熱處理對(duì)賽黑樺色空間分布與光澤度的影響*

劉明利 劉明菊 李春風(fēng) 劉彥龍 徐梓朝

自古以來(lái)人們將木材廣泛地應(yīng)用于家具制作和室內(nèi)裝飾。材色是木材表面視覺(jué)性質(zhì)中最為重要的物理特征，而且直接與木制品以及室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)定密切相關(guān)。影響木材顏色的主要因素是木質(zhì)素，因?yàn)槟举|(zhì)素中含有許多如苯環(huán)、羰基、乙烯基和松柏醛基等發(fā)色基團(tuán)，還有與羰基、羧基及以醚鍵結(jié)合的助色基團(tuán)[1]。在熱處理過(guò)程中，木材中生成更多酚類物質(zhì)，使木材顏色加深[2]。材色作為評(píng)價(jià)木材質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]，在一定程度上決定了木材的商業(yè)價(jià)值。采用缺氧高溫改性處理木材，其材色可隨熱處理時(shí)間和熱處理溫度而改變，從而可以模仿珍貴木材，獲得既經(jīng)濟(jì)又美觀的木制品[4-9]。

賽黑樺又稱遼東樺，是一種密度高、干縮變異較大和力學(xué)強(qiáng)度大的重硬木材[10]。筆者采用缺氧高溫改性處理技術(shù)對(duì)賽黑樺木進(jìn)行改性處理，以改善木材顏色指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品品種的多樣化。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

設(shè)備：缺氧高溫改性處理窯：0.4 m3，星楠干燥設(shè)備有限公司；色差測(cè)定儀：CR-410，柯尼卡美能達(dá)有限公司；光澤度測(cè)定儀：MG-268Plus，柯尼卡美能達(dá)有限公司；立式竄動(dòng)磨光機(jī)：MM2617。

試材：賽黑樺（Betula schmidtii），含水率8%～12%；規(guī)格尺寸：3 000 mm×350 mm×30 mm；數(shù)量：18根。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件熱處理

參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)[3,4]及研究團(tuán)隊(duì)利用缺氧高溫改性處理窯處理木材的經(jīng)驗(yàn)[11,12]，確定以熱處理溫度為180、195 ℃ 和 210 ℃，熱處理時(shí)間40、100 min和 160 min作為處理?xiàng)l件，進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)。從室溫開(kāi)始升溫，升溫速率為5 ℃/10 min。在溫度升到試驗(yàn)設(shè)定值（180、195 ℃和210 ℃）后，保持相應(yīng)時(shí)間（分別為40、100 min和160 min）。缺氧高溫改性處理過(guò)程持續(xù)噴入水蒸汽，保證炭化窯內(nèi)氧氣含量控制在3%～5%。降溫采取先用105 ℃水蒸汽汽蒸將溫度降至120 ℃，再自然降溫至40 ℃后出窯。

2.2 色空間及色差測(cè)定

熱處理后，在每根試樣的徑切面上分別標(biāo)定3個(gè)測(cè)色點(diǎn)。為避免木材表面灰塵，以及熱處理后抽提物滲出影響木材顏色測(cè)定，測(cè)定前均將每根試樣的兩個(gè)徑切面刨去0.5 mm厚度，然后用CR-410測(cè)色儀測(cè)定顏色參數(shù)：明度L*、紅綠軸色品指數(shù)a*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*，計(jì)算色差ΔE*。

2.3 光澤度測(cè)定

采用MG-268Plus光澤度測(cè)定儀，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4893.6—1985《家具表面漆膜光澤度測(cè)定方法》，測(cè)量試材徑切面的光澤度。光線的入射方向選擇平行于紋理和垂直于紋理兩個(gè)方向，其光澤度測(cè)量值分別記作GZL（%）和GZT（%）。測(cè)點(diǎn)選擇與木材材色測(cè)量方法一致，即在每根試樣的徑切面上分別標(biāo)定3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)2次，取平均值作為最終數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 處理工藝對(duì)賽黑樺L*、a*、b*色空間分布的影響

從表1可以看出，隨著熱處理溫度的升高，賽黑樺的L*、a*、b*降低,ΔE*增大；從圖1～4 可見(jiàn)，在195 ℃和210 ℃熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間增加，ΔL*、Δa*、Δb*和ΔE*變化幅度較小，表明達(dá)到一定溫度的條件下，賽黑樺的色空間分布趨于穩(wěn)定；而180 ℃熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間增加，賽黑樺的ΔL*和ΔE*增大，而Δa*和Δb*先增加后降低。

表1 熱處理賽黑樺木色空間參數(shù)Tab.1 Color space parameter of heat-treated Betula schmidtii

圖1 明度差ΔL*變化圖Fig.1 The change of ΔL＊

圖2 紅綠軸色品指數(shù)差Δa*變化圖Fig.2 The change of Δa*

圖3 黃藍(lán)軸色品指數(shù)差Δb*變化圖Fig.3 The change of Δb*

圖4 總色差ΔE*變化圖Fig.4 The change of ΔE＊

圖5為正交試驗(yàn)9組熱處理賽黑樺的照相圖。1、2、3窯明度接近；4、5、6窯明度接近，但較前3窯明顯加深；第7、8、9窯明度進(jìn)一步加深。說(shuō)明改性處理材明度主要受處理溫度的影響，處理溫度越高明度值越小，色差增大。主要是因?yàn)殡S熱處理溫度的升高，熱穩(wěn)定性較差的纖維素及半纖維素降解，在木材內(nèi)部發(fā)生氧化聚合等反應(yīng)；另外，木材中的化學(xué)組分在高溫下急劇氧化，導(dǎo)致“深色化”（吸收光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)）和“濃色化”（吸收光譜強(qiáng)度增大）的變色效果。

據(jù)有關(guān)資料顯示，紅木類木材的色空間分布特征：L*為26～47，a*為1～17，b*為1～21，呈暗紅褐色[13]。在該試驗(yàn)中，當(dāng)熱處理溫度為180、195 ℃和210 ℃時(shí)，熱處理后的賽黑樺的L*、a*、b*均在紅木類色空間參數(shù)范圍內(nèi)，因此可以達(dá)到仿珍貴木材的效果。

圖5 熱處理賽黑樺的顏色Fig.5 Surface color of heat-treated Betula schmidtii

3.2 處理工藝對(duì)賽黑樺光澤度的影響

從表2中可見(jiàn)，隨著熱處理溫度的增加，賽黑樺的GZT和GZL降低。GZL變化范圍在9.89%～18.01%；GZT變化范圍在3.73%～6.33%。由表2可知，賽黑樺熱處理材經(jīng)表面打磨處理后，GZL（S）與GZT（S）均有大幅度的提高，說(shuō)明木材表面細(xì)胞腔的反射率與木材的鏡面光澤度呈正相關(guān)，且GZL（S）均大于GZT（S）。這是由于木材組織構(gòu)造上存在各向異性，木材紋理與細(xì)胞的長(zhǎng)軸方向平行。當(dāng)光線順紋理射入時(shí)，一部分光沿細(xì)胞長(zhǎng)軸方向從細(xì)胞內(nèi)折射，一部分沿細(xì)胞外壁折射；當(dāng)光線垂直紋理射入時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度方向，所以光線會(huì)受到細(xì)胞內(nèi)壁的阻擋[14]。

由表2 可以看出，ΔGZT、ΔGZL、ΔGZL（S）和ΔGZT（S）基本隨著熱處理溫度的增加而增大，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，木材表面的孔隙變大，反射率減小，表明熱處理溫度可降低賽黑樺的光澤度。

表2 賽黑樺木光澤度指數(shù)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of glossiness for heat-treatedBetula schmidtii

4 結(jié)論

通過(guò)不同高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件對(duì)賽黑樺木材材色和光澤度的影響，對(duì)比紅木類木材材色與光澤度參數(shù)，得到以下結(jié)論：

1）經(jīng)過(guò)熱處理后，明度值L*、紅綠軸色品指數(shù)a*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*降低，色差ΔE*增大，并且隨著熱處理溫度的升高，變化率增大。

2）經(jīng)過(guò)熱處理后，賽黑樺木的GZL大于GZT。打磨后提高了光澤度。據(jù)資料查得紅木類素材的GZL數(shù)值變化范圍為5.77%～15.02%；GZT數(shù)值變化范圍為4.07%～7.7%[13]。當(dāng)熱處理溫度為195 ℃，熱處理時(shí)間為100 min和160 min，賽黑樺木材的光澤度參數(shù)在紅木類光澤度參數(shù)范圍內(nèi)。

3）在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)改變熱處理溫度，控制木材材色；通過(guò)改變熱處理時(shí)間，微調(diào)木材材色，從而使木材材色達(dá)到相對(duì)可控。

[1] Liu Yi-xing,Li Jian,Wang Jin-man,et al.The Effect of Heat Treatments on Different Species Wood Color[J].Journal of Northeast Forestry University,1994,5(4):73-78.

[2] 史薔,呂建雄,鮑甫成,等.圓盤(pán)豆熱處理材顏色變化及其變化機(jī)理[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2012,40(5):24-28.

[3] 江京輝,呂建雄.高溫?zé)崽幚韺?duì)木材顏色變化影響綜述[J].世界林業(yè)研究,2012,25(1):40-43.

[4] 李家寧,李民,秦韶山,等.高溫?zé)岣男詫?duì)7種國(guó)產(chǎn)闊葉材心邊材顏色的影響[J].木材加工機(jī)械,2012(4):1-5.

[5] 李曉文,李民,秦韶山,等.硼預(yù)處理對(duì)橡膠木熱改性材顏色和力學(xué)性能的影響[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,31(9):65-68.

[6] 李賢軍,蔡智勇,傅峰,等.高溫?zé)崽幚韺?duì)松木顏色和潤(rùn)濕性的影響規(guī)律[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(8):178-182.

[7] 楊少春,王克奇,戴天虹,等.基于L*a*b*顏色空間對(duì)木材分類的研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2007(10):28-30.

[8] 孫龍祥,趙有科,呂建雄,等.熱處理溫度與時(shí)間對(duì)樟子松木材顏色的影響[J].木材工業(yè),2014,28(6):16-19.

[9] 鄧邵平,陳寒?huà)?林金春,等.高溫?zé)崽幚砣斯ち稚寄灸静牡牟纳屯匡椥阅躘J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2010,39(5):484-489.

[10] 孫耀星,戚繼忠,楊庚,等.賽黑樺的構(gòu)造特征和物理力學(xué)性質(zhì)[J].林業(yè)科學(xué),2012,48(2):180-186.

[11] 劉明利,李春風(fēng),劉彥龍,等.缺氧高溫處理材膠合性能[J].林產(chǎn)工業(yè),2015,42(9):14-16,31.

[12] 劉彥龍,唐朝發(fā),劉明利,等.硬雜木缺氧高溫處理仿功能紅木工藝:中國(guó),CN201310552023.9[P].2014-02-19.

[13] 張杰.拉丁美洲紅木類木材識(shí)別特征量化的研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2013.

[14] 陳瀟俐,潘彪.紅木類木材表面材色和光澤度的分布特征[J].林業(yè)科技開(kāi)發(fā),2006,20(2):29-32.