基于高壓染色技術(shù)的裝飾單板染色工藝研究*

何 盛 盧曉相 胡夠英 丁永歡 陳玉和

（1.國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，國(guó)家林業(yè)和草原局竹家居工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州310012；2. 茂友木材股份有限公司，浙江 嘉興 314201；3. 江山市檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，浙江 江山 324110）

近年來，天然大徑級(jí)優(yōu)質(zhì)家具用材供應(yīng)日益減少，而消費(fèi)者對(duì)于木材天然紋理具有獨(dú)特偏好，因此，利用天然木材旋切或刨切加工的裝飾單板貼面成為高檔木質(zhì)家具、地板中常用的裝飾方法[1-3]。為了賦予裝飾單板更為豐富的色彩，使其色澤更均勻，紋理更加美觀，木材染色技術(shù)在裝飾單板加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

木材染色是指染料通過木材內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，附著或與木材形成化學(xué)結(jié)合，使木材具有堅(jiān)牢色澤的過程。染色處理對(duì)于降低木材表面色差，改善木材裝飾性能，提升木制品的附加值具有重要意義[7-10]。在裝飾單板染色技術(shù)研究領(lǐng)域，目前常用的單板厚度在1 mm左右，先將單板漂白，然后再進(jìn)行常壓染色。這種方法的加工周期較長(zhǎng)，對(duì)于厚度相對(duì)較大、滲透性較差的單板，短時(shí)間內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)均勻染色。提高裝飾單板染色效率和染色均勻性是當(dāng)前裝飾單板染色過程中亟待解決的問題[11-12]。

為提升裝飾單板染色效率，改善染色質(zhì)量，本研究利用加壓染色方式[13]，對(duì)3個(gè)樹種、不同厚度的裝飾單板進(jìn)行漂白和染色處理，并通過性能評(píng)價(jià)，優(yōu)選處理工藝。通過與常壓染色工藝對(duì)比，綜合分析高壓染色工藝在裝飾單板染色加工領(lǐng)域的效益及推廣應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料

裝飾單板：橡木（Fraxinus chinensisL.）、黑胡桃（Juglansspp.）、榆木（Ulmus rubra）的刨切裝飾單板，進(jìn)口材，尺寸為500 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬），厚度分為0.45、1.2 mm和1.8 mm三種，單板初含水率為8%~12%。

漂白處理液：雙氧水（H2O2），工業(yè)級(jí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%左右，浙江平湖石化有限責(zé)任公司。漂白處理過程中，配制濃度5~6 g/L雙氧水溶液，并添加工業(yè)級(jí)NaOH和Na2CO3作為漂白助劑（1~2 g/L）。

染液：工業(yè)級(jí)，金華雙宏化工有限公司。染液濃度為0.1~0.8 g/L，以一定比例添加相關(guān)染色助劑。

1.2 設(shè)備

單板漂白處理裝置：定制，通過蒸汽管加熱方式控制漂白液溫度，利用液體循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漂白液在裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)；高壓染色設(shè)備：定制，利用電加熱棒對(duì)染液進(jìn)行加熱和溫度自動(dòng)控制，液壓壓力為0~2.5 MPa，可調(diào)；色度儀，設(shè)備型號(hào)CR-10，柯尼卡美能達(dá)（Konica Minolta）公司生產(chǎn)，用于測(cè)試染色處理前后裝飾單板色度值（L*、a*、b*值）。

1.3 試驗(yàn)方法

樹種、厚度及漂白處理?xiàng)l件分別取3個(gè)水平（表1）。染色處理前，對(duì)單板進(jìn)行不同程度的漂白預(yù)處理。漂白溫度為70 ℃左右，浴比1∶(15~20)。染色過程中，染液溫度為95 ℃左右，浴比1∶(15~20)。高壓染色具體工藝流程包括前真空處理（-0.08 MPa， 15 min）、加壓染色（液壓壓力1.5 MPa）和后真空處理（-0.08 MPa，15 min）。以常壓染色樣品作為對(duì)照樣，以單板染透作為染色終點(diǎn)時(shí)間，記錄不同工藝條件下單板完全染透所需處理時(shí)間，分析高壓染色工藝對(duì)單板染色效率的提升效果，優(yōu)選裝飾單板高壓染色工藝。在此基礎(chǔ)上，采用美能達(dá)CR10色差儀對(duì)單板顏色進(jìn)行測(cè)試，以明度值L*、紅綠指數(shù)a*和黃藍(lán)指數(shù)b*為單板染色質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)樣品隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，評(píng)價(jià)單板高壓染色工藝下的染色效果。

表1 試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Experiment factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 單板染色時(shí)間分析

表2～4為不同漂白處理?xiàng)l件下，不同厚度裝飾單板在常壓及高壓染色條件下染透所需時(shí)間的對(duì)照表。從數(shù)據(jù)可以看出，漂白處理有助于提高單板的染色效率[14-16]。如厚度0.45 mm的單板，在常壓染色條件下，未漂白處理的樣品需10 h左右染透，而漂白處理（半漂白與全漂白）后，僅7 h左右可完全染透。木材漂白是利用漂白處理劑的氧化還原作用，破壞木材內(nèi)部的發(fā)色基團(tuán)，或封閉其助色基團(tuán)，使木材產(chǎn)生脫色或增白的效果。漂白過程中，通過溶脹無定形區(qū)內(nèi)低聚合度的纖維素和半纖維素，溶解抽提出木材中致變色物質(zhì)，可有效提高木材滲透性[17-18]。同時(shí)，漂白處理會(huì)對(duì)木材組織產(chǎn)生損傷，且隨著漂白劑濃度和處理時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)木材損傷越大[8,15]。漂白處理后，木材組織結(jié)構(gòu)受損，染液更容易滲透至木材內(nèi)部，使單板上染速率提升，進(jìn)而提升染色效率。但對(duì)于部分液體滲透性較差或厚度較大的木材單板，漂白劑難以滲透至木材內(nèi)部，影響漂白處理效果，導(dǎo)致后期染色過程中，染色效率提升有限[15,17,19]。此外，漂白處理還能使單板的色度更加均勻。研究表明，漂白處理后，木材抽提物中類黃酮物質(zhì)含量降低，木質(zhì)素苯環(huán)上1 464 cm-1和1 509 cm-1處的吸收峰消失，1 429 cm-1處的吸收峰減弱[17,20]。漂白處理液中NaOH等漂白助劑的添加，可進(jìn)一步加快木質(zhì)素和抽提物中芳香環(huán)類物質(zhì)降解[15]。木質(zhì)素和抽提物中的芳香環(huán)物質(zhì)及其單體側(cè)鏈的羰基(—C==O)、羧基(—COOH) 中，均含有碳-氧( C==O)、碳-碳( C==C) 共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的發(fā)色基團(tuán)[21]。木質(zhì)素和抽提物的降解或溶出，使單板心邊材色差減小，單板色度均勻[22-24]，后期染色處理后單板上色因此變得均勻，從而提高染色效果。

表2 未漂白裝飾單板染色效果Tab.2 Dyeing results of non-bleaching decorative veneers

單板厚度和木材的液體滲透性是影響染色時(shí)間的重要因素。單板厚度增加，染液在木材內(nèi)部完全滲透所需時(shí)間增加。對(duì)于液體滲透性差的木材，染液在木材內(nèi)部滲透速度慢。特別是對(duì)于胡桃木和橡木心材，其導(dǎo)管內(nèi)部?jī)?nèi)含物豐富，堵塞了單板內(nèi)部液體的滲透通道，影響單板染色效率[8,12]。因此，在未漂白處理單板中，1.20 mm和1.80 mm厚單板的染透時(shí)間隨單板厚度增加而延長(zhǎng)，橡木和黑胡桃因液體滲透性較榆木差，因此相同厚度條件下染透所需時(shí)間更長(zhǎng)。漂白處理后，單板液體滲透性改善[15]，樹種間滲透性差異減小，不同樹種單板染透時(shí)間趨于一致。

表3 半漂白裝飾單板染色效果Tab.3 Dyeing results of decorative veneers after semi-bleaching

表4 全漂白裝飾單板染色效果Tab.4 Dyeing results of decorative veneers after full bleaching

在加壓條件下，單板內(nèi)外液體滲透壓增大，染液滲透速度加快，染透所需時(shí)間縮短[13]。從表2～4可以看出，對(duì)比常壓染色處理效果，在單板厚度為0.45 mm的條件下，未經(jīng)漂白處理單板，在4 h左右可實(shí)現(xiàn)透染，較常壓染色條件縮短6 h左右。而對(duì)于漂白處理樣品，可在2~3 h內(nèi)染透，染色效率較常壓染色工藝提升2~3倍。隨著單板厚度增加（1.20 mm和1.80 mm），未漂白樣品中，榆木在10~11 h加壓條件下實(shí)現(xiàn)透染，而黑胡桃及橡木單板需加壓15~18 h染透，說明加壓染色處理同樣受到木材滲透性差異影響。漂白處理具有增強(qiáng)單板液體滲透性的作用，特別是隨著漂白處理時(shí)間延長(zhǎng)，不同樹種單板滲透性差異減小，在常壓及加壓染色條件下，不同樹種和不同厚度單板染透時(shí)間趨于一致。因此，對(duì)于全漂白單板，常壓染色和高壓染色所需染透時(shí)間基本相同。

綜合上述分析，利用高壓染色工藝，可有效提高裝飾單板染色效率。同時(shí)，考慮漂白處理過程中會(huì)造成單板尺寸收縮，且漂白處理作為單板染色的預(yù)處理方式，漂白時(shí)間長(zhǎng)短同樣會(huì)影響單板染色處理效率。因此，結(jié)合不同樹種、不同厚度裝飾單板的染色時(shí)間分析結(jié)果，優(yōu)選高壓染色方法提高單板染色效率。高壓染色過程對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)如表5所示。

表5 不同厚度裝飾單板高壓染色工藝Tab.5 Dyeing technology of decorative veneers with diあerent thickness

2.2 單板染色效果分析

根據(jù)表5 所述的高壓染色工藝，對(duì)不同樹種及厚度的裝飾單板進(jìn)行高壓染色試驗(yàn)，表6 為裝飾單板染色后的色度及色差分析結(jié)果。

表6 染色裝飾單板色度測(cè)試結(jié)果Tab.6 Chromatic test results of dyed decorative veneers

色度檢測(cè)結(jié)果顯示，不同樹種裝飾單板在相同染色工藝條件下，其色度存在一定差異，這主要是因?yàn)椴煌瑯浞N的木材其液體滲透性存在差異，導(dǎo)致染色過程中上染速率不同[8,12]。此外，由于漂白處理具有使木材脫色或增白的效果，經(jīng)漂白預(yù)處理后，裝飾單板本身的色度發(fā)生變化，且經(jīng)不同程度漂白（不漂白、半漂白和全漂白）處理的單板其色度差異明顯。特別是對(duì)于淺色染料的染色處理，染料色彩不足以對(duì)單板底色形成良好的遮蓋效果，造成染色裝飾單板存在較大的色度差異。

2.3 裝飾單板高壓染色性能及效益分析

裝飾單板染色試驗(yàn)結(jié)果顯示，利用高壓染色方法可實(shí)現(xiàn)裝飾單板的快速勻染。其中，0.45 mm厚裝飾單板在不漂白處理、壓力1.5 MPa、染液溫度95 ℃、加壓時(shí)間4 h左右條件下實(shí)現(xiàn)了均勻染色，染色時(shí)間較常壓染色工藝縮短6 h，生產(chǎn)效率顯著提高。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在染色裝飾單板生產(chǎn)過程中，單板漂白處理造成的尺寸收縮率為10%~12%，因裝飾單板開裂等漂白缺陷造成的材料損耗約1%。因此，裝飾單板在不漂白條件下實(shí)現(xiàn)勻染，不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，同時(shí)可減少?gòu)U水排放，降低生產(chǎn)成本[25]；避免因漂白處理造成的裝飾單板尺寸收縮，提高裝飾單板出材率。由此可見，將高壓染色方法在裝飾單板染色領(lǐng)域推廣應(yīng)用后，預(yù)期其出材率可提升13%左右，企業(yè)的綜合生產(chǎn)效益預(yù)計(jì)可提升15%以上。

對(duì)于1.2 mm厚的裝飾單板，采用半漂白處理工藝，在壓力1.5 MPa、染液溫度95 ℃，染色時(shí)間6 h左右可實(shí)現(xiàn)均勻染色。而1.8 mm厚裝飾單板采用全漂白處理工藝，在壓力1.5 MPa、染液溫度95 ℃、染色時(shí)間11~12 h條件下可實(shí)現(xiàn)均勻染色。其染色效率較目前工業(yè)化生產(chǎn)中常用的常壓染色工藝可提升2~3 倍。

綜合上述分析，裝飾單板的高壓染色效率較常壓染色方式可大幅提升，同時(shí)可提高染色裝飾單板的出材率，有利于降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高企業(yè)綜合效益，該技術(shù)在裝飾單板染色工業(yè)化生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本研究對(duì)比了高壓染色工藝對(duì)不同樹種、不同厚度單板的染色效果，并與常壓染色工藝比較，得出以下主要結(jié)論：

1） 結(jié)合裝飾單板染色時(shí)間結(jié)果，在液壓壓力1.5 MPa、染液溫度95 ℃條件下，優(yōu)選高壓染色工藝為：0.45 mm厚裝飾單板，不漂白處理，加壓時(shí)間4 h；1.2 mm厚裝飾單板，半漂白處理，加壓時(shí)間6 h；1.8 mm厚裝飾單板，全漂白處理，加壓時(shí)間11~12 h。

2） 不同樹種、厚度裝飾單板采用相同染色工藝處理后，色度存在一定差異，主要與木材滲透性差異有關(guān)。建議在對(duì)單板進(jìn)行淺色染色處理時(shí)，通過前期漂白處理使單板材色更加均勻，避免染色單板出現(xiàn)透底、色度差異過大等缺陷。

3） 高壓染色工藝可提高裝飾單板染色效率，有利于降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可有效提升染色裝飾單板的出材率。該工藝在染色裝飾單板工業(yè)化生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，可增加企業(yè)生產(chǎn)效益，具有良好的應(yīng)用前景。