熱壓溫度和時間對塑膜增強柔性薄木表面顏色變化的影響?

彭曉瑞 張占寬

（中國林科院木材工業(yè)研究所，國家林業(yè)局木材科學與技術(shù)重點實驗室，北京 100091）

我國是木制品制造和出口大國，其中家具、木門、木地板等產(chǎn)量和產(chǎn)值均居世界第一。然而，我國森林資源匱乏，特別是珍貴木材資源稀缺[1-5]。由此，為節(jié)約木材資源，提高產(chǎn)品附加值，采用增強材料加強柔性、抗拉強度與厚度的柔性裝飾薄木受到廣泛關(guān)注[6-8]。新型塑膜增強柔性裝飾薄木由既為柔性增強材料，又為膠黏材料的塑膜與裝飾薄木經(jīng)高溫熱壓復合而成，具有制備和貼面工藝簡單、無需施膠、無游離甲醛釋放、成本低等優(yōu)點，應用前景廣闊[9-11]。然而，裝飾薄木與塑膜在高溫熱壓過程中，薄木內(nèi)部成分可能會發(fā)生氧化還原反應以及分子內(nèi)重排，部分酚羥基或取代基被氧化，發(fā)色體系結(jié)構(gòu)變化，造成薄木表面產(chǎn)生變色現(xiàn)象，對柔性裝飾薄木在木家具及制品表面的裝飾應用具有一定影響[12-14]。已有研究多集中于高溫熱處理木材表面誘發(fā)變色和化學變色原理，而對珍貴木材裝飾薄木受熱壓溫度和時間影響的研究鮮有報道。本研究以紅櫟（Quercus rubra）、柚木（Tectona grandis）和花梨（Pterocarpussp.）裝飾薄木為試驗材料，借助國際照明標準委員會的CIE L*a*b*標準色度學系統(tǒng)，探究3種木材在不同熱壓溫度和熱壓時間下的變色特性，以更好地通過修色、涂飾等手段，實現(xiàn)對塑膜增強柔性裝飾薄木的材色調(diào)控，力求使木材修色涂飾后與樣板要求顏色相一致，滿足消費者的要求。

1 材料與方法

1.1 材料

柚木、花梨和紅櫟裝飾薄木均為市購，密度分別為0.93、0.68 g/cm3和0.72 g/cm3，含水率控制在8%～10%，厚度（H）均為0.3 mm，裁剪成幅面為200 mm（L）× 200 mm（W）的試樣備用。其中，柚木、花梨為徑切面，紅櫟為弦切面。

馬來酸酐接枝聚乙烯改性聚乙烯膜，厚度為0.03 mm，接枝率5%～7%，熔融指數(shù)為800～1 600 g/10 min，購自河北雄縣雙龍塑料制品有限公司。裁切成幅面為200 mm × 200 mm的試樣備用。

1.2 設(shè)備

全自動測色儀（SC-80C），上海滬粵明科學儀器有限公司；熱壓機（卓上型G-12平壓熱壓機），日本。

1.3 試驗方法

薄木和聚乙烯膜的極性和熱膨脹系數(shù)具有顯著差異，為避免聚乙烯膜和裝飾薄木之間界面結(jié)合耐久性差和高溫熱壓卷曲變形問題，采用低溫等離子體改性處理設(shè)備分別對塑膜和裝飾薄木進行表面改性，然后再進行材料組坯和高溫熱壓復合工藝。在等離子體處理后，先利用全自動測色儀于裝飾薄木表面任意選取3點測量，取其平均值為試樣材色的量化值。隨后將3種裝飾薄木與改性聚乙烯膜對齊疊，裝飾薄木上面放置金屬板，聚乙烯膜下面先后放置聚四氟乙烯膜和金屬板，完成組坯后將其放入熱壓機?；谇捌谘芯拷Y(jié)果，熱壓壓力對塑膜增強柔性薄木熱壓顏色變化影響相對較小。因此，本研究分別在預實驗得出的熱壓溫度120、130、140、150、160 ℃，熱壓時間90、120、150、180、210、240 s條件下進行高溫熱壓復合。卸壓冷卻到室溫后，分別取3片試樣，在每片試樣表面分別標定5個材色相對均勻、紋理一致的測量點，使用測色儀測定其表面顏色。以L*、a*、b*為基礎(chǔ)，按以下公式計算飽和度C*、色相h、色差ΔE、明度變化 ΔL*值[15-16]：

2 結(jié)果與分析

2.1 塑膜增強柔性裝飾薄木材色

木材的顏色與其表面反射和內(nèi)部漫反射有關(guān)，并由反射光的性質(zhì)決定。影響木材顏色的主要因素有木材的主要化學成分、浸提成分及其含量[17-18]。

圖1為3種薄木高溫熱壓復合后的材色，經(jīng)等離子體改性處理后，紅櫟裝飾薄木素色為淺色，顏色偏白，花梨和柚木素色的顏色較深，其中花梨偏深紅棕，柚木偏棕黃。經(jīng)高溫熱壓復合后，3種裝飾薄木明度都有所變化，相對應的色相均發(fā)生改變。在高溫熱壓處理過程中，裝飾薄木內(nèi)部水分向外遷移，同時部分水溶性的抽出物，如酚類、黃酮類化合物隨之外移至表面，因而導致裝飾薄木表面顏色發(fā)生改變。另外，木材在高溫作用下也易受空氣氧化變色[16-17]。由圖1可見，3種裝飾薄木經(jīng)高溫熱壓后，其表面顏色均有不同程度的加深，這與熱處理過程中半纖維的熱降解和酚類物質(zhì)化學反應有關(guān)[19-20]。

圖1 3 種裝飾薄木等離子體處理前后表面材色圖（熱壓溫度150 ℃ ，熱壓時間180 s）Fig. 1 Surface color of three kinds of decorative veneer before and after plasma treatment (hot press at temperature of 150 ℃ for 180 s)

由圖2～4可知，3種薄木材色的特征值差別相對較大，紅櫟裝飾薄木的明度值最高，為86.92，花梨裝飾薄木為58.33，柚木明度值最低為51.54；花梨的紅綠度值最高，為56.21，柚木的相對較低，為17.72，紅櫟裝飾薄木最低，為3.44；黃藍度值也是花梨薄木最高，為24.22，紅櫟和柚木相近且較低，分別為18.66和18.81。

由圖2可看出，隨熱壓溫度的增加和熱壓時間的延長，柚木柔性裝飾薄木的明度值呈上升趨勢，表明經(jīng)高溫熱壓后，其表面顏色逐漸變淺，且增幅相對較?。昏帜镜募t綠度a*值略有減小，表明處理后略向綠色系過渡，但不顯著；b*值變化不大；飽和度值（C*）略有下降，但不明顯；而色相（h）值有不同程度的增大。

圖2 高溫熱壓復合后塑膜增強柚木柔性薄木材色的L＊a＊b＊系統(tǒng)度量值Fig. 2 L＊a＊b＊ system measurement values of teak flexible veneer color after high temperature pressing

由圖3 可知，與柚木柔性薄木一致，隨熱壓溫度的增加和熱壓時間的延長，花梨柔性裝飾薄木的明度值同樣呈逐漸上升趨勢，表明其顏色逐漸變淺，但其明度值增幅遠高于柚木，最大可達10.51 個單位。隨熱壓溫度的增加和熱壓時間的延長，花梨裝飾薄木的a*和b*值均不斷降低，表明其顏色向藍綠色系偏移，但不顯著；C*值變化與a*值基本一致。當熱壓溫度為130～160 ℃時，與未處理的花梨裝飾薄木相比，其色相值（h）呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 高溫熱壓復合后塑膜增強花梨柔性薄木材色的L＊a＊b＊系統(tǒng)度量值Fig. 3 L＊a＊b＊ system measurement values of rose wood flexible veneer color after high temperature pressing

由圖4可以看出，隨熱壓溫度的增大和熱壓時間的延長，紅櫟柔性薄木熱壓復合后的明度值呈下降趨勢，表明其顏色加深，最大降幅可達14.95個單位。在此過程中，紅櫟柔性薄木的a*和b*值略有增大趨勢，表明其顏色向紅黃色系偏移，但同樣相對飽和度變化不顯著。

圖4 高溫熱壓復合后塑膜增強紅櫟柔性薄木材色的L＊a＊b＊系統(tǒng)度量值Fig. 4 L＊a＊b＊ system measurement values of red oak flexible veneer color after high temperature pressing

2.2 熱壓溫度和時間對塑膜增強柔性裝飾薄木顏色變化的影響

圖5～7為3種柔性裝飾薄木的明度值與色差值在不同熱壓溫度和熱壓時間條件下的變化情況。由圖可見，隨著熱壓溫度的增大，相同時間下，柔性裝飾薄木色差值總體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。已有研究表明，熱壓溫度的升高，可導致木材內(nèi)部的半纖維素乙?；鶄?cè)鏈發(fā)生裂解，且各組分中的C==O通過拉伸形成醌類結(jié)構(gòu)。隨著溫度持續(xù)升高，半纖維素中的甘露糖和葡萄糖主鏈的碳原子上發(fā)生脫乙酰反應。同時在外界催化作用下，木質(zhì)素的縮合反應和降解反應與較少有序的碳水化合物發(fā)生的解聚反應又會釋放出乙酸，并有羰基產(chǎn)物生成。而木質(zhì)素之間的連接受阻，酚羥基會發(fā)生縮聚反應，生成羰基，最終導致羰基數(shù)量的增加，致使木材表面顏色發(fā)生變化[22-23]。本試驗條件下，紅櫟柔性薄木色差值相對最大，花梨次之，柚木柔性薄木的相對最小，而色差值大小與明度值增減幅呈正相關(guān)。

圖5 熱壓參數(shù)對柚木柔性薄木表面顏色變化的影響Fig. 5 Effect of hot pressing parameters on surface color of teak flexible veneer

2.2.1 熱壓溫度對柔性薄木表面變色性能的影響

表2 為色差值與人的視覺感覺關(guān)系。如圖5 所示，柚木在熱壓溫度120 ℃時的色差值相對最小，明度值減幅相對最小，不同熱壓溫度下，色差值僅為0.31～1.36 個單位，ΔL絕對值僅為0.18～0.94 個單位，人肉眼幾乎觀察不到。當熱壓溫度為120～150 ℃時，柚木薄木表面色差逐漸明顯，明度變化也逐漸顯著；當熱壓溫度150 ℃時，色差值達到最大，最高可增至7.77 個單位，ΔL可達-6.45 個單位，此時色差已經(jīng)較為明顯。為達到樣板要求，需通過一定的修色處理，采用色精等材料提高柚木薄木表面的明度和顏色區(qū)值。而當熱壓溫度為160 ℃時，柚木柔性薄木表面色差值低于140～150 ℃時，可能由于柚木導管中具侵填體，軸向薄壁細胞和射線細胞中含有樹膠，隨著熱壓溫度升高至一定程度，內(nèi)部侵填體和樹膠等抽提物隨水分遷移至木材表面，從而使柚木薄木表面鈍化，表面性能基本達到穩(wěn)定狀態(tài)[24-25]。因此，進一步升高溫度對其顏色的影響不大[26-27]。從圖6 可以看出，花梨柔性薄木在熱壓溫度120～130 ℃時，隨著熱壓溫度的增大，色差值明顯增大，ΔL絕對值增幅顯著；而當熱壓溫度為140～160 ℃時，花梨柔性薄木表面的色差值增幅相對120～130 ℃時有所減小，但仍呈現(xiàn)增大趨勢。當熱壓溫度為150 ℃，熱壓時間180～210 s時，花梨薄木表面色差值最大，可達15.29～15.64 個單位，明度的絕對值最大，可達10.69～11.01，表明此時的色差已經(jīng)非常明顯，后續(xù)需要進行材色處理。如圖7 所示，紅櫟柔性薄木表面色差值隨熱壓溫度的升高呈現(xiàn)增大的趨勢，與明度值變化一致，表明紅櫟薄木熱壓復合后的色差主要由于明度變化引起。當熱壓溫度為120 ℃時，其表面色差值達到6.53～8.08 個單位，相對較小；當熱壓溫度為150 ℃時，紅櫟柔性薄木表面色差值最大，為14.91～15.38 個單位。

表2 色差值與人的視覺感覺關(guān)系Tab.2 Relationship between color difference and human visual perception

圖6 熱壓參數(shù)對花梨柔性薄木表面顏色的影響Fig. 6 Effect of hot pressing parameters on surface color of rosewood flexible veneer

圖7 熱壓參數(shù)對紅櫟柔性薄木表面顏色變化的影響Fig. 7 Effect of hot pressing parameters on surface color of red oak flexible veneer

2.2.2 熱壓時間對柔性薄木表面變色性能的影響

從圖5～7同樣可以看出，熱壓時間對裝飾薄木表面的顏色變化也有一定影響?？傮w而言，相同熱壓溫度下，隨著熱壓時間的延長，3種柔性薄木表面色差值和ΔL的絕對值均呈現(xiàn)變大趨勢。柚木柔性薄木在熱壓溫度為120 ℃，熱壓時間為90～120 s時，其色差和ΔL變化逐漸增大，而熱壓時間為150～210 s時，色差與ΔL變化不明顯；當熱壓溫度為130～140 ℃時，隨熱壓時間延長，其色差與ΔL逐步增大；當熱壓溫度150～160 ℃，熱壓時間為150～210 s時，其色差和ΔL變化不大?；ɡ嫒嵝员∧驹跓釅簻囟葹?20～140 ℃，熱壓時間為90～180 s時，其色差和ΔL變化逐漸增大，而熱壓時間為180～210 s時，其色差與ΔL變化不明顯；當熱壓溫度為150 ℃時，其色差和ΔL變化隨熱壓時間的延長而逐漸增大，并達到最大值；當熱壓溫度為160 ℃時，其色差隨熱壓時間的變化規(guī)律不明顯。在熱壓溫度一定的條件下，熱壓時間在90～120 s內(nèi)，木質(zhì)素降解反應逐漸充分，色差和ΔL變化逐漸增大，而當熱壓時間為150～210 s時，色差及明度變化基本趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）熱壓溫度對塑膜增強柔性裝飾薄木材色的影響明顯，當熱壓時間一定，熱壓溫度在120～150 ℃時，隨著熱壓溫度的增大，塑膜增強柔性裝飾薄木色差和ΔL的絕對值均呈增大趨勢，并逐步趨于穩(wěn)定。3種柔性薄木在熱壓溫度為150 ℃時，色差即可達到最大。

2）熱壓時間對塑膜增強柔性裝飾薄木的材色變化也有一定影響。相同熱壓溫度條件下，隨著熱壓時間的延長，3種木材柔性裝飾薄木表面變色均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而當熱壓時間達到一定時，每種木材柔性薄木的材色均達到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）不同樹種薄木色差峰值所對應的熱壓溫度和時間均有所不同，在實際生產(chǎn)中，可通過計算色差和后續(xù)表面涂飾修色處理對色差進行修復，使其顏色符合產(chǎn)品飾面要求。