NaOH預(yù)處理對(duì)楊木活性染料染色效果的影響

鐘 楊 ，喻勝飛 ，劉 元 ，李賢軍 ，羅武生

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

NaOH預(yù)處理對(duì)楊木活性染料染色效果的影響

鐘 楊a，喻勝飛a，劉 元a，李賢軍a，羅武生b

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以楊木為研究對(duì)象，采用單一因素法研究了浴比、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間及NaOH溶液濃度4個(gè)預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)活性染料在預(yù)處理后楊木中染色效果的影響規(guī)律，并且用SEM表征了預(yù)處理前后的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：NaOH可以溶解楊木導(dǎo)管中大量的抽提物，大幅度地改善木材的紋孔結(jié)構(gòu)；隨著浴比、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間、NaOH溶液濃度的增大，活性染料在楊木中的上染率和固色率均呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律；當(dāng)楊木經(jīng)過浴比為1: 40，預(yù)處理溫度為80℃，預(yù)處理時(shí)間為8 h，NaOH溶液濃度為2 g/L的預(yù)處理工藝處理后，楊木對(duì)其的上染率（簡(jiǎn)稱E）和固色率（簡(jiǎn)稱F）均達(dá)到最大值，E為 60.43%，F(xiàn)為59.36%，與活性染料上染未經(jīng)過NaOH預(yù)處理的木材時(shí)的E為34.58%，F(xiàn)為31.47%相比，E最大可提高74.75%，F(xiàn)最大可提高88.62%。

預(yù)處理；楊木；上染率；活性染料

楊木是我國(guó)非常重要的人工林速生樹種，因具有生長(zhǎng)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、種植面積大等優(yōu)勢(shì)[1]已成為重要的工業(yè)用材，但由于其密度較低、材質(zhì)較差以及材色單調(diào)等缺點(diǎn)[2]使得其使用價(jià)值大大降低，染色是最常見的木材加工方式[3]，經(jīng)染色的木材不僅擁有天然木材的優(yōu)點(diǎn)，還可以進(jìn)行珍貴木材的模擬。染色過程是染料分子在木材中滲透、吸附并固著的過程[4]，改善木材的滲透性是提高木材染色效果的關(guān)鍵。NaOH預(yù)處理法由于具有對(duì)抽提物溶解較徹底、加工成本低、對(duì)木材力學(xué)性能損害小且廢水易處理的優(yōu)點(diǎn)，是目前較常見的化學(xué)預(yù)處理方法[5]。美國(guó)學(xué)者M(jìn)antanis G I和Young R A[6]發(fā)現(xiàn)用NaOH浸漬木材時(shí)，與木材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使木材發(fā)生潤(rùn)脹，改變木材的化學(xué)組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響NaOH流體在木材中的滲透。成佳琪[7]通過化學(xué)預(yù)處理用于泡桐制備可發(fā)酵還原糖的研究發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉預(yù)處理的潤(rùn)脹作用能有效提高纖維原料的孔隙度。王永貴和岳金權(quán)[8]發(fā)現(xiàn)楊木NaOH浸漬溫度、氫氧化鈉濃度、木塊試樣厚度和含水率均能影響滲透效果。這些僅針對(duì)NaOH預(yù)處理對(duì)浸漬液在木材中滲透性的影響進(jìn)行了研究，而未直接對(duì)染料在木材中的上染率、固色率進(jìn)行研究。鄧洪等[9]對(duì)活性染料在楊木單板中的上染率進(jìn)行了研究，未研究木材預(yù)處理對(duì)活性染料在木材中的上染率和固色率。因此，開展關(guān)于NaOH預(yù)處理對(duì)木材活性染料染色效果的影響研究是十分有意義的。本文以楊木為研究對(duì)象，經(jīng)NaOH預(yù)處理后，進(jìn)行活性染料染色，以活性染料在處理后楊木中的上染率、固色率作為NaOH預(yù)處理效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探討了浴比、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間及NaOH溶液濃度對(duì)楊木活性染料染色效果的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材 料

木材：楊木鋸材（規(guī)格，100 mm×50 mm×5 mm；產(chǎn)地，湖南益陽）

化學(xué)試劑：NaOH（化學(xué)純），Na2SO4（化學(xué)純），Na2CO3（化學(xué)純），十二烷基苯磺酸鈉LABSA（化學(xué)純）。

染料：活性紅M-3BS（天津中巖化工廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

楊木NaOH預(yù)處理法：將木材置于70～80℃烘箱中烘干，稱取一定質(zhì)量的木塊在水浴比為1∶20～1∶120、溫度為40～100℃、NaOH溶液濃度為1～6 g/L的環(huán)境下預(yù)處理2～10 h，經(jīng)水洗、干燥后進(jìn)行染色處理。

楊木活性染料染色方法：將預(yù)處理后的木塊放入浴比為1∶40，濃度為0.5%活性紅M-3BS染液中，添加40 g/L Na2SO4溶液，于80℃恒溫水浴鍋中染色3 h后，加入20 g/L Na2CO3溶液固色0.5 h，將染后木材用1 g/L LABSA皂洗液于70℃皂洗0.5 h，將皂洗后的木材水洗、干燥，得染色木材。具體染色工藝如圖1所示。

圖1 木材活性染料染色工藝曲線Fig.1 Dyeing technique of wood with reactive dyes

1.3 表 征

1.3.1 楊木微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

SEM測(cè)試采用日本日立SU8000電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌，工作電壓15 kV，工作電流10 μA。

1.3.2 上染率E的測(cè)定

用UV-2802PCS紫外可見分光光度計(jì)（尤尼柯儀器有限公司）通過波長(zhǎng)掃描確定活性紅M-3BS的最大吸收光波長(zhǎng)，并在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定每個(gè)染浴中染液的吸光度，用公式（1）計(jì)算上染率：

式（1）中：E是上染率（又稱竭染率）；An是染色殘液的吸光度，Nn是染色殘液的稀釋倍數(shù)；A0是空白染液的吸光度，N0是空白染液的稀釋倍數(shù)。

1.3.3 固色率的測(cè)定

將染色后的試樣經(jīng)過皂洗和水洗后，除掉了活性染料在木材纖維上的浮色，用公式（2）計(jì)算固色率：

式（2）中：F是固色率；A2是染色殘液和皂洗液和水洗液合并后的染液吸光度，N2是染色殘液和皂洗液和水洗液合并后的染液的稀釋倍數(shù)；A0是空白染液的吸光度，N0是空白染液的稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaOH預(yù)處理對(duì)楊木微觀結(jié)構(gòu)的影響

NaOH不僅可抽出水溶性物質(zhì)，還可溶出部分木素、聚戊糖、聚己糖、樹脂酸、聚糖類、果膠質(zhì)、以及單寧、色素等多酚類物質(zhì)[10]，這些NaOH抽提物常粘附在導(dǎo)管壁以及導(dǎo)管與導(dǎo)管之間間隙，堵塞紋孔，致使染液橫向擴(kuò)散通道堵塞，傳質(zhì)阻力過大，傳質(zhì)速率較小。由圖2（a）可知，楊木預(yù)處理前導(dǎo)管壁上的紋孔周圍被大量抽提物所包圍、遮蓋，紋孔大部分處于封閉或半封閉狀態(tài)；經(jīng)過NaOH預(yù)處理后，抽提物幾乎全被溶解，紋孔幾乎全部被打通（圖2（b）所示）。因此，NaOH溶液能夠較大程度地打通被阻塞的傳質(zhì)通道，使染液在木材中的擴(kuò)散、滲透順暢。

2.2 浴比對(duì)染色效果的影響

固定預(yù)處理溫度為80℃，預(yù)處理時(shí)間為6 h，NaOH濃度為4 g/L，考察浴比對(duì)楊木活性染料上染率和固色率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖2 未經(jīng)處理（a）與NaOH處理（b）楊木的SEMFig.2 SEM images of the untreated poplar(a) and the poplar pretreated with NaOH(b)

圖3 浴比對(duì)NaOH預(yù)處理?xiàng)钅救旧Ч挠绊慒ig.3 The effect of liquor ratio on the dyeing effects of poplar wood pretreated with NaOH

由圖3可知，上染率和固色率先隨著浴比的增加而增加，而后又逐漸減小，然后又變化不明顯，在浴比為1∶40時(shí)，上染率和固色率達(dá)到最大值，此時(shí)E=60.5%，F(xiàn)=59.3%。由于浴比較小時(shí)，水分向木材內(nèi)部不斷地滲透，導(dǎo)致濃差極化現(xiàn)象越顯著，因此NaOH處理效果不佳；當(dāng)浴比達(dá)到1∶40后，隨著浴比的增大，NaOH占據(jù)原由抽提物占據(jù)的主要滲透通道（紋孔、導(dǎo)管以及導(dǎo)管與導(dǎo)管之間的胞間隙等），使得染料分子向木材內(nèi)的的滲透過程較緩慢且NaOH對(duì)纖維素分子與染料分子之間形成的共價(jià)鍵有一定的水解作用，因此，當(dāng)浴比＞1∶40時(shí)，NaOH對(duì)楊木的處理效果反而變差。

2.3 預(yù)處理溫度對(duì)染色效果的影響

固定浴比為1∶40，預(yù)處理時(shí)間為6 h，NaOH濃度為4 g/L，考察預(yù)處理溫度對(duì)楊木活性染料上染率和固色率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)處理溫度對(duì)NaOH處理?xiàng)钅救旧Ч挠绊慒ig.4 The effect of preprocessing temperature on the dyeing effects of poplar wood pretreated with NaOH

由圖4可知，上染率和固色率先隨著溫度的升高而增大，當(dāng)達(dá)到80℃后，又隨著溫度的升高而降低。這是由于溫度升高，NaOH向木材內(nèi)部滲透速率增大、部分水溶性的抽提物溶解度增加以及能溶于NaOH的抽提物的溶解能力增強(qiáng)，當(dāng)T升至80℃后，高溫可能使木材內(nèi)部失去大量的結(jié)合水，從而使木材內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至坍塌，且大量NaOH占據(jù)染料分子滲透通道，因此當(dāng)溫度較高時(shí)，反而不利于NaOH對(duì)楊木的處理。所以預(yù)處理溫度80℃時(shí)，楊木的上染率和固色率最大，E為60.5%，F(xiàn)為59.5%。

2.4 預(yù)處理時(shí)間對(duì)染色效果的影響

由于流體在固、液兩相之間的傳輸以及抽提物的溶出等需要時(shí)間，因此固定浴比為1:40，預(yù)處理溫度為80℃，NaOH濃度為4 g/L，考察預(yù)處理時(shí)間因素能影響活性染料在NaOH預(yù)處理?xiàng)钅局械娜旧Ч?，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，E與F的值均增大，即NaOH處理?xiàng)钅具^程的效果變好；當(dāng)t=8 h時(shí)，處理效果達(dá)到最佳，E=60.0%，F(xiàn)=58.5%，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，NaOH不斷地通過相界面進(jìn)入木材內(nèi)部，溶解抽提物，減小流體傳輸阻力，逐漸打通流體傳質(zhì)通道；當(dāng)t＞8 h時(shí)，隨著時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，NaOH處理效果逐漸變差，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是NaOH替代抽提物占據(jù)染料分子傳質(zhì)通道，傳質(zhì)阻力變大且一定濃度NaOH對(duì)纖維素分子與染料分子形成的共價(jià)鍵具有一定的水解作用，因此NaOH處理時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

圖5 預(yù)處理時(shí)間對(duì)NaOH處理?xiàng)钅救旧Ч挠绊慒ig.5 The effect of preprocessing time on the dyeing effects of poplar wood pretreated with NaOH

2.5 NaOH溶液濃度對(duì)染色效果的影響

由于在不同的NaOH溶液濃度下，OH-的擴(kuò)散速率不同且其對(duì)抽提物的溶解作用的能力也不同，因此固定浴比為1∶40，預(yù)處理溫度為80℃，預(yù)處理時(shí)間8 h，考慮NaOH濃度對(duì)活性染料染色效果的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NaOH溶液濃度對(duì)NaOH處理?xiàng)钅救旧Ч挠绊慒ig.6 The effects of NaOH concentration on the dyeing effects of poplar wood pretreated with NaOH

由圖6可知，隨著濃度C的增大，NaOH處理效果逐漸變好；當(dāng)C=2 g/L時(shí)，處理效果達(dá)到最佳，E=60.2%，F(xiàn)=58.5%；隨著濃度增大，NaOH的擴(kuò)散速率不斷增大，且NaOH溶解抽提物的能力不斷增強(qiáng)（包括抽提物的量以及抽提物的種類）；當(dāng)C＞2 g/L時(shí)，隨著濃度繼續(xù)增大，NaOH處理效果逐漸變差，由于NaOH濃度增大，濃差極化現(xiàn)象越顯著，傳質(zhì)阻力變大，且在濃度較大時(shí)，木材內(nèi)部殘留的NaOH量較多，對(duì)活性染料分子與纖維素分子結(jié)合作用的抑制能力越強(qiáng)，NaOH對(duì)木材內(nèi)部傳質(zhì)通道的破壞作用增強(qiáng)，因此使用NaOH處理時(shí)需要選擇2 g/LNaOH濃度。

3 結(jié) 論

NaOH預(yù)處理可以改善楊木的紋孔結(jié)構(gòu)以及活性染料染色效果。楊木在經(jīng)過浴比為1∶40，預(yù)處理溫度為80℃，預(yù)處理時(shí)間為8 h，NaOH溶液濃度2 g/L的較優(yōu)預(yù)處理工藝處理后，活性染料對(duì)其染色的上染率和固色率分別達(dá)到60.43%和59.36%，與活性染料上染未經(jīng)NaOH預(yù)處理的楊木上染率和固色率34.58%和31.47%相比，E最大可提高74.75%，F(xiàn)最大可提高88.62%。

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Effect of NaOH pretreatment on poplar dyeing with reactive dyes

ZHONG Yanga, YU Sheng-feia, LIU Yuana, LI Xian-juna, LUO Wu-shengb
(a. College of Materials Science and Engineering; b.College of Electrical and Mechanical Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Effects of liquor ratio, preprocessing temperature, processing time and NaOH concentration on poplar dyeing with reactive dyes was investigated by a single factor and the microstructure of treated and untreated poplar was characterized by SEM in this research. The result show that 1) NaOH solution can dissolve varieties of extracts in poplar ducts and improve the permeability of wood drastically; 2)with the increasing of liquor ratio, preprocessing temperature, time and NaOH concentration, the exhaustion rate and fi xation rate both rose fi rst and fell later, they both reached the peak when liquor ratio was at 1:40, processing temperature was at 80℃,time was at 8 h and NaOH concentration was at 2 g/L, in which The exhaustion rate was 60.43% and fi xation rate was 59.36%, compared with untreated one where the exhaustion rate was 34.58% and the fi xation rate was 31.47%, The exhaustion rate was risen extremely by 74.75% and the fi xation rate was risen extremely by 88.62%.

pretreatment; poplar wood; exhaustion rate; reactive dyes

S792.11

A

1673-923X(2016)06-0103-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.021

2015-07-13

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201304509）；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（15A197）

鐘 楊，碩士研究生

喻勝飛，副研究員，博士；E-mail：yushengfei503@sina.com

鐘 楊，喻勝飛，劉 元，等. NaOH預(yù)處理對(duì)楊木活性染料染色效果的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(6):103-106.

[本文編校：吳 彬]