高溫?zé)崽幚韺Φ妄g桉樹木材顏色變化的影響

盧翠香，蔣匯川，劉媛，周維，陸敏，陳健波

高溫?zé)崽幚韺Φ妄g桉樹木材顏色變化的影響

盧翠香，蔣匯川，劉媛，周維，陸敏，陳健波

(廣西林業(yè)科學(xué)研究院 國家林業(yè)和草原局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002)

以低齡桉樹木材為研究對象，過熱蒸汽為傳熱介質(zhì)，在處理溫度170、190、210℃，恒溫時(shí)間2、3、4 h，升溫速度10、15、20℃·h的條件下對其進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚芯胯駱淠静脑诓煌瑹崽幚項(xiàng)l件下的顏色變化。結(jié)果表明，隨著處理溫度升高、恒溫時(shí)間延長、升溫速度減慢，處理材的明度值降低，紅綠指數(shù)提高，色相值和色差值有不同程度降低，黃藍(lán)指數(shù)和色飽和度有不同程度的變化。處理溫度對木材顏色指標(biāo)有顯著影響，3個(gè)因素對木材顏色影響程度依次為：處理溫度>恒溫時(shí)間>升溫速度。

熱處理；低齡桉樹木材；顏色變化

我國森林資源匱乏，實(shí)施天然林保護(hù)工程后，人工林速生材的開發(fā)利用成為緩解木材供需矛盾的重要途徑。桉樹()是全球生長最快的闊葉樹種之一，是我國南方發(fā)展速生豐產(chǎn)林的戰(zhàn)略樹種。桉樹木材用途廣，可用于制漿造紙、板材制造、家具建筑等。但桉樹木材存在易開裂變形，滲透性差且材色淺，色差大等問題，使其在應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。木材顏色是評價(jià)木材表面視覺特性的一個(gè)重要物理性質(zhì)，也是木制品加工增值的重要影響因子。同時(shí)，材色既是決定消費(fèi)者印象和產(chǎn)品生產(chǎn)與設(shè)計(jì)中的重要因素。顏色淺的木材給人明快、活潑的感覺，而顏色深的木材給人典雅、深沉和高貴的精神感受。對于木材產(chǎn)品，特別是室內(nèi)外家具、建筑用材的外觀特性來說，材色既要美觀、均勻，又要能夠保證它的裝飾效果和使用功能。

高溫?zé)崽幚硎且运羝?、惰性氣體或空氣、熱油或水等為傳熱介質(zhì)在160 ~ 250℃高溫條件下對木材進(jìn)行改性處理，在改善木材尺寸穩(wěn)定性、耐腐性的同時(shí)，改變木材表面顏色，賦予木材紅木或深色名貴木材的特征，提高產(chǎn)品附加值，并且降低木材色差，使外觀顏色趨于統(tǒng)一。曹永建等對尾葉桉()進(jìn)行高溫?zé)岣男蕴幚?，發(fā)現(xiàn)處理時(shí)間的延長和處理溫度的升高，木材色差和色相差逐漸增大，色飽和度差值逐漸減小，處理溫度和時(shí)間均對木材顏色變化有顯著影響。丁濤等探索白蠟?zāi)静纳恼{(diào)節(jié)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致處理材色度指標(biāo)發(fā)生變化的原因是熱處理使木素中的羰基等發(fā)色基團(tuán)數(shù)量發(fā)生變化。孫祥龍等研究發(fā)現(xiàn)明度變化是造成樟子松()木材顏色差異的最重要因素，隨著處理溫度的升高和時(shí)間的延長，木材發(fā)色團(tuán)的比重增大，對可見光的吸收增強(qiáng)，最終導(dǎo)致木材顏色變深，明度降低。

本試驗(yàn)采用過熱蒸汽介質(zhì)熱處理方法，對低齡桉樹板材進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，探討熱處理工藝對木材顏色的影響，以期獲得優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)，為低齡桉樹木材有效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采用7年生的尾巨桉(×)木材，原木檢尺徑>16 cm，鋸解成規(guī)格為800 mm × 25 mm(厚)×自然寬的弦切板。板材先進(jìn)行常規(guī)窯干干燥至含水率為12%左右。

1.2 方法

熱處理方法參照文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)行，每個(gè)處理選取5塊處理材，加工成規(guī)格為15 cm × 40 cm × 2.5 cm樣品，共45塊。樣品放入恒溫恒濕箱(溫度20℃，相對濕度65%)調(diào)節(jié)至平衡含水率。在達(dá)到平衡含水率的板材的上中下3個(gè)部位的無缺陷處取3個(gè)點(diǎn)，分別標(biāo)記1、2、3。根據(jù)國際照明委員會(huì)CIE(1976)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)理論，利用愛麗舍全自動(dòng)測色色差計(jì)測量每一塊樣木的顏色值，，，飽和度色差，并記錄，如圖1所示。

圖1 材色測定

2 結(jié)果與分析

2.1 木材顏色變化

由圖2可知，經(jīng)熱處理后的木材顏色加深，從淺黃白色向深褐色轉(zhuǎn)變；同時(shí)素材的心邊材材色差異較大，熱處理后桉樹木材心邊材色差減小，材色更均勻。

圖2 熱處理木材及素材的顏色對照

2.2 明度值L＊

素材的明度均值為79.79(表1)，隨著處理溫度的升高和恒溫時(shí)間的增加，熱處理材的明度值有不同程度降低。隨著升溫速度的加快，熱處理材的明度值呈增加趨勢。發(fā)生這一變化的原因可能是隨著處理溫度的升高，木材的半纖維素發(fā)生較劇烈的分解，纖維素和木質(zhì)素在產(chǎn)生的甲酸、乙酸等酸性物質(zhì)催化下也發(fā)生部分熱解，加之有機(jī)物質(zhì)的揮發(fā)等原因，導(dǎo)致木材的明度降低。

由表1還可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟?、恒溫時(shí)間、升溫速度。因此，保持明度值最優(yōu)的工藝為ABC，即處理溫度為170℃，恒溫時(shí)間為2 h，升溫速度為10℃·h。

由表2可知，處理溫度、恒溫時(shí)間和升溫速度對熱處理材的明度值影響極顯著。三因素對木材明度值影響程度依次為：處理溫度>恒溫時(shí)間>升溫速度。因此，通過控制處理溫度、恒溫時(shí)間和升溫速度能較好的控制所生產(chǎn)的熱處理材的明度值。

表1 熱處理材及素材明度值測試結(jié)果及極差分析

表2 熱處理材明度值方差分析

注：**表示差異在0.01水平上顯著。

2.3 紅綠指數(shù)a＊

由表3可知，素材的紅綠指數(shù)均值為7.44，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，桉樹木材的紅綠指數(shù)均有不同程度的提高。工藝4(190℃，2 h，15℃·h)的紅綠指數(shù)值最大，比素材提高了72.31%。隨著處理溫度的升高和恒溫時(shí)間的增加，熱處理材的紅綠指數(shù)均呈先增加后降低趨勢。隨著升溫速度的加快，熱處理材的紅綠指數(shù)均呈先減小后增加。

紅綠指數(shù)正值越大表示越偏向紅色，紅色彰顯喜慶、高貴，為人們喜愛。因此，紅綠指數(shù)指標(biāo)數(shù)值大則優(yōu)。由表3可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟?、恒溫時(shí)間、升溫速度。因此，提高紅綠指數(shù)的最優(yōu)工藝為ACB，即處理溫度為190℃，恒溫時(shí)間為3 h，升溫速度為10℃·h。

方差分析表明(表4)，處理溫度對熱處理材的紅綠指數(shù)的影響極顯著，升溫速度對其影響顯著，恒溫時(shí)間對其影響不顯著。三因素對木材紅綠指數(shù)影響程度依次為：處理溫度>升溫速度>恒溫時(shí)間。

表3 熱處理材及素材紅綠指數(shù)測試結(jié)果及極差分析

表4 熱處理材紅綠指數(shù)方差分析

注：**和*分別表示<0.01、<0.05，下同。

2.4 黃藍(lán)指數(shù)b＊

由表5可知，素材的黃藍(lán)指數(shù)均值為21.52，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅に?、工藝5和工藝6外，其余工藝熱處理材的黃藍(lán)指數(shù)均有不同程度的降低。工藝9(210℃，4 h，15℃·h)的黃藍(lán)指數(shù)值最小，比素材降低了31.51%。隨著處理溫度的升高，處理材黃藍(lán)指數(shù)值先增加后降低；隨著恒溫時(shí)間增加，處理材黃藍(lán)指數(shù)值逐漸降低；隨升溫速度的加快，處理材黃藍(lán)指數(shù)值先降低后增加。

黃藍(lán)指數(shù)正值越大表示越偏向黃色，黃色彰顯喜慶、高貴，為人們所喜愛。由表5可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>R，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟?、恒溫時(shí)間、升溫速度。因此，提高黃藍(lán)指數(shù)的最優(yōu)工藝為ABC，即處理溫度為190℃，恒溫時(shí)間為2 h，升溫速度為20℃·h。

處理溫度、恒溫時(shí)間和升溫速度對熱處理材的黃藍(lán)指數(shù)的影響極顯著(表6)。三因素對木材黃藍(lán)指數(shù)影響程度依次為：處理溫度>恒溫時(shí)間>升溫速度。

表5 熱處理材及素材黃藍(lán)指數(shù)測試結(jié)果及極差分析

表6 熱處理材黃藍(lán)指數(shù)方差分析

2.5 色相DH＊

素材的色相值均值為15.68(表7)，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，桉樹木材的色相值均有不同程度的降低。工?(170℃，4 h，20℃·h)的色相值下降最大，比素材下降了42.47%。隨著處理溫度的升高、恒溫時(shí)間增加，熱處理材的色相值先增加后降低。隨著升溫速度的加快，處理材的色相值先降低后增加趨勢。A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟取⑸郎厮俣?、恒溫時(shí)間。

方差分析表明(表8)，處理溫度對熱處理材的色相值的影響極顯著；升溫速度對其影響顯著；恒溫時(shí)間對其影響不顯著。三因素對木材色相值影響程度依次為：處理溫度>升溫速度>恒溫時(shí)間。

2.6 色飽和度C＊

由表9可知，素材的色飽和度均值為22.93，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅駱淠静牡纳柡投染胁煌潭鹊淖兓?。工?(210℃，4 h，15℃·h)的色飽和度最低，比素材降低了22.76%。隨著處理溫度的升高, 熱處理材的色飽和度呈先增加后減少趨勢；隨著恒溫時(shí)間的增加，處理材色飽和度呈逐漸降低趨勢；隨著升溫速度的加快，處理材色飽和度呈先減少后增加趨勢。A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟?、恒溫時(shí)間、升溫速度。因此，提高色飽和度的最優(yōu)方案為ABC，即處理溫度為190℃，恒溫時(shí)間為2 h，升溫速度為10℃·h?？梢猿浞掷脽崽幚砉に噷︻伾挠绊懀鶕?jù)木制品需要，改變其美學(xué)特征，即選擇合適的工藝，對一些淺色的木材進(jìn)行熱處理，使其顏色的凝重高貴，可以用便宜的木材來取代貴重和高級的木質(zhì)材料，從而提高其附加值。

方差分析表明(表10)，處理溫度、恒溫時(shí)間和升溫速度對熱處理材的色飽和度的影響極顯著；三因素對木材色飽和度影響程度依次為：處理溫度>恒溫時(shí)間>升溫速度。

表7 熱處理材及素材色相值測試結(jié)果及極差分析

表8 熱處理材色相方差分析

表9 熱處理材及素材色飽和度測試結(jié)果及極差分析

表10 熱處理材色飽和度方差分析

2.7 色差△E

由表11可知，素材的色差值均值為32.16，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，低齡桉樹木材的色差均有不同程度的降低。工藝9(210℃，4 h，15℃·h)的色差下降最大，比素材降低了69.19%。隨著處理溫度的升高、恒溫時(shí)間增加，熱處理材的色差均呈降低趨勢；隨著升溫速度的加快，熱處理材的色差逐漸增加。經(jīng)熱處理后，桉樹木材色差變小的原因可能為：(1)隔條與木材的接觸部位跟熱處理木材的表面有顏色差異，即熱處理過程中的隔條造成的木材表面的顏色不均勻；(2)熱處理過程中木材心邊材的熱處理程度不一致，邊材部分顏色加深，與心材顏色相近。

由表11還可知，A因素列：>>，B因素列：>>，C因素列：>>，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因?yàn)?>，因素從主到次的順序?yàn)樘幚頊囟?、恒溫時(shí)間、升溫速度。為使熱處理后桉樹木材的色差值變化率最小，則應(yīng)選用的最佳工藝為：熱處理溫度為170℃，熱處理時(shí)間為2 h，升溫速度為20℃·h；色差值變化率最大的工藝為：熱處理溫度為 210℃，熱處理時(shí)間為4 h，升溫速度為10℃·h。

方差分析表明(表12)，處理溫度和恒溫時(shí)間對熱處理材的色差影響極顯著；升溫速度對其影響顯著。三因素對木材色差影響程度依次為：處理溫度>恒溫時(shí)間>升溫速度。

表11 熱處理材及素材色差值測試結(jié)果及極差分析

表12 熱處理材色差方差分析

3 結(jié)論

(1)經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，桉樹木材的明度值均有不同程度降低，變幅范圍?5.90 ~ 63.97；桉樹木材的紅綠指數(shù)均有不同程度提高，變幅范圍為9.66 ~ 12.82；桉樹木材的黃藍(lán)指數(shù)大部分有不同程度降低，變幅范圍為14.74 ~ 22.34。

(2)隨著處理溫度的升高、恒溫時(shí)間的延長、升溫速度的減慢，熱處理材的明度值降低；熱處理材顏色偏向紅色，即紅綠指數(shù)提高。處理溫度和升溫速度對影響極顯著或顯著；恒溫時(shí)間對值值影響極顯著，對值影響不顯著。

(3)經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，桉樹木材的色相值有不同程度降低，變幅范圍?.02 ~ 12.06。處理溫度對熱處理材的色相值的影響極顯著；升溫速度對其影響顯著；恒溫時(shí)間對其影響不顯著。

(4)經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，桉樹木材的色差值有不同程度降低，變幅范圍?.91 ~ 34.14。處理溫度和恒溫時(shí)間對熱處理材的色差影響極顯著；升溫速度對其影響顯著。

(5)經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅駱淠静牡纳柡投染胁煌潭鹊淖兓?，變幅范圍?7.71 ~ 25.79。熱處理溫度對熱處理材的色飽和度的影響極顯著；恒溫時(shí)間、升溫速度對其影響不顯著。

[1] 謝耀堅(jiān).我國木材安全形勢分析及桉樹的貢獻(xiàn)[J].桉樹科技,2018,35(4):3-6.

[2] 盧翠香,江濤,劉媛,郭東強(qiáng),等.桉樹木材滲透性的影響因子及其改善方法的研究進(jìn)展[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2017,37(5):214-220.

[3] 史薔,呂建雄,鮑甫成,等.圓盤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.

[4] 徐有明.木材學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2006.

[5] 馬偉.高溫?zé)崽幚砺淙~松仿珍貴材顏色及漆膜附著力的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2017.

[6] 李賢軍,蔡智勇,傅峰,等.高溫?zé)崽幚韺λ赡绢伾蜐櫇裥缘挠绊懸?guī)律[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(8):178-182.

[7] 曹永建,李興偉,王頌,等.高溫?zé)崽幚韺ξ踩~桉木材顏色的影響[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué),2018,34(1):18-20.

[8] 丁濤,彭文文,李濤.基于FT-IR和XPS的熱處理白蠟?zāi)静纳兓瘷C(jī)理[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,2(5):25-30.

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

[10] 盧翠香,鄧紫宇,郭東強(qiáng),等.高溫?zé)崽幚淼妄g桉樹木材力學(xué)性能分析[J].桉樹科技,2019,36(4):16-21.

[11] 盧翠香,周維,劉媛,等.高溫?zé)崽幚韺Φ妄g桉樹木材密度的影響[J].廣西林業(yè)科學(xué),2019,48(4):490-496.

Effects of High Temperature Heat-treatment on Color Variance in YoungTimber

LU Cuixiang, JIANG Huichuan, LIU Yuan, ZHOU Wei, LU Min, CHEN Jianbo

(,)

timber was heat treated to temperatures of 170℃,190℃ or 210℃for durations of 2 h, 3 h or 4 h, and subject to heating rates of 10℃·h, 15℃·hor 20℃·husing superheated steam as the heating medium. The color variance after different heat treatment conditions was then evaluated. The results showed that as、anddecrease,increases butanddid not show significant changes, compared to untreated wood. The treatment temperature had a significant effect on subsequent wood color, and the order of the three factors on wood color was as follows: treatment temperature > constant temperature time > heating rate.

dry heat treatment; eucalyptus wood; color variance

10.13987/j.cnki.askj.2021.02.002

S781.69

A

廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題“熱改性桉木表面顏色調(diào)控工藝及機(jī)理研究”(2019-B-02-01)；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目“桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)集成示范推廣”(〔2019〕TG 21號(hào))

盧翠香(1982— )，女，高級工程師，主要從事木材科學(xué)研究，E-mail：48002809@qq.com

陳健波(1964— )，男，教授級高級工程師，主要從事森林培育研究，E-mail：2283764019@qq.com