杉木木材酸性染料染色工藝優(yōu)化

鄧邵平, 王春燦, 林金國(guó),2, 饒久平

(1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

木材染色是改善木材視覺(jué)特性、實(shí)現(xiàn)普通木材模擬珍貴樹種木材的有效方法[1-3]，也是人工林木材高效利用的重要手段之一，在家具和裝修中有較廣泛的應(yīng)用[4-5].但染色效果和染色過(guò)程密切相關(guān)，良好的工藝直接影響著染色材的品質(zhì)，因此，染色工藝條件的優(yōu)化備受重視.目前，單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等在木材染色過(guò)程中的應(yīng)用已有許多報(bào)道[6-9].然而，由于評(píng)價(jià)木材染色效果的指標(biāo)很多[10]，上述優(yōu)化方法往往是對(duì)多因素單目標(biāo)值進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，一般無(wú)法得到一致的優(yōu)化結(jié)果，給染色工藝參數(shù)的確定帶來(lái)困難.因此，有必要采用一種能對(duì)多指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法，使優(yōu)化出的染色工藝參數(shù)更為客觀和實(shí)際.

模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法[11]因能對(duì)受多個(gè)因素影響的多性能指標(biāo)做出一個(gè)總體的評(píng)價(jià)，有利于獲得較為客觀與科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果而在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[12-15]，近年來(lái)也逐漸應(yīng)用于多指標(biāo)正交試驗(yàn)[16-19].然而，目前模糊正交法應(yīng)用于木材染色工藝優(yōu)化的研究還鮮見報(bào)道.本文選擇酸性大紅3R對(duì)經(jīng)凍融循環(huán)預(yù)處理后的人工林杉木木材[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]進(jìn)行染色處理，采用正交試驗(yàn)考察染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色時(shí)間、染色溫度和促染劑用量對(duì)木材染透率、上染率和色差的影響；通過(guò)極差分析和方差分析得到影響染透率、上染率和色差的主要因素；綜合考慮各因素對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)染色效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而優(yōu)化杉木木材的染色工藝參數(shù)，達(dá)到高效利用杉木資源的目的.

1 材料與方法

1.1 供試材料

人工林杉木(樹齡26～28年)無(wú)缺陷氣干邊材購(gòu)自福建省南平市，尺寸為55 mm(長(zhǎng))×40 mm(寬)×12 mm(厚).酸性大紅3R染料由天津裕華經(jīng)濟(jì)貿(mào)易總公司提供；無(wú)水硫酸鈉(Na2SO4)為分析純，由西隴化工股份有限公司提供.

1.2 主要儀器

HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋由上海梅香儀器有限公司提供；101-3ES型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱由上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司提供；HWS-150型恒溫恒濕箱由上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司提供；PB-10型數(shù)顯pH計(jì)由賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司提供；UV-3200型紫外可見分光光度計(jì)由上海美普達(dá)儀器有限公司提供；Color i7型測(cè)色配色儀由美國(guó)X-rite公司提供.

1.3 方法

1.3.1 木材預(yù)處理 染色前參照文獻(xiàn)[20]對(duì)所有試材進(jìn)行凍融循環(huán)預(yù)處理，干燥后調(diào)節(jié)含水率至12%左右備用.

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)[21]基礎(chǔ)上，固定浴比，選取染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、染色時(shí)間(B)、溫度(C)和促染劑用量(D)為主要影響因素(表1).選擇L16(45)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探討染色工藝對(duì)染透率(Y1)、上染率(Y2)和表面色差(Y3)的影響，具體方案見表2.每組6塊木材.參照王春燦等[21]的方法采用酸性大紅3R染料對(duì)木材進(jìn)行染色處理；染色后取出木材，用蒸餾水淋洗表面浮色；試材瀝干后再經(jīng)氣干，測(cè)定Y1、Y2和Y3.

1.3.3 染透率 參照文獻(xiàn)[20]的方法測(cè)定.

1.3.4 上染率 采用UV-3200型紫外可見分光光度計(jì)分別測(cè)定各染液染色前后最大吸收波長(zhǎng)處的光密度.同一染液移2次，每次測(cè)3遍，結(jié)果取6次平均值.用下式計(jì)算上染率：

(1)

式中：Y1為上染率(%)；A0和A1分別為染色前染液的光密度和殘液的光密度.

1.3.5 表面色差 采用國(guó)際照明委員會(huì)CIE(1976)的L*a*b*表色系統(tǒng)計(jì)算色差[22]，用Color i7測(cè)色配色儀分別測(cè)定染色前后木材的明度指數(shù)L*、紅綠指數(shù)a*和黃藍(lán)指數(shù)b*.每個(gè)試樣在其中一條對(duì)角線上等距離取3點(diǎn)測(cè)試，分別計(jì)算處理前后各色度指數(shù)變化，按下式計(jì)算表面色差Y3：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

染色處理后木材的染透率、上染率和色差的測(cè)定結(jié)果見表2，極差分析和方差分析結(jié)果見表3、4.

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experiment design and results of the orthogonal test

表3 極差分析1)Table 3 Range analysis of the dyeing properties of wood products

表4 方差分析結(jié)果1)Table 4 Variance analysis of the dyeing properties of wood products

由表3可知，各因素對(duì)染透率的影響程度表現(xiàn)為染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>染色溫度>促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>染色時(shí)間，最優(yōu)組合為A2B3C3D3；各因素對(duì)上染率的影響程度也表現(xiàn)為染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>染色溫度>促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>染色時(shí)間，最優(yōu)組合則為A2B3C3D2；各因素對(duì)色差的影響程度表現(xiàn)為染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>染色溫度>染色時(shí)間>促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最優(yōu)組合為A4B2C3D3.

由表4可知，在顯著性水平α=0.01下，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)染透率的影響極顯著，對(duì)染色溫度的影響顯著，其它因素則無(wú)顯著影響；α=0.05時(shí)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色溫度對(duì)上染率的影響均顯著，其它因素的影響不顯著；α=0.10時(shí)各因素對(duì)色差均無(wú)顯著影響.可見，對(duì)涉及多指標(biāo)評(píng)價(jià)的木材染色，僅對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)無(wú)法得到一致的優(yōu)化工藝組合.因此，需借鑒模糊綜合評(píng)判法對(duì)染透率、上染率和色差進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)值優(yōu)化木材的染色工藝參數(shù).

2.2 模糊綜合評(píng)判優(yōu)選結(jié)果

2.2.1 評(píng)判矩陣的建立及結(jié)果 模糊綜合評(píng)判矩陣由隸屬函數(shù)計(jì)算的隸屬度值確定[18].首先按模糊數(shù)學(xué)擇大為優(yōu)原則，利用建立的隸屬函數(shù)式[17,19]對(duì)木材的染透率、上染率和色差的實(shí)測(cè)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使各指標(biāo)值模糊化.轉(zhuǎn)換值按式(3)計(jì)算，結(jié)果見表5.

(3)

表5 正交試驗(yàn)各指標(biāo)模糊轉(zhuǎn)換結(jié)果Table 5 Fuzzy transform results of dye penetration rate, dye uptake rate and color difference

然后計(jì)算各因素各水平對(duì)應(yīng)各指標(biāo)轉(zhuǎn)換值的水平均值，將各指標(biāo)轉(zhuǎn)換值映射到[0 1]區(qū)間，使各水平均值模糊化[14,16].

參照文獻(xiàn)[14]的方法，將4個(gè)因素關(guān)于3個(gè)指標(biāo)的總評(píng)語(yǔ)分別用模糊評(píng)價(jià)矩陣R1、R2、R3和R4表示，則r11、r12、r13和r14構(gòu)成了模糊評(píng)判矩陣R1的第一行.依上述步驟分別對(duì)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4個(gè)水平對(duì)應(yīng)的上染率和色差轉(zhuǎn)換值進(jìn)行處理，其結(jié)果分別為矩陣R1的第2行和第3行.同理可得到其它3個(gè)因素對(duì)應(yīng)的模糊評(píng)價(jià)矩陣，分別表示如下：

2.2.2 權(quán)重分配 權(quán)重是指各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度.進(jìn)行模糊綜合評(píng)判時(shí)，需對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定，目前常用的方法有Delphi、層次分析法和專家評(píng)分法等.本文采用專家評(píng)分法確定的染透率、上染率和色差的權(quán)重分別為0.300 0、0.300 0和0.400 0，并參照文獻(xiàn)[23]計(jì)算熵值法權(quán)重，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別0.313 7、0.285 1和0.401 2，即權(quán)重向量W=(0.313 7，0.285 1，0.401 2).

2.2.3 綜合評(píng)判和水平優(yōu)選 應(yīng)用綜合評(píng)判模型M(∧，∨)，將權(quán)重向量W與模糊矩陣R相乘[24]，即B=W·R，可得綜合評(píng)判向量B={b1，b2，b3，b4}；歸一化處理后得到B1～B4，即為各因素3個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，分別表示如下：

從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，B1中水平2最大，根據(jù)最大為優(yōu)原則，即染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%時(shí)，染色效果最好；同理，得到染色時(shí)間、染色溫度和促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最優(yōu)水平均為水平3，分別為4 h、90 ℃和3.0%，即最佳染色工藝參數(shù)組合為A2B3C3D3.

2.2.4 染色工藝條件的優(yōu)化和驗(yàn)證 通過(guò)對(duì)染透率、上染率和色差的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判，得到杉木木材的最佳染色工藝參數(shù)，即染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%，染色時(shí)間4 h，染色溫度90 ℃，促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%.在此條件下進(jìn)行4次染色驗(yàn)證，得到的染透率、上染率和色差的最大值分別為53.64%、7.59%和53.20，總體高于正交試驗(yàn)各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，說(shuō)明優(yōu)化工藝合理、有效.

3 小結(jié)

利用酸性大紅3R染色杉木木材，通過(guò)極差分析和方差分析考察染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色溫度、促染劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色時(shí)間4個(gè)因素，結(jié)果表明染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和染色溫度對(duì)染透率和上染率的影響顯著；對(duì)于染透率，最優(yōu)工藝組合為A2B3C3D3；對(duì)于上染率，最優(yōu)組合為A2B3C3D2；對(duì)于色差，最優(yōu)組合為A4B2C3D3.表明各指標(biāo)單獨(dú)優(yōu)化時(shí)優(yōu)化結(jié)果不一致.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)染透率、上染率和色差進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出木材的最佳染色工藝參數(shù)組合為A2B3C3D3，即染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，染色時(shí)間4 h，染色溫度90 ℃，促染劑用量3.0%.在該條件下染色，染透率、上染率和色差分別可達(dá)53.64%、7.59%和53.20，總體高于正交試驗(yàn)各指標(biāo)實(shí)測(cè)值，說(shuō)明優(yōu)化工藝合理有效.