溫度對(duì)楊木粉末溫壓成形表面顏色的影響

譚知理，張立強(qiáng)，吳慶定，袁 建，龍治中

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

木質(zhì)粉末溫壓成形技術(shù)可將廢棄木質(zhì)材料粉末制備成高密度、高附加值的新材料。在成形過程中，木質(zhì)素等分子團(tuán)重新發(fā)生擴(kuò)散連接，形成具有較高強(qiáng)度的各向同性木質(zhì)材料。成形過程中未添加潤(rùn)滑劑或膠粘劑等添加物，在后續(xù)的使用過程沒有對(duì)人體有危害的物質(zhì)釋放[1-3]。

物體顏色是影響消費(fèi)者感官的重要因素，能較明顯體現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的特征[4]。溫壓成形過程中，溫度的改變會(huì)導(dǎo)致樣品表面顏色發(fā)生變化。目前，對(duì)溫壓成形樣品表面顏色的研究較少。

本文中采用CIE(1976)L*a*b*系統(tǒng)和傅里葉紅外光譜技術(shù)(FTIR)對(duì)樣品表面顏色和化學(xué)成分進(jìn)行分析，探究成形溫度與表面顏色之間的相互關(guān)系，深入研究成形工藝對(duì)木材顏色變化的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

試件原料為粒徑不超過83 000 nm的楊木粉末80 g，在HX100型壓模機(jī)中壓制成尺寸為128 mm×35 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高)的試件。5種成形溫度分別設(shè)定為120、140、160、180、200 ℃，保溫時(shí)間為30 min，成形壓力為80 MPa。以工藝參數(shù)為100 ℃、30 MPa、10 min成形的試件作為對(duì)照組。各試件的成形條件如表1所示。

表1 各試件的成形條件

將楊木粉末均勻的撒入模具中，調(diào)好預(yù)設(shè)的成形壓力和溫度。在初期升溫階段，模具以2 ℃/min從室溫升至實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值，在保溫30 min后，等其冷卻到室溫時(shí)即可脫模。

1.2 試件檢測(cè)

1.2.1 顏色檢測(cè)

通過國(guó)際委員會(huì)推薦的CIE(1976)L*a*b*標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)對(duì)顏色進(jìn)行表征。其中L*表示明度(0為純黑色，100為純白色，中間為灰色)，a*表示紅綠指數(shù)(紅為正，綠為負(fù))，b*表示黃藍(lán)指數(shù)(黃為正，藍(lán)為負(fù))[5]。利用打印機(jī)的掃描功能將試件表面進(jìn)行掃描得到圖片，將圖片導(dǎo)入Photoshop軟件中，在試件圖片中各取10個(gè)測(cè)色點(diǎn)，測(cè)得該點(diǎn)的L*、a*、b*數(shù)值并記錄，每個(gè)成形條件下的顏色值均為此處理?xiàng)l件下10個(gè)測(cè)色點(diǎn)的平均值[6]。3種顏色參數(shù)計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ΔL*為明度差；Δa*為a*的變化值；Δb*為b*的變化值；ΔE*為總體色差。

1.2.2 紅外光譜檢測(cè)

將試件表面刮下制成粉，選出粒徑不超過75 000 nm的粉末，置于105 ℃干燥烘箱內(nèi)干燥24 h，制備紅外樣品。將(2.3±0.1) mg樣品與(250±2) mg的KBr混合制作測(cè)試壓片。紅外光譜檢測(cè)采用日本島津傅里葉紅外光譜儀IR-1型，掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 表面顏色分析

對(duì)不同成形溫度下試件的表面顏色進(jìn)行測(cè)試，利用色度學(xué)參數(shù)值對(duì)其表面顏色的變化進(jìn)行表征。不同成形溫度下的試件表面顏色如圖1所示，試件在不同成形溫度下壓制成形，表面顏色變化比較明顯。隨著處理溫度的增加，試件表面顏色整體不斷加深，由淺杏色變?yōu)樽厣俚胶稚?，最后炭化成黑色?/p>

圖1 不同成形溫度下試件表面顏色Fig.1 Surface color of test specimens under different forming temperature

不同成形溫度的試件密度如圖2所示，隨著處理溫度的升高，密度呈降低趨勢(shì)，在180 ℃之前密度變化范圍較小，而當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，密度減少較大，說明在此時(shí)試件已經(jīng)完全炭化，導(dǎo)致其中的水分蒸發(fā)較為完全。

圖2 不同成形溫度下的試件密度Fig.2 Density of test specimen under different forming temperature

成形溫度對(duì)試件明度值L*、紅綠色品值a*和黃藍(lán)色品值b*3種顏色參數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可以看出，隨著成形溫度升高，試件明度值L*為逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)成形溫度為120 ℃時(shí)，試件明度值L*為46.4，成形溫度升至200 ℃時(shí)，明度值L*大幅降低至15.4，明度值變化范圍為37.5～79.2%，由曲線的斜率可知當(dāng)成形溫度在160 ℃之前下降速率較快，在160 ℃之后較為緩慢。實(shí)驗(yàn)中試件明度值L*與王喆、Chen等[7-8]研究的木材熱處理后明度值L*的變化趨勢(shì)相似。

圖3 不同成形溫度下3種顏色參數(shù)Fig.3 Three color parameters under different forming temperature

試件的紅綠色品值a*在成形溫度140 ℃之前保持基本不變，140 ℃之后開始大幅度下降，當(dāng)成形溫度為120 ℃時(shí)，試件的紅綠色品指數(shù)a*為8，成形溫度升至200 ℃時(shí)，紅綠色品指數(shù)a*降至-0.8，紅綠色品指數(shù)a*變化范圍53.8%～207.7%。從曲線斜率可知，在120～140 ℃之間，溫度的變化對(duì)表面顏色的紅綠指數(shù)影響較弱。

試件的黃藍(lán)色品指數(shù)b*則表現(xiàn)為減少的變化趨勢(shì)。當(dāng)成形溫度為120 ℃時(shí)，試件的黃藍(lán)色品指數(shù)b*為14.5，成形溫度升至200 ℃時(shí)，黃藍(lán)色品指數(shù)b*降至-1.2，黃藍(lán)色品指數(shù)b*變化范圍22.4%～110.3%，且在180 ℃之后，溫度的增加對(duì)表面顏色的黃藍(lán)色品指數(shù)產(chǎn)生的影響效果減弱。

不同成形溫度下試件的總體色差ΔE*如圖4所示。隨著成形溫度的升高，總體色差ΔE*為逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)成形溫度為120 ℃時(shí)，試件總體色差ΔE*為28.5，成形溫度升至200 ℃時(shí)，總體色差ΔE*大幅升高至60.3，由曲線斜率可知，當(dāng)成形溫度從120 ℃升至180 ℃，試件總體色差的增加幅度漸趨緩慢，180 ℃與200 ℃的總體色差僅相差1.1。

圖4 不同成形溫度下試件的總體色差Fig.4 Overall color difference of test specimen under different forming temperature

2.2 紅外光譜結(jié)果分析

在溫壓成形過程中，楊木粉末的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生改變。相比其他高分子物質(zhì)，半纖維素對(duì)成形溫度更為敏感，隨著成形溫度的升高，半纖維素開始發(fā)生脫乙酰反應(yīng)，生成的乙酸繼續(xù)促進(jìn)脫乙酰反應(yīng)的進(jìn)行，接著是纖維素和木質(zhì)素的降解[9]。

由圖1可知成形溫度對(duì)試件表面顏色的影響。當(dāng)成形溫度為120、160、180 ℃時(shí)，試件的表面顏色變化較為顯著，故選取這3個(gè)溫度條件下的成形試件進(jìn)行紅外光譜分析，以純楊木粉末作為對(duì)照組。

800～4 000 cm-1段純楊木粉和成形后楊木粉的紅外光圖譜如圖5所示。800～4 000 cm-1段純楊木粉末和成形后楊木粉末的紅外光譜特征吸收峰及其歸屬如表2所示。

圖5 純楊木粉和成形后楊木粉的紅外光圖譜Fig.5 Infrared spectra of pure and formed poplar powder

表2 楊木粉末的紅外光譜特征吸收峰及其歸屬

從圖5和表2可以看出，楊木粉末溫壓成形前后在800～4 000 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰位置有些許偏移，吸收峰強(qiáng)度變化顯著。

1 463、1 430 cm-1分別歸屬于甲基C—H彎曲振動(dòng)和苯環(huán)骨架結(jié)構(gòu)結(jié)合C—H鍵振動(dòng)。此處發(fā)生明顯變化，由雙峰合為肩峰，隨著成形溫度的升高，吸光度為最高。峰值強(qiáng)度增加可能是由于溫度升高導(dǎo)致的木質(zhì)素開始軟化和塑化，苯環(huán)側(cè)鏈斷裂使得苯環(huán)骨架相對(duì)增加[11]。

試件成形過程中半纖維素和多糖類物質(zhì)發(fā)生熱降解反應(yīng)，產(chǎn)生更多的羰基和羧基，使得明度值減小；纖維素和木質(zhì)素也發(fā)生部分熱解、氧化反應(yīng)，化學(xué)成分中醌類與酚類物質(zhì)的減少使得紅綠色品指數(shù)和黃藍(lán)色品指數(shù)的減小。試件中發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)的變化最終造成試件顏色的加深[13-15]。

3 結(jié)論

采用CIE(1976)L*a*b*系統(tǒng)和傅里葉紅外光譜技術(shù)(FTIR)對(duì)溫壓成形樣品表面顏色和化學(xué)成分進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1)楊木粉末溫壓成形過程中，成形溫度對(duì)楊木粉末壓制成形的試件的表面顏色影響顯著。溫度的升高使得表面顏色加深，主要體現(xiàn)在明度值L*大幅減小，紅綠色品指數(shù)a*與黃藍(lán)色品指數(shù)b*趨向0值。顏色變化對(duì)溫度的敏感范圍是在180 ℃之前，超過180 ℃木材完全變黑。

2)紅外光譜分析表明，在溫壓成形過程中，試件化學(xué)組分發(fā)生變化。隨著成形溫度的升高，試件中半纖維素含量減小，纖維素和木質(zhì)素相對(duì)含量增大。當(dāng)成形溫度低于200 ℃時(shí)，試件中半纖維素含量變化較纖維素和木質(zhì)素明顯。試件中苯基的增多，使得試件表面顏色有偏黑趨勢(shì)，醌類和酚類物質(zhì)的減少使得表面顏色有偏綠，偏藍(lán)趨勢(shì)，最終造成試件表面顏色的加深。