李鳳龍 嚴(yán)悅 谷雪 郭明輝

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

孫偉倫

(哈爾濱市三立雅風(fēng)科技開發(fā)有限公司)

高溫?zé)崽幚砺淙~松的涂飾性能及涂飾后抗彎強(qiáng)度1)

李鳳龍 嚴(yán)悅 谷雪 郭明輝

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

孫偉倫

(哈爾濱市三立雅風(fēng)科技開發(fā)有限公司)

采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣對(duì)落葉松進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚芯苛瞬煌幚頊囟?、處理時(shí)間的落葉松經(jīng)油性漆、水性漆和木蠟油涂飾后的性能變化，分析了不同處理?xiàng)l件下的落葉松涂飾后表面顏色、耐干熱、耐濕熱、附著力、耐磨性、鉛筆硬度以及抗彎強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：經(jīng)涂飾處理后的熱處理落葉松，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，色飽和度差(ΔC*)明顯下降，色差(ΔE*)及色相差(ΔH*)顯著增加，說明涂飾可以有效改善木材表面的顏色；相對(duì)于熱處理時(shí)間，熱處理溫度對(duì)落葉松涂飾過程的影響更明顯；涂飾后的落葉松漆膜性能結(jié)果分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.2—2005、GB/T 4893.3—2005、GB/T 4893.4—2013和GB/T 4893.8—2013)的一級(jí)或二級(jí)，抗彎強(qiáng)度的改變相對(duì)較小。

落葉松；熱處理；色度學(xué)；涂飾性能；抗彎強(qiáng)度

木材因具有環(huán)境友好性、可靠性和良好的價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)，一直受到人們的青睞。由于視覺觀念的盛行，使得顏色成為一個(gè)非常重要的性質(zhì)，對(duì)人們選擇木材種類起到?jīng)Q定性作用。對(duì)于木材的改性方法有很多種，其中熱處理是最受歡迎的方法之一。近幾年來，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者在對(duì)熱處理木材顏色的影響因素方面進(jìn)行了研究，并且取得了顯著成果[1]。據(jù)報(bào)道，天然木材中的顏色來源與提取物及木質(zhì)素中的發(fā)色基團(tuán)有關(guān)，而木材的熱處理會(huì)降解細(xì)胞壁化合物和提取物來改變其化學(xué)成分。熱降解從半纖維素的脫乙酰化開始，過程中釋放的乙酸會(huì)作為增加多糖分解的解聚催化劑[2-7]；而無定型纖維素的降解，使得纖維素結(jié)晶度進(jìn)一步增加。木質(zhì)素中的β-O-4鍵的裂解和甲氧基含量的降低，形成更濃縮的結(jié)構(gòu)[8]，使得木材的材色發(fā)生變化，甚至影響木材本身的涂飾性能。木材的材色是消費(fèi)者非常看重的木材屬性，是選擇特定木材的決定性因素之一[9]。因此，展開在不同的熱處理?xiàng)l件下，對(duì)其表面顏色的涂飾性能的研究將會(huì)對(duì)人們的選擇產(chǎn)生積極的意義[10]。

本研究以落葉松(Larch)為試驗(yàn)試材，采用高溫?zé)崽幚淼姆椒?，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，在200、210、220 ℃的條件下分別處理2、4、6 h；再對(duì)熱處理落葉松分別進(jìn)行油性漆、水性漆和木蠟油涂飾，并分析涂飾后表面顏色變化、漆膜性能以及力學(xué)性能，以期為我國(guó)熱處理木材表面涂飾研究和工業(yè)化應(yīng)用提供一些技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)用落葉松產(chǎn)地為黑龍江省佳木斯市，試驗(yàn)采用落葉松尺寸為200 mm(長(zhǎng))×130 mm(寬)×30 mm(厚)，去除掉可見缺陷的試件并進(jìn)行表面刨光，試驗(yàn)前調(diào)整木材含水率為8%，本實(shí)驗(yàn)為3因素3水平試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)條件3塊板材，共計(jì)108塊。

多樂士油性透明木器漆、多樂士水性透明木器漆(半啞光)以及朗秀木蠟油(啞光)，均為市售。

自制高溫?zé)崽幚碓O(shè)備；NF333型分光光度計(jì)；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；SPX-250BⅢ恒溫恒濕箱；FNS電熱烘箱。

1.2 方法

1.2.1 高溫?zé)崽幚?/p>

初期的處理升溫階段，以18 ℃/h的速度從室溫逐漸升至100 ℃；然后以10 ℃/h的升溫速度從100 ℃升到120 ℃，在120 ℃時(shí)保溫5 h，并開始通入氮?dú)鈁11]；然后以2 ℃/h的速度升到150 ℃，保溫5 h；最后以2 ℃/h的速度升到實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值，并保持相應(yīng)時(shí)間2、4、6 h。在熱處理過程中，從120 ℃開始向箱體內(nèi)通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，保證熱處理設(shè)備內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于較低狀態(tài)，熱處理結(jié)束后，使熱處理設(shè)備自然降溫至室溫[12]。

1.2.2 表面涂飾

對(duì)熱處理后的落葉松分別用油性漆、水性漆和木蠟油進(jìn)行涂飾，試件在涂飾之前用400目的砂紙進(jìn)行砂光處理至表面平整光滑，用手工將油性漆、水性漆和木蠟油直接涂刷，后一次涂刷要在前一次涂刷的漆膜自然干燥后進(jìn)行，確保每次涂刷的厚度誤差在5%之內(nèi)，累計(jì)涂飾3遍，待漆膜干燥后測(cè)量其色度學(xué)參數(shù)。

1.2.3 熱處理的落葉松涂飾后顏色測(cè)定

采用NF333型分光光度計(jì)對(duì)木材的L*a*b*值進(jìn)行測(cè)定，并通過國(guó)際照明委員會(huì)推薦的CIEL*a*b*(1976)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)對(duì)顏色進(jìn)行表征[13-14]。對(duì)素材及涂飾后的表面顏色進(jìn)行測(cè)定。測(cè)色時(shí)在每個(gè)試件表面早晚材處各取3個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為該試件在涂飾前后的明度指數(shù)(L*)、紅綠軸色品指數(shù)(a*)、黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)。通過相應(yīng)表色系統(tǒng)公式，分別求得明度差值(ΔL*)、色度指數(shù)差值(Δa*、Δb*)和色差(ΔE*)，取平均值作為測(cè)定結(jié)果。

1.2.4 熱處理落葉松涂飾后漆膜性能評(píng)價(jià)

分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.2—2005、GB/T 4893.3—2005、GB/T 6739—2006、GB/T 4893.4—2013和GB/T 4893.8—2013進(jìn)行漆膜性能測(cè)定。

1.2.5 熱處理落葉松涂飾前后抗彎強(qiáng)度的測(cè)定

采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)素材及經(jīng)油性漆、水性漆和木蠟油涂飾后的素材進(jìn)行測(cè)試，并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》中的GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理落葉松涂飾前后表面顏色的變化

2.1.1 油性漆涂飾

落葉松熱處理材經(jīng)油性漆涂飾前后表面顏色變化情況見表1?？梢姡托云嵬匡椇?，200、210、220 ℃落葉松表面的明度(L*)均有不同程度的下降，220 ℃與素材之間的明度差異(ΔL*)最為明顯，但是與210 ℃的涂飾處理后明度差異顯著縮小，表明隨著熱處理溫度的逐漸增加，木材涂飾表面的明度趨于穩(wěn)定。在相同的處理溫度時(shí)，時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，明度變化幅度趨于平緩；在相同的處理時(shí)間下，溫度逐漸增加，明度變化幅度增大。

表1 熱處理落葉松油性漆涂飾前后的表面色度學(xué)參數(shù)

紅綠軸色品指數(shù)(a*)在涂飾后均有增大，相比于220 ℃處理?xiàng)l件，200、210 ℃增大的幅度顯著。黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)與紅綠軸色品指數(shù)(a*)變化規(guī)律相反，除在200 ℃、2 h和210 ℃、2 h條件下有增加趨勢(shì)外，其余熱處理?xiàng)l件均呈下降趨勢(shì)。涂飾后的色飽和度差異(ΔC*)除在200 ℃、2 h和210 ℃、2 h條件下有顯著增加外，均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，并且在200 ℃時(shí)，下降幅度顯著。涂飾后的色相差異(ΔH*)總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。涂飾后的總體色差(ΔE*)均增大，但是在200、210、220 ℃的4、6 h處理?xiàng)l件下，總體色差(ΔE*)變化不明顯，趨于穩(wěn)定。

2.1.2 水性漆涂飾

落葉松熱處理材經(jīng)水性漆涂飾前后表面顏色變化情況見表2?？梢姡云嵬匡椇?，200、210、220 ℃落葉松表面的明度(L*)均有不同程度的下降，在210、220 ℃時(shí)明度差異(ΔL*)變化最為顯著，其中在4、6 h的明度變化最大，在200 ℃時(shí)的變化最小。

表2 熱處理落葉松水性漆涂飾前后的表面色度學(xué)參數(shù)

紅綠軸色品指數(shù)(a*)在涂飾后均減小，并且隨著溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，減小趨勢(shì)明顯。黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)與紅綠軸色品指數(shù)(a*)變化規(guī)律基本相似。涂飾后的色飽和度差異(ΔC*)逐漸下降，在210 ℃、6 h的條件下，下降幅度最大達(dá)到-15.80。在200、210 ℃熱處理?xiàng)l件下，色飽和度差異(ΔC*)變化明顯。涂飾后的色相差異(ΔH*)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，尤其在200 ℃熱處理?xiàng)l件下，色相差異(ΔH*)變化為11.20、12.10、12.85，變化幅度要高于210、220 ℃處理?xiàng)l件。涂飾后總體色差(ΔE*)呈增加趨勢(shì)，但在200、210、220 ℃的4、6 h的條件下，總體色差(ΔE*)變化趨于穩(wěn)定。

2.1.3 木蠟油涂飾

落葉松熱處理材經(jīng)木蠟油涂飾前后表面顏色變化情況見表3?？梢?，木蠟油涂飾后，200、210、220 ℃落葉松表面的明度(L*)均有不同程度的下降，在200 ℃的2、4、6 h處理?xiàng)l件下，明度的變化幅度較小，而在210、220 ℃處理?xiàng)l件下，明度變化幅度明顯增加。但是在200、210、220 ℃的4、6 h處理?xiàng)l件下，變化幅度趨于平緩。

表3 熱處理落葉松木蠟油涂飾前后的表面色度學(xué)參數(shù)

紅綠軸色品指數(shù)(a*)在涂飾后均呈增加趨勢(shì)，但是在210 ℃的2、4、6 h處理?xiàng)l件下，紅綠軸色品指數(shù)(a*)變化幅度趨于穩(wěn)定。黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)的變化規(guī)律與紅綠軸色品指數(shù)(a*)相反，總體呈下降趨勢(shì)。在220 ℃的熱處理?xiàng)l件下，黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)變化幅度最大，分別為-15.43、-14.67、-19.67。色飽和度差異(ΔC*)總體呈下降趨勢(shì)，在220 ℃的處理?xiàng)l件下，色飽和度下降的幅度最大。涂飾后的色相差異(ΔH*)逐漸增加。涂飾后的總體色差(ΔE*)呈增加趨勢(shì)，200、210 ℃處理?xiàng)l件下的色差變化要小于220 ℃的色差變化，可見溫度對(duì)木蠟油涂飾過程色差變化起主導(dǎo)作用。

2.2 熱處理落葉松涂飾后漆膜性能評(píng)價(jià)

①表面耐干熱：熱處理后的落葉松分別在60、70和80 ℃條件下，靜置烘干30 min處理，油性漆、水性漆和木蠟油形成的漆膜表面未出現(xiàn)顯著變化，漆膜耐干熱性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.3—2005)評(píng)定等級(jí)的一級(jí)。

②表面耐濕熱：熱處理后的落葉松分別經(jīng)60、70和80 ℃，濕度為80%條件下，靜置處理30 min，油性漆、水性漆和木蠟油形成的漆膜表面無明顯翹曲開裂現(xiàn)象，耐濕熱性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.2—2005)評(píng)定等級(jí)的一級(jí)。

③漆膜附著力：油性漆和木蠟油涂飾后的熱處理落葉松表面漆膜附著力測(cè)試結(jié)果表明，表面漆膜割痕光滑，未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，表面漆膜附著力性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.4—2013)評(píng)定等級(jí)的一級(jí)。水性漆的漆膜附著力在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，割痕交叉處出現(xiàn)漆膜脫落現(xiàn)象，漆膜附著力性能達(dá)到評(píng)定等級(jí)的二級(jí)。

④漆膜耐磨性：在砝碼質(zhì)量1 000 g，轉(zhuǎn)數(shù)為1 000 r條件下，分別對(duì)3種涂料的漆膜性能進(jìn)行測(cè)試，油性漆和木蠟油的漆膜未露白，耐磨性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.8—2013)評(píng)定等級(jí)的一級(jí)，而水性漆涂飾形成的表面漆膜呈現(xiàn)出露白現(xiàn)象，耐磨性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4893.8—2013)評(píng)定等級(jí)的二級(jí)。

⑤漆膜硬度：表面漆膜硬度測(cè)試結(jié)果表明，油性漆的表面漆膜在2B硬度鉛筆下測(cè)定合格，水性漆的表面漆膜在3B硬度鉛筆下測(cè)定合格，木蠟油的表面漆膜在HB硬度鉛筆下測(cè)定合格，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 6739—2006)。

表4 熱處理落葉松表面漆膜性能評(píng)價(jià)

2.3 熱處理落葉松涂飾后抗彎強(qiáng)度的變化

在熱處理過程中，木材主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)均發(fā)生了一定程度的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致木材的力學(xué)性能發(fā)生顯著變化[15]。

表5 不同熱處理時(shí)間對(duì)落葉松涂飾后抗彎強(qiáng)度的影響

熱處理落葉松溫度的逐漸提升，落葉松的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。熱處理溫度為200～220 ℃、時(shí)間為2～6 h的熱處理?xiàng)l件下，素材以及經(jīng)水性漆、油性漆和木蠟油涂飾后的落葉松抗彎強(qiáng)度損失率最大為26.13%、24.70%、27.51%和26.38%。熱處理時(shí)間為2 h時(shí)，經(jīng)過涂飾的熱處理落葉松的抗彎強(qiáng)度要大于素材自身的抗彎強(qiáng)度，但是總體上均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。素材、水性漆、油性漆和木蠟油涂飾后的落葉松抗彎強(qiáng)度損失率依次為16.50%、17.49%、16.78%和18.06%。從表5中可見，涂飾后抗彎強(qiáng)度相對(duì)素材有所提高，但是從抗彎強(qiáng)度損失率來看，涂飾對(duì)于延緩抗彎強(qiáng)度的下降并沒有明顯的作用。熱處理4、6 h時(shí)，其變化趨勢(shì)與熱處理2 h時(shí)相似，可知熱處理溫度是落葉松抗彎強(qiáng)度變化的決定性因素。相比于溫度，熱處理時(shí)間對(duì)落葉松抗彎強(qiáng)度的影響較小。綜上所述，對(duì)落葉松進(jìn)行涂飾，其表面顏色的改變比較明顯，抗彎強(qiáng)度的改變則相對(duì)較小。

3 結(jié)論

熱處理落葉松經(jīng)油性漆、水性漆和木蠟油涂飾后，明度(L*)呈顯著下降趨勢(shì)，且熱處理溫度對(duì)涂飾后落葉松的明度(L*)影響更明顯。油性漆涂飾后的紅綠軸色品指數(shù)(a*)逐漸降低，降低最大幅度絕對(duì)值為6.32，逐漸趨向于綠色；水性漆涂飾后的紅綠軸色品指數(shù)(a*)呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，逐漸趨向于紅色；木蠟油在涂飾過程中，紅綠軸色品指數(shù)(a*)均有一定程度的增加，紅綠軸色品指數(shù)(Δa*)的變化范圍為0.74～2.95，逐漸趨向于紅色。黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)呈現(xiàn)出波動(dòng)變化形式，未出現(xiàn)顯著的變化趨勢(shì)，可能是由于木材內(nèi)部的木質(zhì)素以及其他抽提物的降解或發(fā)生變化所致。

經(jīng)油性漆、水性漆和木蠟油涂飾后，色飽和度差異(ΔC*)總體呈下降趨勢(shì)，色差(ΔE*)與色相差異(ΔH*)呈上升的趨勢(shì)，但對(duì)比于時(shí)間，溫度對(duì)其上升幅度的影響相對(duì)較大。

熱處理落葉松涂飾后的漆膜性能良好，水性漆、油性漆和木蠟油涂飾后耐干熱、耐濕熱性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定等級(jí)的一級(jí)；油性漆、木蠟油涂飾后的附著力、耐磨性均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的一級(jí)，而水性漆涂飾后的附著力、耐磨性達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的二級(jí)。3種涂料中，水性漆漆膜的硬度要低于油性漆和木蠟油。

落葉松的抗彎強(qiáng)度隨著熱處理溫度的逐漸升高而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。經(jīng)水性漆、油性漆和木蠟油涂飾的熱處理落葉松，其抗彎強(qiáng)度在相同溫度下有著明顯的提高，但是隨著熱處理的溫度增加，抗彎強(qiáng)度的損失率要高于素材抗彎強(qiáng)度的損失率?？梢?，木材表面涂飾對(duì)于延緩熱處理落葉松抗彎強(qiáng)度的降低未起到顯著作用。

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PaintingPropertiesofHighTemperatureHeat-treatedLarchandBendingStrengthofHighTemperatureHeat-treatedLarchafterPainting

//Li Fenglong, Yan Yue, Gu Xue, Guo Minghui

(Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Sun Weilun

(Harbin Sunlight Yafeng Science and Technology Development Company Limited)

We studied the effects of different temperature and time treatment on the performance of larch by oil-based paint, water-based paint and wood wax oil were studied by using nitrogen as the protective gas. We analyzed the changes of surface color, dry heat resistance, wet heat resistance, adhesion, abrasion resistance, pencil hardness and flexural strength of larch after different treatment conditions. The color saturation difference ΔC*was decreased obviously after the finishing treatment and the color difference ΔE*and ΔH*were increased significantly with the rise of temperature and time. The coating treatment effectively improved the color performance of the wood. Heated treatment temperature was mainly responsible for color performance of coated larch. Film performance of coated larch were classified into level 1 and level 2 of the national standard (GB/T 4893.2-2005, GB/T 4893.3-2005, GB/T 4893.4-2013 and GB/T 4893.8-2013) and the change in bending strength was relatively small.

Larch； Heat-induced； Chromaticity； Painting performance； Bending strength

S781.7

1)“十二五”國(guó)家科技支撐課題資助(2015BAD14B0501)。

李鳳龍，男，1992年9月生，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail：895073348@qq.com。

郭明輝，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：gmh1964@126.com。

2017年4月18日。

責(zé)任編輯：戴芳天。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：49-52,59.