變色木材高效脫色劑及脫色工藝參數優(yōu)選1)

許雅雅 常德龍 胡偉華 黃文豪 張云嶺 謝青

(國家林業(yè)局泡桐研究開發(fā)中心，鄭州，450003)

物體顏色是決定消費者印象最重要的因素，也是產品生產與設計中最生動、最活躍的因素[1]。隨著我國社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對色彩美觀的高檔木制品的需求越來越迫切。自從我國對天然林禁伐以來，天然林木材供應日漸稀少，取而代之的是大量的人工林木材。常見的有東北地區(qū)主要速生用材樟子松、南方的杉木、北方的楊樹、熱帶樹種橡膠木、亞熱帶常綠樹種香樟木以及長江及黃河流域的泡桐等[2-7]。這些人工林木材生長快，生長周期短，成材早，與天然林木材相比，其材質較疏松，材色不均，色調晦暗，在木材加工儲存過程中易發(fā)生變色，污染等，從而降低了木材的出材率和利用率[8]。

木材顏色也是評價木材質量的重要指標之一[9]434-476。木材變色使木材材面或木材產品表面顏色不均勻，深淺不一，大幅度減少木材表面美觀、自然的視覺效果，嚴重影響消費者選購產品的心理取向，降低產品的商品價值和產品價格[10]。針對木材變色防治問題，各國學者相繼進行了研究，取得了一定的成果[8，11-15]。Levitin et al.發(fā)現變色材中的多酚類物質的含量也很高，而且在細胞壁中凝結的多酚類物質不容易用溶劑或漂白劑除掉[15]。常德龍等配置了環(huán)保型木材脫色劑TSBL，對薄木生產中的藍變木材進行漂白，取得了良好的效果[11]，但厚木脫色并未涉及。厚木脫色因受木材滲透性的影響，脫色難，脫色深度有限，脫色不均勻、時間長，現有薄木脫色技術不能滿足生產上厚木脫色工藝要求，要在脫色效率上有進一步的提高，需研究確定更為高效的脫色劑及脫色工藝參數。本研究采用加工中常用的微薄木加工用木材橡膠木、泡桐、樟子松、香樟木等材種的變色木材[2，11，16-20]進行實驗，結合以往的木材變色防治成果[12-13，21-22]，脫色劑除采用生產上常用的H2O2，還設置了TSBL和NaHSO3，同時考慮脫色劑質量分數、溫度、pH值等參數，進行優(yōu)選；并首度將真空處理和加壓處理用于木材脫色中，以期在厚木脫色的脫色深度、脫色時間和脫色速率上，取得突破和提高。

1 材料與方法

橡膠木(Heveaspuceana)，采自海南，木材已發(fā)生紅色變色。泡桐(Paulowniaelongata)，采自河南省蘭考縣固陽鎮(zhèn)。椿木(AilanthusaltissimaSwingleh)，采自河南省漯河木材市場，已發(fā)生藍色變色。香樟木(Cinnamonumcamphora(L.))，采自山東菏澤莊寨木材市場，產地湖南益陽。

脫色劑采用前期優(yōu)選的亞硫酸氫鈉、雙氧水和TSBL脫色劑，所需化學試劑均為化學純，在試劑商店購買。其中TSBL脫色劑按照m(氯氧化劑)∶m(活化劑)∶m(表面活性劑)∶m(EDTA輔助試劑)=(1～20)∶(1～20)∶(0.01～1.00)∶(0.05～1.00)進行配制，其中主成分為含氯氧化劑。

雙氧水，工業(yè)級，鄭州生產。

正交試驗材料，是將4種發(fā)生嚴重藍變木材制成尺寸為50 mm×50 mm×20 mm試件，每個處理5塊，進行脫色劑與工藝條件優(yōu)選；然后，再進行脫色對比試驗，是從同一樹種的木材鋸解一塊試樣進行脫色對照試驗，多次重復。

采用柯尼卡美能達Cr-400色彩色差計對試件進行測試。測定木材不同層面白度(W)。

正交試驗設計：分別將脫色劑類型(A)、處理劑質量分數(B)、處理溫度(C)及pH值(D)作為影響因子，每個因子設定3個水平，考慮交互作用，選擇正交表L27(313)安排脫色試驗，每個處理試驗6片木片，測定木材表面白度(W)，5次重復，綜合研究分析各影響因子。

壓力對脫色效果測定：①木材加入真空加壓罐中，抽真空30 min，加壓脫色5 h，將其它工藝參數設為最優(yōu)，采用0、0.1、0.4、0.7、1.0、1.3、1.6 MPa不同壓力進行實驗，觀測木材脫色深度。②設定TSBL質量分數分別為0.5%、1.0%、3.0%、5.0%，保持pH值不變，常溫常壓下處理10 h，觀察木片脫色效果。③設定不同溫度梯度25、40、50、60 ℃，使用相同質量分數的TSBL為脫色劑，保持pH值為6，處理5 h，觀察木材脫色效果。④設定相同質量分數的TSBL脫色劑，pH值為5.5、6.0、7.0、8.0，常溫常壓下處理10 h，觀測木材脫色效果。

表1 脫色正交試驗因素水平

2 結果與分析

2.1 脫色影響因素

從表2中得知，A×D的交互作用對脫色效果的影響最大，達到極顯著水平，可見不同的pH值水平使不同類型的脫色劑產生的差異是不同的。這是因為各類脫色劑自身性質不同，NaHSO3的水溶液呈酸性，具有強還原性，而H2O2是強氧化劑，其在堿性介質中作用更強，TSBL為含氯氧化劑，其在酸性條件下才能釋放有效氯，不同類型脫色劑的脫色環(huán)境中所需pH值不同。此外，A、B、D各因素的影響也達到了極顯著水平。對比實驗也表明，5%的TSBL藥劑的脫色效果理想，比低質量分數的效果好；pH值達到一定條件后，脫色反應才能進行，對反應起到引發(fā)和促進的作用。C和B×C的交互作用的影響也達到顯著水平，脫色反應為吸熱的氧化還原反應，因此反應溫度直接影響脫色反應效果；當處理溫度和藥劑質量分數均達到一定程度，可以達到理想的脫色效果。

表2 正交試驗結果方差分析

注：F2,14(0.10)=2.73,F4,14(0.10)=2.39，F2,14(0.05)=3.74,F4,14(0.05)=3.11，F2,14(0.01)=6.51，F4,14(0.01)=5.04；*表示顯著，** 表示極顯著。

從表3可以看出，4因素分別以A3、B3、C3、D1水平為好。表4、表5表明，交互作用中，以A3×D1組合、B3×C3組合為最好。綜合各因素及交互作用的影響，得到的最佳方案為A3B3C3D1，即脫色劑為TSBL，質量分數5%，溫度60 ℃，pH值為6時脫色效果最好。

表3 各因素不同水平對白度的影響

表4 A×D交互作用對白度的影響

表5 B×C交互作用對白度的影響

2.2 壓力對脫色深度的影響

從圖1—圖4可以看出，壓力對脫色深度影響明顯，雖不是呈絕對的正相關，但脫色深度隨壓力的增大而增大。在本實驗條件下，隨著壓力增大到1.6 MPa，橡膠木、椿木和香樟木徑向和弦向脫色深度均增加超過14 mm，椿木和香樟木的徑向脫色深度增加了16.6 mm，而泡桐雖滲透性欠佳，但其玄向和徑向滲透深度也都在1 mm的基礎上分別增加到了7.7、8.7 mm。分析其原因主要是壓力使侵填體遭到了破壞[23]，打通了木材內部原本被侵填體堵塞的通道，提高了木材滲透性。其次，加壓使脫色劑更快速更直接地滲透導管、木纖維等縱向組織，并且打通部分閉塞紋孔[24]，使導管間，導管和木纖維間，木纖維間，導管、木纖維和薄壁組織間借助于紋孔相溝通的橫向組織有機連接起來，有效提高木材滲透性，從而增加脫色劑滲透深度，達到更好的脫色效果。

圖1 壓力對橡膠木木材脫色深度的影響

圖2 壓力對泡桐木材脫色深度的影響

圖3 壓力對椿木木材脫色深度的影響

圖4 壓力對香樟木木材脫色深度的影響

2.3 脫色劑質量分數對脫色效果的影響

表6結果顯示：脫色劑TSBL的0.5%藥液對變色沒有效果；1%的藥液對變色有效果，但不能脫出全部變色；3%的藥液脫色效果雖不理想，但可基本脫出；5%的藥液可脫出全部變色，達到理想效果。由此可見，脫色劑的質量分數跟脫色效果有直接關系。TSBL為含氯氧化劑，在本實驗條件下，其質量分數越高，脫色液中+4價的氯的濃度也越高，能夠更有效快速地將CC、CO等發(fā)色基團以及—OH、—COOH、—NH2等助色基團氧化，使脫色反應進行的更加徹底，脫色效果更好；但過高的氯離子濃度可能會改變反應產物，不能達到預期效果，因此并不是脫色劑質量分數越高脫色效果越好。實驗說明，一定質量分數的TSBL脫色劑藥液在適宜條件下，可達到良好的脫出木材變色的效果。

2.4 溫度對脫色效果的影響

從表6中看到，溫度對TSBL脫色劑脫色效果影響明顯，25 ℃對木材變色沒有效果；40 ℃的處理條件對變色有一定的效果，但不能完全脫出；當溫度達到50 ℃時，變色基本脫出；當處理溫度為60 ℃時，可完全脫出變色。這是因為脫色劑脫出木材變色的氧化還原反應是吸熱反應，實驗溫度升高，提供的熱量就更多，脫色反應就進行的更加迅速更加徹底，脫色效果就更好；但過高的溫度容易使木材發(fā)生熱解[25-27]。Sivonen et al.[27]認為半纖維素從180 ℃開始降解，達到200 ℃時自由基含量迅速增加，木質素開始參與熱降解，芳香環(huán)間發(fā)生縮合反應，從而降低木材機械強度[28-29]，對材性造成影響，且高溫易使脫色劑過快分解，喪失脫色劑內有效氯含量，溫度過高，生產成本高，浪費能源。因此脫色溫度應該是合理范圍內的高溫。

2.5 pH值對脫色效果的影響

從表6可知，pH值對變色木材脫色效果影響明顯，當脫色劑處于堿性狀態(tài)時，對木材變色沒有效果；當pH值為7，即中性狀態(tài)時，脫色開始有效果；當pH值繼續(xù)降低，脫色劑為酸性，即H+多時，脫色效果更明顯，反應更徹底。在本實驗條件下，pH值為5.5時，脫色效果理想。從實驗結果可以看出，在酸性條件下TSBL脫色劑才能起作用，這是因為，脫色劑在酸性條件下才能釋放有效脫色物質，堿性條件不能產生，因此H+和HO-離子能夠調控TSBL脫色劑的脫色反應[11]。橡膠木中富含淀粉、糖類和蛋白質[30]，酸性條件易使這些成分水解溶出，進而破壞橡膠木內部真菌和霉菌生存的環(huán)境，減少霉變和真菌變色。苗平等對橡膠木紅變的研究[31]發(fā)現橡膠木本身呈酸性，而這正是其易紅變的內在因素，而用強堿處理會使其變深褐色，無論是酸還是堿都會引起橡膠木的變色，但氧化型脫色劑可以減輕或消除這種紅變。由此看來，脫色溶液pH值主要調節(jié)脫色劑反應性能，與木材自身pH值相關性不大。

表6 TSBL質量分數、溫度、pH值對脫色效果的影響

注：脫色效果中，0代表未脫出；1代表有效果，不能全部脫出；2代表基本脫出，但是不夠徹底；3代表變色全部脫出。

3 結論

正交試驗結果表明：A、B和D及A×D的交互作用對脫色效果的影響均達到極顯著水平；C及B×C的交互作用的影響達到顯著水平。優(yōu)選出的組合方案為A3B3C3D1。

在0～1.6 MPa的壓力梯度下，脫色深度隨壓力的增加而增加。其原理為通過外施壓力破壞侵填體，打通木材細胞間通道及閉塞的紋孔，增加木材滲透性，達到更好的脫色效果。

質量分數為3%以上的TSBL脫色劑溶液即可脫出變色，質量分數越大脫色效果越好；質量分數為5%時可全部脫出變色，脫色劑的使用量跟脫色效果有直接關系。

隨著溫度的升高，在60 ℃時脫除了全部變色。脫色反應為吸熱的氧化還原反應，溫度越高，脫色反應更徹底，脫色效果更好；但過高的溫度容易使木材發(fā)生熱解，并且造成脫色劑過快分解，因此脫色溫度應該是合理范圍內的高溫。

pH值對脫色反應起調控作用。當pH>7，即溶液為堿性時，脫色劑無效；當pH=7時，脫色劑開始反應，產生脫色效果；隨著pH值的降低，脫色效果越來越好，在pH值為5.5時可將變色全部脫除。