輕度炭化工藝對木材顏色及尺寸穩(wěn)定性的影響

屠心微， 王佳楠， 徐廣琳， 劉新有

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

木材作為一種可再生的環(huán)境友好型資源，因其具有紋理美觀、易加工及高強(qiáng)度比等優(yōu)點(diǎn)，對人類的生產(chǎn)生活起著重要的作用[1]。然而木材作為一種天然生物質(zhì)原料，本身存在許多不足之處。木材內(nèi)含有許多礦物質(zhì)成分及多種小分子有機(jī)物，因此抗蟲蟻、抗腐蝕能力差；木材化學(xué)組分結(jié)構(gòu)中含氫基團(tuán)較多，容易受環(huán)境中水分的影響，導(dǎo)致木材使用時的尺寸穩(wěn)定性、外形尺寸發(fā)生變化。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響著人類對木材的使用[2]。

20世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人口數(shù)量的劇增，使人類對木材資源的需求不斷增加，加劇了木材資源供需矛盾[3]。因此，開發(fā)新技術(shù)和新方法合理改良木材，擴(kuò)展木材的使用范圍，使其更好地應(yīng)用到人類的生產(chǎn)生活中是木材科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一[4-8]。木材炭化是提高木材尺寸穩(wěn)定性最常用、最有效的方法，但木材炭化后的顏色明顯變深[9-12]。筆者提出輕度炭化工藝探索既提高木材尺寸穩(wěn)定性又能盡量保持木材原有顏色的木材炭化工藝，研究木材炭化過程中尺寸穩(wěn)定性與顏色的變化關(guān)系，豐富木材熱處理相關(guān)理論，為其他相關(guān)的研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

白蠟?zāi)?FraxinusexcelsiorL)、白橡木(QuercusAlba)，成都阡橫陌縱裝飾公司提供。試件尺寸為20 mm ×20 mm×20 mm(弦向×徑向×軸向)，150個/樹種(無缺陷)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)箱(9425A(RT+10 ℃)-300 ℃)；恒溫恒濕試驗(yàn)箱(DHS-100 0-150 ℃ RH=3%～98%)；高溫鼓風(fēng)干燥箱(BPG-9050AH，溫度范圍(RT+20 ℃)-400 ℃)；電子天枰(精度0.000 1 g)；150 mm游標(biāo)卡尺(精度 0.001 mm)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 輕度炭化工藝

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1931-2009將試件放置在(103±2) ℃的高溫鼓風(fēng)干燥箱中至試件為絕干，在絕干試件中挑選出無開裂、結(jié)疤和其他缺陷且三切面方正的120個/樹種試件進(jìn)行編號。為區(qū)別樹種取L、X(兩個材種首字母)作為代號，為區(qū)別熱處理工藝取“0”、“1”、“2”和“3”依次代表素材(未處理)、140 ℃、160 ℃和180 ℃處理工藝。處理時間為2 h和4 h。試件編號見表1。

1.3.2 木材顏色檢測

顏色是評價木材質(zhì)量最為直觀的標(biāo)準(zhǔn)。材料顏色變化通常采用國際照明委員會CIE-L*a*b*色彩系統(tǒng)來量化顏色變化。采用HP-2136便攜式色差儀記錄木材炭化處理前后的顏色差異，每組15個試件，在每個試件的徑切面上測量2次，總計30次，計算其平均值。按以下公式計算木材的顏色變化：

表1 試件編號

1.3.3 尺寸穩(wěn)定性檢測

本試驗(yàn)采用濕脹率和平衡含水率表征測試木材的尺寸穩(wěn)定性變化。根據(jù)GB/T 1934.2-2009《木材濕脹性測定方法》的要求，將試件在60 ℃條件下的高溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥4 h后，在溫度為(103±2)℃條件下將試件烘至絕干，獲得絕干質(zhì)量和尺寸(長度×寬度×厚度)。將絕干試樣置于恒溫恒濕箱中進(jìn)行平衡處理，設(shè)定溫度為20 ℃，相對濕度(RH)為65%，待試件吸濕平衡后測量其質(zhì)量和尺寸。濕脹率的計算公式為：

式中：a為木材的濕脹率；Lw為吸濕后木材的線性尺寸(包括軸向、徑向和弦向)；L0為絕干時木材的線性尺寸(包括軸向、徑向和弦向)。

纖維飽和點(diǎn)(FSP)下的木材含水率對木材尺寸穩(wěn)定性有很大的影響，在獲得木材濕脹率后，計算木材平衡含水率。平衡含水率指的是木材在一定空氣狀態(tài)(溫度、相對濕度)下最后達(dá)到的吸濕或穩(wěn)定平衡時的含水率，通常用EMC來表示。計算公式如下：

式中：EMC為平衡含水率(%)；m為試件在溫度為20 ℃、相對濕度(RH)為65%條件下含水率達(dá)到平衡狀態(tài)后的質(zhì)量(g)；m0為試件絕干質(zhì)量(g)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輕度炭化工藝對木材顏色的影響

炭化處理是提高木材尺寸穩(wěn)定性的基本和普遍的方法，但也影響木材的顏色。本試驗(yàn)使用的木材都是淺顏色木材，白蠟?zāi)?、白橡木輕度炭化前的初始顏色如圖1所示，從圖1可以看出L*數(shù)值較大，白橡木的顏色比白蠟?zāi)旧睢?/p>

經(jīng)不同炭化工藝處理后，三種木材的顏色都有變化，表2為炭化處理后木材顏色的變化。當(dāng)木材炭化處理時間為2 h，處理溫度為 140 ℃、160 ℃、180 ℃時，白蠟?zāi)镜腖*值分別下降了1.85、3.46、9.08；白橡木的L*值分別下降了2.08、4.02、9.26；當(dāng)木材炭化處理時間為4 h，處理溫度為 140 ℃、160 ℃、180 ℃時，白蠟?zāi)镜腖*值分別下降了3.39、9.17、11.64；白橡木的L*值分別下降了4.89、7.56、12.08。在炭化時間相同的條件下，隨著炭化處理溫度的升高，即使材種不同，木材的明度L*值都呈下降的趨勢。在炭化處理溫度相同的條件下，隨著炭化時間的增長，即使材種不同，木材的明度L*值也都呈下降的趨勢。Δa*和Δb*的值在炭化處理后都有增加但變化不明顯。

圖1 白蠟?zāi)竞桶紫鹉据p度炭化前的初始顏色

表2 炭化處理后木材顏色的變化

試驗(yàn)表明顏色的變化與材種、處理溫度及處理試件有關(guān)。圖2為白蠟?zāi)驹谔幚頃r間2 h、不同溫度處理后顏色的變化，圖3為白橡木在處理時間2 h、不同溫度處理后顏色的變化。從圖2和圖3可以看出，在炭化時間相同的情況下(2 h)，隨著炭化溫度的升高，木材的明度ΔL*值呈逐漸下降趨勢，白蠟?zāi)久鞫认陆?.85～9.08，白橡木明度下降2.08～12.08。在炭化時間不變的情況下，色度指數(shù)Δa*和Δb*變化隨處理溫度的升高呈上升趨勢，但數(shù)值變化不大。ΔL*和ΔE的變化曲線基本上關(guān)于X軸對稱，說明在木材熱處理過程中，顏色變化集中表現(xiàn)在ΔL*的變化上。

處理時間對木材顏色變化影響較大。圖4為白蠟?zāi)驹?40 ℃、160 ℃和180 ℃溫度下處理2 h和4 h顏色的比較，圖5為白橡木在140 ℃、160 ℃和180 ℃溫度下處理2 h和4 h顏色的比較。從圖4和圖5可以看出，在炭化溫度相同的情況下，隨著炭化時間的延長，木材明度ΔL*的絕對值增加，且隨著炭化溫度的提高和炭化時間的延長，ΔL*的絕對值增加幅度越加明顯。在炭化溫度不變的情況下，色度指數(shù)Δa*和Δb*變化隨炭化時間的延長逐漸增加。紅綠軸色品指數(shù)Δa*上升幅度不如黃藍(lán)軸色品指數(shù)Δb*上升幅度明顯，Δa*值增加表示木材顏色變化向紅色移動，Δb*值增加表示木材顏色變化向黃色移動。ΔE(總體色差值)在溫度相同的情況下，隨著炭化時間的延長呈明顯增加，此變化趨勢表明木材顏色逐步加深。

圖2 白蠟?zāi)咎幚頃r間2 h、不同溫度處理后顏色的變化

圖3 白橡木處理時間2 h、不同溫度處理后顏色的變化

圖4 白蠟?zāi)咎幚頃r間2 h和4 h、不同溫度處理后顏色的變化

圖5 白橡木處理時間2 h和4 h、不同溫度處理后顏色的變化

圖6 不同工藝處理后白蠟?zāi)竞桶紫鹉灸静摩的變化

圖6為經(jīng)不同工藝處理后白蠟?zāi)竞桶紫鹉灸静念伾兓的比較。從圖6可以看出ΔE隨炭化溫度的提高和炭化時間的延長，ΔE值逐漸增大，炭化木材顏色逐步加深，表明ΔE與炭化時間和炭化溫度具有相關(guān)性。

2.2 輕度炭化工藝對尺寸穩(wěn)定性的影響

白蠟?zāi)竞桶紫鹉窘?jīng)不同炭化工藝前后三個方向上的濕脹率比較見表3。輕度炭化后木材三個切面上的濕脹率都有不同程度的下降，木材在弦切面上的濕脹率最大，分別為白蠟?zāi)?.87%和白橡木3.11%；軸向濕脹率最小，在0.75%～0.89%之間。濕脹率隨處理溫度和處理時間的增加而降低，即尺寸穩(wěn)定性提高。其中，炭化工藝為140 ℃、2 h時，白蠟?zāi)鞠蚁驖衩浡式档?0.59%；炭化工藝為180 ℃、4 h時，白蠟?zāi)鞠蚁驖衩浡式档?2.04%。

表3 炭化處理后濕脹率的變化

輕度炭化處理后白蠟?zāi)竞桶紫鹉酒胶夂实淖兓姳?。平衡含水率是指木材在某一環(huán)境下吸收和解吸的水分相等，即木材達(dá)到平衡狀態(tài)。白蠟?zāi)竞桶紫鹉灸静脑?0 ℃、相對濕度為65%環(huán)境下的平衡含水率分別為12.384%和12.444%。與濕脹率的變化相同，木材的平衡含水率隨著處理溫度和處理時間的增加而降低，這可能是因?yàn)槟静闹邪肜w維素的降解使得木材中游離羥基數(shù)量減少，進(jìn)而尺寸穩(wěn)定性提高。

表4 輕度炭化處理后平衡含水率的變化

3 結(jié)論與建議

對白蠟?zāi)竞桶紫鹉緝煞N淺色木材進(jìn)行輕度炭化處理，研究輕度炭化對木材顏色和尺寸穩(wěn)定性的影響，通過試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

(1)白蠟?zāi)竞桶紫鹉灸静脑谔炕箢伾加兴兓伾兓S炭化溫度和炭化時間的增加越加明顯。

(2)白蠟?zāi)竞桶紫鹉灸静念伾兓€中ΔL*和ΔE的曲線基本上關(guān)于X軸對稱，說明顏色變化主要表現(xiàn)為明度L*的變化。

(3)處理后木材的濕脹率及平衡含水率都有所下降，以濕脹率及平衡含水率評價木材尺寸穩(wěn)定性，處理溫度140～160 ℃、處理時間為2～4 h，木材尺寸穩(wěn)定性提高約20%。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)論，筆者推薦炭化工藝為處理溫度140～160 ℃、處理時間2～4 h。該處理工藝可以提高木材尺寸穩(wěn)定性20%左右，且炭化后木材顏色變化較小。