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        熱處理對(duì)賽黑樺色空間分布與光澤度的影響*

        2017-04-27 06:15:17劉明利劉明菊李春風(fēng)劉彥龍徐梓朝
        林產(chǎn)工業(yè) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:光澤度明度木材

        劉明利 劉明菊 李春風(fēng) 劉彥龍 徐梓朝

        自古以來人們將木材廣泛地應(yīng)用于家具制作和室內(nèi)裝飾。材色是木材表面視覺性質(zhì)中最為重要的物理特征,而且直接與木制品以及室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)定密切相關(guān)。影響木材顏色的主要因素是木質(zhì)素,因?yàn)槟举|(zhì)素中含有許多如苯環(huán)、羰基、乙烯基和松柏醛基等發(fā)色基團(tuán),還有與羰基、羧基及以醚鍵結(jié)合的助色基團(tuán)[1]。在熱處理過程中,木材中生成更多酚類物質(zhì),使木材顏色加深[2]。材色作為評(píng)價(jià)木材質(zhì)量的重要指標(biāo)[3],在一定程度上決定了木材的商業(yè)價(jià)值。采用缺氧高溫改性處理木材,其材色可隨熱處理時(shí)間和熱處理溫度而改變,從而可以模仿珍貴木材,獲得既經(jīng)濟(jì)又美觀的木制品[4-9]。

        賽黑樺又稱遼東樺,是一種密度高、干縮變異較大和力學(xué)強(qiáng)度大的重硬木材[10]。筆者采用缺氧高溫改性處理技術(shù)對(duì)賽黑樺木進(jìn)行改性處理,以改善木材顏色指標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品品種的多樣化。

        1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

        設(shè)備:缺氧高溫改性處理窯:0.4 m3,星楠干燥設(shè)備有限公司;色差測(cè)定儀:CR-410,柯尼卡美能達(dá)有限公司;光澤度測(cè)定儀:MG-268Plus,柯尼卡美能達(dá)有限公司;立式竄動(dòng)磨光機(jī):MM2617。

        試材:賽黑樺(Betula schmidtii),含水率8%~12%;規(guī)格尺寸:3 000 mm×350 mm×30 mm;數(shù)量:18根。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 試件熱處理

        參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)[3,4]及研究團(tuán)隊(duì)利用缺氧高溫改性處理窯處理木材的經(jīng)驗(yàn)[11,12],確定以熱處理溫度為180、195 ℃ 和 210 ℃,熱處理時(shí)間40、100 min和 160 min作為處理?xiàng)l件,進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)。從室溫開始升溫,升溫速率為5 ℃/10 min。在溫度升到試驗(yàn)設(shè)定值(180、195 ℃和210 ℃)后,保持相應(yīng)時(shí)間(分別為40、100 min和160 min)。缺氧高溫改性處理過程持續(xù)噴入水蒸汽,保證炭化窯內(nèi)氧氣含量控制在3%~5%。降溫采取先用105 ℃水蒸汽汽蒸將溫度降至120 ℃,再自然降溫至40 ℃后出窯。

        2.2 色空間及色差測(cè)定

        熱處理后,在每根試樣的徑切面上分別標(biāo)定3個(gè)測(cè)色點(diǎn)。為避免木材表面灰塵,以及熱處理后抽提物滲出影響木材顏色測(cè)定,測(cè)定前均將每根試樣的兩個(gè)徑切面刨去0.5 mm厚度,然后用CR-410測(cè)色儀測(cè)定顏色參數(shù):明度L*、紅綠軸色品指數(shù)a*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*,計(jì)算色差ΔE*。

        2.3 光澤度測(cè)定

        采用MG-268Plus光澤度測(cè)定儀,參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4893.6—1985《家具表面漆膜光澤度測(cè)定方法》,測(cè)量試材徑切面的光澤度。光線的入射方向選擇平行于紋理和垂直于紋理兩個(gè)方向,其光澤度測(cè)量值分別記作GZL(%)和GZT(%)。測(cè)點(diǎn)選擇與木材材色測(cè)量方法一致,即在每根試樣的徑切面上分別標(biāo)定3個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)測(cè)2次,取平均值作為最終數(shù)據(jù)。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 處理工藝對(duì)賽黑樺L*、a*、b*色空間分布的影響

        從表1可以看出,隨著熱處理溫度的升高,賽黑樺的L*、a*、b*降低,ΔE*增大;從圖1~4 可見,在195 ℃和210 ℃熱處理溫度下,隨著熱處理時(shí)間增加,ΔL*、Δa*、Δb*和ΔE*變化幅度較小,表明達(dá)到一定溫度的條件下,賽黑樺的色空間分布趨于穩(wěn)定;而180 ℃熱處理溫度下,隨著熱處理時(shí)間增加,賽黑樺的ΔL*和ΔE*增大,而Δa*和Δb*先增加后降低。

        表1 熱處理賽黑樺木色空間參數(shù)Tab.1 Color space parameter of heat-treated Betula schmidtii

        圖1 明度差ΔL*變化圖Fig.1 The change of ΔL*

        圖2 紅綠軸色品指數(shù)差Δa*變化圖Fig.2 The change of Δa*

        圖3 黃藍(lán)軸色品指數(shù)差Δb*變化圖Fig.3 The change of Δb*

        圖4 總色差ΔE*變化圖Fig.4 The change of ΔE*

        圖5為正交試驗(yàn)9組熱處理賽黑樺的照相圖。1、2、3窯明度接近;4、5、6窯明度接近,但較前3窯明顯加深;第7、8、9窯明度進(jìn)一步加深。說明改性處理材明度主要受處理溫度的影響,處理溫度越高明度值越小,色差增大。主要是因?yàn)殡S熱處理溫度的升高,熱穩(wěn)定性較差的纖維素及半纖維素降解,在木材內(nèi)部發(fā)生氧化聚合等反應(yīng);另外,木材中的化學(xué)組分在高溫下急劇氧化,導(dǎo)致“深色化”(吸收光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng))和“濃色化”(吸收光譜強(qiáng)度增大)的變色效果。

        據(jù)有關(guān)資料顯示,紅木類木材的色空間分布特征:L*為26~47,a*為1~17,b*為1~21,呈暗紅褐色[13]。在該試驗(yàn)中,當(dāng)熱處理溫度為180、195 ℃和210 ℃時(shí),熱處理后的賽黑樺的L*、a*、b*均在紅木類色空間參數(shù)范圍內(nèi),因此可以達(dá)到仿珍貴木材的效果。

        圖5 熱處理賽黑樺的顏色Fig.5 Surface color of heat-treated Betula schmidtii

        3.2 處理工藝對(duì)賽黑樺光澤度的影響

        從表2中可見,隨著熱處理溫度的增加,賽黑樺的GZT和GZL降低。GZL變化范圍在9.89%~18.01%;GZT變化范圍在3.73%~6.33%。由表2可知,賽黑樺熱處理材經(jīng)表面打磨處理后,GZL(S)與GZT(S)均有大幅度的提高,說明木材表面細(xì)胞腔的反射率與木材的鏡面光澤度呈正相關(guān),且GZL(S)均大于GZT(S)。這是由于木材組織構(gòu)造上存在各向異性,木材紋理與細(xì)胞的長(zhǎng)軸方向平行。當(dāng)光線順紋理射入時(shí),一部分光沿細(xì)胞長(zhǎng)軸方向從細(xì)胞內(nèi)折射,一部分沿細(xì)胞外壁折射;當(dāng)光線垂直紋理射入時(shí),由于細(xì)胞內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度方向,所以光線會(huì)受到細(xì)胞內(nèi)壁的阻擋[14]。

        由表2 可以看出,ΔGZT、ΔGZL、ΔGZL(S)和ΔGZT(S)基本隨著熱處理溫度的增加而增大,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,木材表面的孔隙變大,反射率減小,表明熱處理溫度可降低賽黑樺的光澤度。

        表2 賽黑樺木光澤度指數(shù)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of glossiness for heat-treatedBetula schmidtii

        4 結(jié)論

        通過不同高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件對(duì)賽黑樺木材材色和光澤度的影響,對(duì)比紅木類木材材色與光澤度參數(shù),得到以下結(jié)論:

        1)經(jīng)過熱處理后,明度值L*、紅綠軸色品指數(shù)a*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*降低,色差ΔE*增大,并且隨著熱處理溫度的升高,變化率增大。

        2)經(jīng)過熱處理后,賽黑樺木的GZL大于GZT。打磨后提高了光澤度。據(jù)資料查得紅木類素材的GZL數(shù)值變化范圍為5.77%~15.02%;GZT數(shù)值變化范圍為4.07%~7.7%[13]。當(dāng)熱處理溫度為195 ℃,熱處理時(shí)間為100 min和160 min,賽黑樺木材的光澤度參數(shù)在紅木類光澤度參數(shù)范圍內(nèi)。

        3)在工業(yè)化生產(chǎn)過程中,可以通過改變熱處理溫度,控制木材材色;通過改變熱處理時(shí)間,微調(diào)木材材色,從而使木材材色達(dá)到相對(duì)可控。

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