張倩 呂蕾 楊亮慶** 王宏棣 叢德寶

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081；2.開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司，遼寧 開原 112300）

熱處理溫度對不同樹種木材材色影響的研究*

張倩1呂蕾1楊亮慶1**王宏棣1叢德寶2

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081；2.開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司，遼寧 開原 112300）

以熱處理木材生產(chǎn)企業(yè)常用3種樹種為研究對象，通過研究熱處理溫度對宏觀材色、基本材色指數(shù)和色差的影響，分析樹種對熱處理溫度反應(yīng)存在的差異以及內(nèi)在相關(guān)性。結(jié)果表明：相同處理條件下，不同樹種材色變化存在顯著差異，明度受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對熱處理溫度最為敏感的材色參數(shù)，對色差的影響系數(shù)較高。關(guān)鍵詞：熱處理溫度；色差；木材材色；明度

木材材色是影響消費者對木制品印象最直觀的要素，同時還是人工林培育、木材改性與利用等的一個重要指標(biāo)，對木材加工利用具有重要意義[1]。熱處理是改良木材效果顯著、環(huán)保性能最好的一種物理方法，能夠顯著改變木材顏色，使木材顏色變深，通常變?yōu)闇\褐色或深褐色，總體明度降低，顏色均勻柔和，視覺舒適，顏色穩(wěn)定，能給人一種典雅、深沉和高貴的精神感受[2-3]。因此該處理方法得到了相關(guān)學(xué)者、生產(chǎn)企業(yè)和公益組織的關(guān)注，大量科研和實踐工作由此開展，內(nèi)容涉及到處理工藝參數(shù)[4-5]、對木材各項性能影響[6-9]以及影響機理[10-12]等方面，研究成果顯著，豐富了木材熱處理研究領(lǐng)域，推動了該項技術(shù)快速發(fā)展。盡管如此，由于該項領(lǐng)域研究起步較晚，各項研究還有待進(jìn)一步完善，尤其在熱處理木材材色視覺特性評價方面還有待進(jìn)一步完善。本文選用熱處理木材生產(chǎn)企業(yè)常用的3種樹種為研究對象，從熱處理溫度對材色變化影響差異入手，研究了熱處理對材色美學(xué)特性的影響，通過基本材色指數(shù)和色差對熱處理溫度及材色影響進(jìn)行分析，并就明度和色差對材色影響以及其相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

試材樹種為興安落葉松（Larix gmelinii）、紅胡桃（JUGLANS NIGRA）和紅橡（QUERCUS RUBRA）刨光材，規(guī)格分別為120 mm×20 mm×2 000 mm、250 mm×20 mm×1500 mm和200 mm×20 mm× 1 500 mm，平均含水率為10.3%。

設(shè)備為開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司生產(chǎn)的熱處理窯；材色測量設(shè)備為NF-333型便攜式分光光度計。

1.2 試驗方法

1.2.1 測色區(qū)域選擇

試件的測試區(qū)域要求無節(jié)子、無裂紋，材質(zhì)優(yōu)良，表面清潔，紋理通直且材色較為均勻一致；為保證測試精度，要求測試區(qū)域需要避開墊條位置，每塊試件選取5個測試點，每窯每樹種取5塊試件用于材色測試；另取15塊試件做配板。

1.2.2 熱處理工藝設(shè)定

考慮到試驗?zāi)康闹皇菍Ρ确治霾煌瑯浞N在相同熱處理條件下的材色變化差異，故此對3種樹種同窯進(jìn)行處理，處理溫度設(shè)定為140、160、180、200℃，處理時間均為6 h。

1.2.3 測試測量

對測試區(qū)域分別進(jìn)行標(biāo)記（圖1A），裝窯前和處理完成后分別對標(biāo)記區(qū)域材色指數(shù)按順序進(jìn)行測量，采用CIE(1976)L*a*b*均勻色空間系統(tǒng)來衡量木材顏色的變化。

圖1 測試區(qū)域及處理溫度對宏觀材色的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對宏觀材色的影響

通過熱處理賦予木材最優(yōu)的表面視覺特征是提高木材價值的重要途徑，因此有必要對不同處理溫度下材色變化進(jìn)行對照分析。圖1中“B、C、D”分別為紅胡桃、興安落葉松和紅橡3樹種處理前后材色變化情況，每圖中自左至右分別為對照材及140、160、180及200℃處理材。

就本文涉及到的3種樹種而言，給人的視覺特性差別較為明顯，其中，興安落葉松材色較淺，紅胡桃材色偏暗紅，紅橡材色介于兩者之間偏向于深色。熱處理后材色均向深色發(fā)展，且處理溫度越高材色變化越明顯；其中，紅胡桃和紅橡在140℃和160℃時變化程度較小，低于落葉松，而在180℃和200℃時同興安落葉松變化程度較為一致，材色均明顯變暗，說明處理溫度對木材的影響程度因樹種而異，不同樹種對熱處理條件的反映也不盡相同。從視覺效果來看，對比各溫度處理試件，160℃處理的興安落葉松呈油黃色，色澤最為美觀；紅橡和紅胡桃由于本身材色較深，熱處理對顯著提升材色美觀性而言意義不大。由此看來，通過熱處理方式改良木材材色價值需因樹種而異，也說明材色指標(biāo)可作為評價熱處理效果指標(biāo)的意義。

2.2 處理溫度對材色基本參數(shù)的影響

為研究溫度條件對熱處理木材材色基本參數(shù)的影響差異，本研究將每組試驗中處理后與處理前材色基本參數(shù)的比值做為評價依據(jù)（表1），該值反映了不同溫度條件下木材材色3個基本參數(shù)的變化情況。其中，明度（L）受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對熱處理溫度最敏感的材色參數(shù)[14]，隨熱處理溫度升高呈下降趨勢，兩者間具有顯著的線性相關(guān)性。針對落葉松、紅橡和紅胡桃3個樹種測得的明度和處理溫度間線性相關(guān)性決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.992 5、0.994 6和0.927 4，相比明度指標(biāo)，b*值與熱處理溫度間的相關(guān)性則受樹種影響較為明顯。如落葉松和紅橡木處理后與處理前b*的比值與熱處理溫度間仍存在顯著線性相關(guān)性，同明度（L）的比值受處理溫度影響趨勢相一致，決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.960 6和0.857 1；但140℃和160℃時，b*值均高于對照材，落葉松材更為明顯，從圖1的宏觀材色的變化中也反映了這一點；在180℃和200℃時b*值均低于對照材，說明隨著溫度升高，材色首先偏向黃色發(fā)展。而紅胡桃的b*值與熱處理溫度間則不存在線性關(guān)系，b*值隨著熱處理溫度的升高先增大，到200℃時下降，且b*值始終低于對照材。從本研究中涉及到的三種樹種來看，處理后落葉松a*值均明顯高于對照材，說明處理落葉松材色向紅色發(fā)展；紅橡除140℃處理時的a*值低于對照材外，其余條件時的a*值也均高于對照材；而紅胡桃則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，處理后a*值均明顯低于對照材。此外a*值與熱處理溫度間不存在相關(guān)性，且3種樹種呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，是3個材色基本指標(biāo)中最難以反映處理溫度影響的指標(biāo)。

表1 處理前后材色基本參數(shù)比%

正確認(rèn)識熱處理參數(shù)與材色基本指標(biāo)間相關(guān)性及其影響機制，對于木材無損狀態(tài)下的工藝制定及預(yù)測評價具有重要的現(xiàn)實意義。關(guān)于熱處理與基本材色指標(biāo)間相關(guān)性的問題，相關(guān)學(xué)者在不同樹種、不同溫度范圍和處理時間等方面都進(jìn)行了大量研究，涉及到俄羅斯樟子松、人工林杉木等多個樹種，溫度范圍從140℃到230℃，研究結(jié)果表明，明度指標(biāo)與處理溫度相關(guān)性的結(jié)論與本研究具有一致性，但對a*、b*值與處理溫度間相關(guān)性問題的結(jié)論并不盡一致。程大莉在熱處理杉木時得出的結(jié)論是：a*、b*值的變化趨勢相同；而鄧邵平等則在人工林杉木研究中指出，a*、b*值變化趨勢并不相同，均未表現(xiàn)出規(guī)律性[13-14]。

2.3 處理溫度對色差的影響

試驗結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度的升高，3種樹種色差均呈現(xiàn)出增大趨勢（表2）。根據(jù)色差程度鑒定標(biāo)準(zhǔn)，140℃時落葉松和紅橡材色變化為“很大”，紅胡桃僅為“明顯”；自160℃開始，落葉松和紅橡材色變化均為“截然不同”等級，而紅胡桃僅在200℃時材色變化等級為“截然不同”?？梢?，樹種不同，其材色對處理溫度反應(yīng)狀況也不相同，色差變化受樹種影響非常明顯。如200℃時紅橡色差最大，落葉松次之（色差值僅為紅橡的74%），紅胡桃最?。ㄉ钪祪H為紅橡的48%）。在熱處理各個溫度條件下，3種樹種材色對溫度的反應(yīng)也不盡一致，如落葉松在整個溫度升高過程中色差呈勻速增大趨勢，而紅橡和紅胡桃的色差變化呈階段性趨勢：在140～180℃時呈較為均勻增大趨勢，180～200℃時呈現(xiàn)出急劇增大趨勢，這一現(xiàn)象可能與闊葉樹材自身特性有關(guān)。

表2 不同熱處理溫度時3種樹種色差

對熱處理溫度和色差進(jìn)行線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，兩者間存在良好的線性相關(guān)性，落葉松、紅橡和紅胡桃3樹種的R2值分別達(dá)到0.992 9、0.992 3和0.938 2，表明盡管不同樹種對熱處理條件的反映存在一定差異，但并不影響色差與熱處理溫度間的線性相關(guān)性，這就為特定的色差變化以及一定材色變化基礎(chǔ)上的溫度推導(dǎo)等問題的模擬計算奠定了基礎(chǔ)，對實踐中理想材色控制與預(yù)判具有重要的指導(dǎo)意義。與熱處理溫度和色差間的相關(guān)性一致，處理溫度與明度間也存在著良好的線性相關(guān)性，是因為在色差計算中明度占比較大（表3），3個樹種在各個溫度條件下的明度值對色差的影響系數(shù)都達(dá)到了一個較高值。關(guān)于這一結(jié)論，孫龍祥等[15]在熱處理樟子松引起材色變化的研究中指出，木材處理后色差增大主要是由木材明度變化導(dǎo)致；Bekhta等[16]在水曲柳試材的研究中也曾得出相同的結(jié)論，研究指出，水曲柳材色變化的主要因素是明度值的變化，可以通過明度的變化來表現(xiàn)整體材色的變化趨勢，從而分析判斷木材處理效果。González-Pena等[17]則將明度與色差用于與處理材的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，結(jié)論是色差與各物理力學(xué)性能指標(biāo)之間的決定系數(shù)高于明度的決定系數(shù)。

表3 明度對色差影響系數(shù)

3 結(jié)論

3.1 不同樹種材色變化對熱處理溫度的反應(yīng)程度存在著差異，其中紅橡對處理溫度反應(yīng)最為明顯；從視覺特性來看，興安落葉松在160℃處理的材色最為美觀，而熱處理對紅橡和紅胡桃材色美學(xué)特性的影響并不顯著。

3.2 明度（L）受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對熱處理溫度最為敏感的材色參數(shù)，兩者具有顯著的線性相關(guān)性；色差分析表明，隨著處理溫度升高，紅胡桃色差值明顯低于落葉松和紅橡，進(jìn)一步反映了色差變化受樹種影響非常明顯的現(xiàn)象；明度對色差較高的影響系數(shù)表明，色差值主要取決于明度的變化，因此可以通過明度的變化來表征整體材色的變化趨勢。

［1］段新芳.木材顏色調(diào)控技術(shù)［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社,2002.

［2］ZANUNCIO A J V．Heat treatment and color of Eucalyptus grandis wood［J］．Floresta Ambiente，2014，21(1):85-90.

［3］成真,劉迎濤.熱處理木材的材色變化研概述［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015(15):174-176.

［4］陳澤君,王勇,鄧臘云,等.木材熱處理工藝研究進(jìn)展［J］.湖南林業(yè)科技,2012(2):62-65.

［5］李延軍,唐榮強,鮑濱福,等.高溫?zé)崽幚砟静墓に嚨某醪窖芯浚跩］.林產(chǎn)工業(yè),2008(2):16-18.

［6］陳澤君,王勇,馬芳,等.高溫?zé)崽幚韺θ斯ち謼钅疚锢砹W(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012 (6):142-145.

［7］龍超,郝丙業(yè),劉文斌,等.影響熱處理木材力學(xué)性能的主要工藝因素［J］.木材工業(yè),2008(1):43-45.

［8］李濤,高華,蔡家斌,等.Plato熱處理工藝對云杉木材順紋抗壓性能的影響［J］.林業(yè)科技開發(fā),2013(6):73-75.

［9］羅法三,孫偉倫,許民.生物質(zhì)燃?xì)鉄崽幚砺淙~松木材性能測試［J］.林業(yè)科技,2014,39(3):31-33.

［10］TJEERDSMABF，MILITZH.Chemical changes in hydrothermal treated wood:FTIR analysis of combined hydrothermal and dry heat-treated wood［J］.Holz als Rohund Werkstoff，2005，63(2): 102-111.

［11］史薔,呂建雄,鮑甫成,等.熱處理木材性質(zhì)變化規(guī)律及變化機理研究［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備,2011(3):20-24.

［12］WESTERMARKU，SAMUELSSONB，LUNDQUISTK.Homolytic cleavage of the β-ether bond in phenolic β-O-4 structures in wood lignin and in guaiacylglycerol-β-guaiacyl ether［J］. Research on Chemical Intermediates，1995，21(3):343-352.

［13］鄧邵平,陳寒嫻,林金春,等.高溫?zé)崽幚砣斯ち稚寄灸静牡牟纳屯匡椥阅埽跩］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010(5):484-489.

［14］程大莉，蔣身學(xué)，張齊生.杉木熱處理材的耐腐性研究［J］.木材工業(yè),2008(6):11-13.

［15］孫龍祥，趙有科，呂建雄,等.熱處理溫度與時間對樟子松木材顏色的影響［J］.木材工業(yè),2014(6):16-19.

［16］BEKHTA P，NIEMZ P.Effect of high temperature on the change incolor，dimensionalstabilityand mechanicalpropertiesofspruce wood［J］.Holz-forschung，2003，57(5):539-546.

［17］GONZALEZ-PENA M M，HALE M D C.Colour in thermally modified wood of beech，Norway pruce and Scots pine．Part 2: Property predictions from color changes［J］．Holzforschung，2009，63(4):394-401.

第1作者簡介：張倩（1988-），女，碩士，研究實習(xí)員，研究方向：木材干燥。

The Effect of Heat Treatment Temperature on Wood Color of Different Species

ZHANGQian
（Heilongjiang Institute of Wood Science,Harbin150081）

Understanding different species reflect the situation on treatment temperature is important for precise quality control process.By studying the effect of heat treatment temperature on wood color,basic material and color rendering index of three species of timber,the effect of heat treatment temperature on wood color and the intrinsic correlation were analyzed.The results showed that under the same process conditions,color change of different tree species was significant differences；Regularity between brightness and processing temperature is the most obvious,which is the most sensitive to the heat treatment temperature and has a high impact on color change.

Heat treatment Temperature;Color Value;Wood color;Lightness

S781.7

A

1001-9499（2017）02-0047-04

楊亮慶（1981-），男，博士，副研究員，研究方向：木材干燥及改性。

2017-01-04

（責(zé)任編輯：潘啟英）

*黑龍江省林業(yè)科學(xué)院青年基金項目“高溫?zé)崽幚韺δ静牟纳煽匦缘难芯俊?2015Q02)