行的，將木材浸置于裝有植物原油的特殊處理罐中，加熱溫度為180～220 ℃，熱油能完全阻隔氧氣，它的熱傳遞效率也比空氣高，用這種方法處理后的木材耐久性好，力學(xué)強(qiáng)度降低小[3]。

熱處理不僅能改變木材的物理性質(zhì)，還能導(dǎo)致木材發(fā)生顏色上的變化，熱處理后的木材顏色變深，通常變?yōu)闇\褐色或深褐色，總體明度降低，顏色均勻柔和，視覺舒適，顏色穩(wěn)定[4]。日常生活經(jīng)驗(yàn)表明，產(chǎn)品顏色是決定消費(fèi)者印象的重要因素。顏色淺的木材通常給人一種明快、活潑的感覺，而顏色深的木材往往能給人一種典雅、深沉和高貴的精神感受。該文通過對(duì)近年來熱處理木材顏色變化研究的總結(jié)，闡述了木材熱處理導(dǎo)致木材顏色變化的機(jī)理、影響因素以及研究熱處理木材材色變化的意義。采用CIE（1976）L*a*b*均勻色空間系統(tǒng)來衡量木材顏色的變化（L*為明度指數(shù)、a*為紅綠軸色品指數(shù)、b*為黃藍(lán)軸色品指數(shù)、明度差為△L*、總體色差為△E*、色飽和度為C*、色相為H*）。

1 熱處理木材顏色變化的機(jī)理

木材的顏色變化是由一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過程所導(dǎo)致的，根本原因是木材中基本發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)的增加和減少。其中一方面是由于木材本身具有顯色作用的木質(zhì)素或抽提物（如色素、單寧和樹脂等）在高溫下發(fā)生了變化，導(dǎo)致木材變色；另一方面則是木材中的組分，如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等在加熱過程中產(chǎn)生的降解產(chǎn)物含有發(fā)色基團(tuán)或助色基團(tuán)，也能引起木材顏色的變化。

1.1 木材抽提物變色機(jī)理

木材在較低溫度下加熱時(shí)，木材內(nèi)部的水分緩緩向外移動(dòng)，酚類、黃酮類化合物等水溶性抽提物也會(huì)隨著木材內(nèi)的水分移動(dòng)而聚集在木材表面，促使木材表面顏色變化；隨著熱處理溫度的進(jìn)一步升高，木材中的酚類化合物形成的有色物質(zhì)在高溫下受空氣氧化也能發(fā)生變色[5]。瑞典的SshlstedtPersson M研究了松樹和云杉的汁液和熱抽提物的顏色反應(yīng)，認(rèn)為木材中的樹脂和抽提物的結(jié)構(gòu)變化是引起木材顏色變化的原因[6]。高建民等[7]探討了三角楓在加熱干燥過程中的變色機(jī)理，認(rèn)為在一定的溫度和濕度條件下，三角楓中的多元酚物質(zhì)以及色素和單寧發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致其中的苯環(huán)、酚羥基等發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)發(fā)生變化，使三角楓變色。

1.2 半纖維素變色機(jī)理

半纖維素是木材細(xì)胞壁中的無定形物質(zhì)，支鏈多，不穩(wěn)定，在高溫（一般在150 ℃以上）作用下容易發(fā)生分解，生成醋酸以及酚類化合物，酚類化合物中往往帶有發(fā)色基團(tuán)。隨著處理溫度的進(jìn)一步升高，木材中的多糖組分易發(fā)生水解反應(yīng)，加熱前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其紅外光譜圖中1 740 cm-1處的吸收峰顯著降低，這表明加熱后木材組分中羰基的含量降低，生成的羧基含量增加[8]。

1.3 纖維素和木質(zhì)素變色機(jī)理

醋酸環(huán)境對(duì)纖維素和木質(zhì)素的分解或結(jié)構(gòu)變化可以起到促進(jìn)催化的作用，促使這一過程循環(huán)發(fā)生，產(chǎn)生的發(fā)色物質(zhì)不斷增多，從而導(dǎo)致了木材宏觀顏色上的變化。同時(shí)，木材中的木質(zhì)素在180 ℃以上時(shí)發(fā)生降解，β醚鍵發(fā)生均裂，生成自由基[9]。而自由基的性質(zhì)極不穩(wěn)定，非常容易與相鄰分子相互作用，產(chǎn)生鏈傳遞和終止反應(yīng)，生成相對(duì)穩(wěn)定的過氧化物，最后過氧化物在高溫下分解為有色化合物，使木材變色[7]。Mitsui[10]研究了針葉材和闊葉材經(jīng)過熱處理后在相同光照條件下的變色情況，發(fā)現(xiàn)針葉材比闊葉材的變色程度大，但差異不明顯，這是木質(zhì)素含量的不同導(dǎo)致的。

2 熱處理中影響木材材色變化的因素

2.1 處理設(shè)備和處理?xiàng)l件對(duì)木材材色的影響

木材熱處理的設(shè)備多種多樣，采用的處理設(shè)備不同，得到的木材顏色的變化也不盡相同。以對(duì)水曲柳熱處理為例，李濤等[11]在185 ℃工藝條件下，將水曲柳置于小型實(shí)驗(yàn)室用干燥窯和生產(chǎn)型熱處理窯中分別進(jìn)行處理，得到的材色L*，a*，b*，ΔE*數(shù)據(jù)顯示，在2種試驗(yàn)中，明度指數(shù)L*存在差異，分別為53.69和51.06，而色度指數(shù)a*，b*上沒有明顯的差異，ΔE*為2.67，屬于人眼感覺稍明顯的范圍。Thermowood 熱處理工藝采用水蒸氣為處理介質(zhì)，處理后的木材，顏色呈褐色至深褐色，木材降解產(chǎn)物主要是乙酸、甲酸、少量的酚類化合物，處理材的質(zhì)量主要取決于處理溫度[12]。而經(jīng)過熱油工藝處理的木材，低溫條件處理下的木材顏色會(huì)變成淺褐色，高溫條件處理下的木材顏色為深褐色，2種處理?xiàng)l件下的木材顏色區(qū)別明顯，處理后的木材具有油煙味[3]。對(duì)日本柳杉等樹種進(jìn)行的高壓蒸汽處理研究表明木材材色的變化程度與處理時(shí)間和壓力有顯著的關(guān)系，延長(zhǎng)處理時(shí)間和升高壓力都可以獲得較大的色差[13]。

2.2 溫度和時(shí)間對(duì)木材材色的影響

木材在高溫加熱處理時(shí)，隨著處理溫度的升高，木材中的木素和半纖維素發(fā)生降解，分解出新的化學(xué)組分參與化學(xué)變色反應(yīng)，而且隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)，反應(yīng)的程度不同也會(huì)導(dǎo)致顏色變化不同。以熱處理扭葉松（Pinus contorta）木材為例，在高溫?zé)峥諝馓幚砟静臅r(shí)，控制反應(yīng)室中氧氣濃度小于 2%。當(dāng)高溫?zé)崽幚頃r(shí)間相同，處理溫度為180、200和220 ℃ 時(shí)，L*值分別下降了7.93、13.02和23.13；當(dāng)高溫?zé)崽幚頊囟群愣?，熱處理時(shí)間為1、2和3 h時(shí)，L*值分別下降了12.21、16.50和2465[14]。可見隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，L*值逐漸降低，△L*的絕對(duì)值隨著溫度和時(shí)間的增加而增加，木材顏色偏黑；在同一處理溫度下，a*值和b*值起初都有所增加，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)都有所下降，變化的趨勢(shì)基本相同[15]。將巨桉木在140、170、200、230 ℃下進(jìn)行熱處理，處理時(shí)間分別為3、5、7 h，Zanuncio[16]記錄了這不同溫度和時(shí)間下L*、a*、b*數(shù)值的變化，發(fā)現(xiàn)L*值從140 ℃開始下降，a*值在140 ℃處理5 h后才開始下降，b*、C*和H*從170 ℃才開始變化，通過數(shù)據(jù)得出溫度對(duì)木材材色的影響大于時(shí)間對(duì)它的影響，對(duì)加熱處理?xiàng)l件最敏感的材色參數(shù)是明度指數(shù)L*。

2.3 抽提物等化學(xué)成分對(duì)木材材色的影響

在熱處理過程中，木材中的抽提物（如色素、單寧和樹脂等）也參與了木材顏色變化的反應(yīng)[17]。表現(xiàn)在同種木材的心、邊材在相同熱處理?xiàng)l件下顏色變化的差異和不同樹種在同種熱處理?xiàng)l件下的顏色差異。唐榮強(qiáng)[18]在對(duì)杉木心邊材進(jìn)行高溫?zé)崽幚頃r(shí)發(fā)現(xiàn)，熱處理?xiàng)l件相同時(shí)，杉木的心材和邊材會(huì)表現(xiàn)出不同的顏色差異，而杉木邊材的酸溶木質(zhì)素含量高于心材，心邊材中木質(zhì)素含量和抽提物含量的差異導(dǎo)致了顏色的不同。曹燕燕[19]發(fā)現(xiàn)在熱處理?xiàng)鳂鍟r(shí)，邊材的ΔE*較心材的增長(zhǎng)幅度大；隨著溫度的逐漸升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，處理材的L*值和心材部分b*值持續(xù)降低，而邊材部分的b*值逐漸增大，a*值也逐漸增大。發(fā)生這種變化是因?yàn)闂鳂逯械某樘嵛锖枯^高，其中大部分是黃酮類和多酚類物質(zhì)，它們的酚羥基或取代基在加熱過程中被氧化，原有的發(fā)色體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致楓樺顏色加深。

除了以上這些主要因素以外，處理過程中的空氣介質(zhì)和濕度等條件也會(huì)影響木材的顏色變化。如王潔瑛[20]在對(duì)杉木壓縮木熱壓高溫處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在處理溫度和時(shí)間相同的情況下，對(duì)在空氣介質(zhì)中和真空中熱處理后的試材相比，前種方法處理后的試材明度更小，色差更大，說明了氧氣在這一反應(yīng)過程中發(fā)揮了作用。

3 熱處理木材材色變化的發(fā)展前景

3.1 仿名貴材材色成為可能

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