熱處理及注蠟對紫光檀顏色和吸水性能的影響

楊 航

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

紫光檀(Dalbergiamelanoxylon)又稱東非黑黃檀、黑檀，是豆科黃檀屬木材，國標黑酸枝木，主要產(chǎn)自非洲東部。其木材加工后，色澤、觸感似犀牛角，又稱犀牛角紫檀。紫光檀密度高達1.3 g/cm3，材質(zhì)堅硬、滑潤，切面打磨后形成的包漿非常亮麗，是制作紅木家具和工藝品的良好材料。

紫光檀密度大、內(nèi)含物多，干燥困難，制作的家具及木制品容易出現(xiàn)變形、開裂、離縫等現(xiàn)象，而木材的材性對家具的設(shè)計及制造非常重要[1-2]。常規(guī)干燥是獲得木材優(yōu)質(zhì)材性的重要方法，對于紅木等抽提物含量高、滲透性較差的木材，一些特殊干燥方式不僅能夠獲得理想的干燥質(zhì)量還能提高效率[3-7]。其中高頻真空干燥已經(jīng)在深色名貴硬木的干燥上展開應(yīng)用[8-9]，但一些木材需要進行特殊的改性處理才能獲得更加穩(wěn)定的性能[10-11]，滿足家具結(jié)構(gòu)設(shè)計及生產(chǎn)工藝的要求[12-13]。

熱處理和注蠟處理是環(huán)境友好的木材改性處理方法，能夠有效地改善木材穩(wěn)定性。本文以紫光檀為試件，對其進行熱處理及熱處理+注蠟聯(lián)合處理，研究處理方式對木材顏色及吸水性能的影響，為紫光檀家具及工藝品質(zhì)量提升進行改性實踐探索。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

紫光檀方才，規(guī)格為300 mm(L)×25 mm(T)×25 mm(R)，由福建仙游德古家具有限公司提供，初含水率約為12 %，氣干密度為1.31 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)備

蒸汽熱處理箱：星楠器械制造有限公司生產(chǎn)；恒溫恒濕箱(DF-HWJS-100)：南京德孚試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)；恒溫鼓風干燥箱(DHG-9643BS-III)：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司生產(chǎn)；電子天平(FA2004，精度0.01 g)：上海精密儀器有限公司生產(chǎn)；數(shù)顯游標卡尺(精度0.01 g)：日本三豐公司生產(chǎn)；至尊電子秤(HY-809B)；顏色檢測儀器(RM200-PT01，潘通色彩儀器)。

1.3 試驗方法

1.3.1 蒸汽熱處理及注蠟處理

熱處理及注蠟處理條件見表1。熱處理前將所有試件烘干至絕干，并測量其弦徑向尺寸，然后按照表1工藝進行熱處理及注蠟處理。熱處理為蒸汽介質(zhì)保護，處理過程分為升溫、保溫、冷卻三個階段。100 ℃前，升溫速度為20 ℃/h；超過100 ℃后，升溫速度為15 ℃/h，升溫至130 ℃，保溫30 min；然后直接升溫至所需試驗溫度，開始計時并按表1維持熱處理條件，熱處理結(jié)束后停止加熱，待溫度降至50 ℃后取出試件，再次測量其重量和尺寸。

表1 熱處理及注蠟處理條件

熱處理后將150 ℃及180 ℃ 3 h處理材再進行注蠟處理，處理條件見表1，注蠟溫度為120 ℃，時間為48 h。

1.3.2 失重率

熱處理將導致木材質(zhì)量損失，重量減少，其失重率按公式(1)計算。

ML=100%×(Mo-Mh)/Mo

(1)

式中：ML為失重率(%)；Mo為試件絕干質(zhì)量(g)；Mh為試件熱處理后質(zhì)量(g)。

1.3.3 顏色變化

利用色差儀測量熱處理及注蠟處理前后木材中5個檢測點的顏色值L、a、b，總色差ΔE按公式(2)計算。

(2)

1.3.4 吸水性

木材的吸水性是反映其尺寸穩(wěn)定性的重要參數(shù)，本研究利用吸水增重率來表征其吸水性及尺寸穩(wěn)定性。吸水增重率按公式(3)計算。將熱處理及注蠟處理后試件加工成20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)，烘至絕干后稱重，然后沉入蒸餾水中進行吸水，每隔24 h測量重量，利用8天吸水率評價其吸水性能。

MC=100%×(M1-Mo)/Mo

(3)

式中：MC為吸水率(%)；M1為試件吸水后質(zhì)量(g)；Mo為試件絕干質(zhì)量(g)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱處理對紫光檀失重率的影響

圖1是熱處理溫度和時間對紫光檀木材失重率的影響。由圖1可知，溫度和時間是影響木材失重率的主要因素，失重率隨溫度的升高和時間的延長而增加。但不同溫度條件下處理時間對失重率的影響不同。150 ℃時，熱處理5 h的增重率是1 h的2倍，而180 ℃時則是1.2倍。表明高溫條件下，處理時間對失重率的影響變?nèi)酰瑴囟仁侵饕绊懸蛩?。此外，在相同處理時間內(nèi)，短時間內(nèi)處理溫度對木材的失重率影響大，其中1 h內(nèi)，180 ℃處理木材的失重率是150 ℃的1.9倍，短時間內(nèi)處理溫度對失重率影響顯著。

圖1 溫度和時間對紫光檀失重率的影響

2.2 熱處理及注蠟處理對紫光檀顏色變化的影響

表2是熱處理后木材顏色變化統(tǒng)計。L，A，B分別表示物體顏色的色度值(顏色的色空間坐標)。ΔL正值表明顏色明度比標準偏亮，負值明度偏暗；ΔA正值表明顏色比標準偏紅，負值顏色偏綠；ΔB正值表明顏色比標準偏黃，負值顏色偏藍。ΔE是總色差，表明顏色總體變化值。由表2可知，熱處理后紫光檀的ΔL均為負值，表明處理后明度變暗。但隨處理時間的延長，其明度變暗程度減小。ΔA和ΔB的變化規(guī)律不明顯。總體色差ΔE的變化規(guī)律與ΔL類似，總色差隨熱處理時間的延長而變小，溫度越高其變化越小。這個現(xiàn)象不同于以往研究，主要是因為紫光檀自身顏色過暗，熱處理后其顏色變化與其他樹種不同。由于紫光檀顏色過暗，注蠟處理后木材的顏色參數(shù)變化不明顯，本研究只分析熱處理對木材顏色的影響。

表2 熱處理前后木材顏色變化參數(shù)

2.3 熱處理及注蠟處理對紫光檀吸水性的影響

紫光檀熱處理后吸水增重率隨溫度和時間的變化如圖2所示。由圖2可知，吸水增重率隨溫度的升高及處理時間的延長而降低。150 ℃時，熱處理5 h比1 h降低30%，180 ℃時則降低了59%；180 ℃/5 h熱處理比150 ℃/5 h降低了46%，表明熱處理溫度比時間對吸水增重率影響明顯。紫光檀木材經(jīng)熱處理后木材的吸水能力變?nèi)?，表明熱處理能夠有效改善木材的吸水和吸濕性，有利于提高木材的尺寸穩(wěn)定性[14-16]。

圖2 熱處理及注蠟處理對紫光檀吸水增重率的影響

石蠟為優(yōu)良的憎水劑，能夠有效地阻止水分滲透入木材。由圖2可知，熱處理注蠟后其吸水增重率分別為熱處理5 h試件的26%(150 ℃)和32%(180 ℃)，木材經(jīng)注蠟后其吸水增重率明顯下降，表明注蠟處理能夠有效抑制木材吸水，進而防止其產(chǎn)生變形，有效提高木材的尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)溫度與時間是木材失重率的重要影響因素。低溫時處理時間對失重率影響顯著，短時間內(nèi)處理溫度對木材的失重率影響大。

(2)熱處理對紫光檀明度和總色差影響明顯。熱處理后木材的明度變暗，總色差變大。但明度和總色差隨處理時間的增加而減弱，處理溫度越高，色差及明度變化越小。注蠟處理后紫光檀顏色參數(shù)變化不明顯。

(3)熱處理能夠降低木材的吸水性，進而提高尺寸穩(wěn)定性。木材吸水率隨溫度的升高及處理時間的延長而減小。熱處理溫度比時間對吸水增重率的影響顯著。注蠟處理后的吸水率是單獨5 h熱處理的26%～32%，明顯降低了木材的吸水性，能夠有效減小木材因水分變化而引起的變形等問題。