毛竹竹片的染料溶液渗透特性及影响因子研究*

杜春贵，舒甜甜，叶斌斌，王 林

（1. 浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300；2. 乐山吉象人造林制品有限公司，四川 乐山 614000）

毛竹竹片的染料溶液渗透特性及影响因子研究*

杜春贵1，舒甜甜1，叶斌斌1，王 林2

（1. 浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300；2. 乐山吉象人造林制品有限公司，四川 乐山 614000）

摘要：采用常压和真空加压渗透法，进行不同条件下毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）竹片的染料溶液渗透试验。结果表明：当渗透时间相同时，毛竹竹片的质量增加率和渗透深度均随竹片含水率的升高而较快降低，当渗透时间为24h时，含水率为50%的试材渗透深度约为含水率为12%的试材的20.7%；竹片越长染料溶液的渗透性能越差，当渗透时间为24 h时，200 mm长度试材的渗透深度约为100 mm的66.3%；无竹节竹片的染料溶液渗透性能优于含竹节竹片，当渗透时间为24 h时，有竹节试材的渗透深度约为无竹节试材的70.5%；染料溶液在竹片纵向的渗透性能比径向和弦向大得多，其渗透深度的大小顺序为：径向＜弦向＜纵向；酸性染料溶液的渗透性能优于碱性染料；染料溶液浓度越大，渗透性能越低，1%酸性大红染料水溶液的渗透深度分别为浓度为3%、5%的125.6%、185.7%；染料溶液的pH值为4.5时渗透性能最好；提高染料溶液的温度可以提高渗透性能；增加染料溶液的渗透时间可以较快提高其渗透性能；真空加压浸注与常压浸注相比，能显著提高竹片的染料溶液渗透性能。

关键词：毛竹；竹片；染料溶液；渗透性能；影响因子

中国的竹林面积、蓄积量、竹材产量均居世界第一[1～2]。世界竹子中性能最优良、利用价值最高，集中成片分布的毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）约90%分布在我国，这为我国竹材工业化利用提供了得天独厚的优势，因而我国竹材的工业化利用主要是指毛竹的加工利用[2～4]。我国现已成为世界上最大的竹材制品出口国，其中竹地板在生产技术和产品质量方面已处于国际领先水平，60%出口到欧美等国家和地区，深受国内外消费者的欢迎[4～5]。但市场上销售的竹地板主要是本色、漂白色和炭化色3种[2]，产品颜色品种少，难以满足市场对竹地板色彩多样化的需求，制约了竹地板产业的可持续发展。因此，研发色彩丰富的竹地板具有十分重要的现实意义。

对竹地板的基本单元——竹片进行染色是实现竹地板颜色多样化的最重要手段。竹片通过染色来调节颜色深浅，可以改变竹地板的颜色，从而改善竹地板的视觉特性和装饰性能，提高竹地板的表面质量和附加值。当前竹材染色大多借鉴木材染色的研究成果，有关竹材染色的研究报道较少，由于木材染色过程实质上是染料分子在木材中的渗透和固着过程[6]，所以染料溶液在竹材的渗透特性对竹材的染色效果有很重要的影响。虽然竹材与木材同属各向异性材料，但竹材的维管束走向平行且整齐，纹理一致，没有木射线等横向组织[7～8]，因而竹材染料溶液的渗透性能有自己独特的特点。目前，有关竹地板生产所用的毛竹竹片的染料溶液渗透特性的系统研究尚未见报道。作者采用常压和真空加压渗透法对毛竹竹片进行了不同条件下染料溶液的系列渗透试验，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

毛竹竹片：按照《竹材物理力学性质试验方法》（GB/T15780-1995）中规定的方法，在浙江省临安市采集一批竹龄为5 a的毛竹竹材，利用竹地板生产中加工竹片的设备，将毛竹竹材截断、开片，经刨削后剔除竹青、竹黄，再根据不同的试验要求加工成竹片。除研究长度对染料溶液渗透性能影响的竹片外，其它试验所用竹片的尺寸均为：100 mm×20 mm×7.5 mm（长×宽×厚）；除考察竹节对染料溶液渗透性影响的竹片含竹节外，其它试验所用竹片均不含竹节；除探讨含水率对染料溶液渗透性能影响的竹片外，其它试验所用竹片均干燥至含水率12%左右。

染料：酸性大红GR、碱性大红、碱性品蓝固体染料，按不同的试验要求配制成不同浓度的染料水溶液。

1.2 方法

1.2.1 常压渗透 探讨不同含水率（12%、30%、50%）、不同长度（100、150、200 mm）、含竹节、不同渗透方向（纵向、弦向、径向，分别留有端面、弦面、径面，不试验面用环氧树脂胶密封）的毛竹竹片对染料溶液渗透性能的影响时，将它们分批分别置于浓度为1%的酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透；探讨染料种类对染料溶液渗透性能的影响时，采用浓度为1%的酸性大红、碱性大红、碱性品蓝的染料水溶液，对毛竹竹片进行常温常压渗透；以上每种因素的常温常压渗透时间均为：1、2、4、8、12、24h。

此外，采用常压渗透法，探讨酸性大红染料水溶液浓度（1%、3%、5%）和pH值（3.0、4.5、6.0），以及染色温度（60、75、90℃）和染液渗透时间（1、2、4、8、12、24h）对染料溶液渗透性能的影响。

1.2.2 真空加压渗透 采用浓度为1%的酸性大红染料水溶液，对毛竹竹片进行真空加压浸注，真空加压渗透时间分别为：30、60、90和120 min；前真空度为0.085 MPa，时间30 min；加压压力0.7 MPa，后真空度为0.085 MPa，时间30 min。

1.2.3 染料溶液的渗透效果检测 不同渗透方向（纵向、弦向、径向）染料溶液渗透效果的评定，采用单位面积的重量增加率（增重率）和渗透深度来表示；对于其它试验条件，采用称量竹片浸渍前后的重量变化，计算增重率和渗透深度来表示。对于渗透深度的测定，采用不同试验条件下渗透试验完全结束后的竹片，沿纵向剖开，均匀取点，测量纵向渗透深度；每一渗透试验条件，重复5次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 常压渗透试验结果与分析

2.1.1 竹片含水率对染料溶液渗透性能的影响 将含水率分别为12%、30%、50%的毛竹竹片置于浓度为1%的酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透试验，毛竹竹片的增重率和渗透深度的变化情况见表1。

表1 竹片含水率与染料溶液渗透性能的关系Table 1 Relation between moisture content of strip and permeability of dye solution

从表1可知，当渗透时间相同时，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着含水率的增大而快速降低，当渗透时间为24 h时，含水率为50%的试材的增重率约为含水率12%的44.6%，渗透深度约为含水率12%的20.7%。可见，毛竹竹片的含水率对其染料溶液渗透性能有很大影响。这主要是因为：竹片的含水率越高，竹片内部的水分就越多，空隙率也越小，当竹片置于染料水溶液中时，染料水溶液就越难渗入其内部；而含水率越低，竹片内部的水分就越少，空隙率也越大，当竹片置于染料水溶液中时，由于竹片外部的水分含量远大于内部，从而在竹片内外形成了含水率梯度，致使竹片外部的水分较易进入竹片内部。因此，进行毛竹竹片的染色试验时，应将其含水率调控在适宜的范围内。

2.1.2 竹片长度对染料溶液渗透性能的影响 将长度分别为100、150、200 mm的毛竹竹片置于浓度为1%的酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透试验，结果如表2所示。

表2 竹片长度与染料溶液渗透性能的关系Table 2 Relation between strip length and permeability of dye solution

从表2可以看出，当渗透时间相同时，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着竹片长度的增大而降低，当渗透时间为24 h时，长度为200 mm试材的增重率约为长度100 mm的83.5%，渗透深度约为其66.3%。可见，毛竹竹片的长度对染料溶液的渗透性能有较大影响。究其原因可能是因为随着竹片长度的增加，染料水溶液移动的距离增加，渗透阻力也随之增大，致使试材的增重率和渗透深度随之降低。

2.1.3 竹节对染料溶液渗透性能的影响 分别将含有竹节和不带竹节的毛竹竹片置于浓度为1%的酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透，试验结果见表3。

从表3可以得知，含竹节试材的增重率和渗透深度均比不含竹节的小，当渗透时间为24 h时，有竹节试材的增重率约为无竹节试材的87.8%，渗透深度约为其70.5%。可见，竹节对染料溶液的渗透性能有影响。其可能的原因是在竹材中竹节部的维管束大量分叉、迂回交错，形成了复杂的网状维管束系统[9～10]，从而阻碍了染料溶液的纵向渗透，导致不含竹节的毛竹竹片的渗透性能好于含竹节的毛竹竹片。

2.1.4 渗透方向对染料溶液渗透性能的影响 将分别留有端面、弦面、径面的毛竹竹片，置于浓度为1%的酸性大红水溶液中，进行常温常压渗透试验。由于竹片径向、弦向、纵向的渗透面积相差较大，若用增重率来评价其渗透性能，将难以进行对比，故采用单位面积的增重率来判定其渗透性能。毛竹竹片径向、弦向、纵向的单位面积增重率和渗透深度的试验结果如表4。

表3 竹节与染料溶液渗透性能的关系Table 3 Relation between bamboo node and permeability of dye solution

从表4可得知，无论在何种渗透时间下，试材的单位面积增重率和渗透深度的大小顺序均为：径向＜弦向＜纵向，即纵向渗透性能远好于横向，例如当渗透时间为24 h时，试材的纵向单位面积增重率约为弦向的3倍，径向的2.2倍；试材的纵向渗透深度约为弦向的13.5倍，径向的15.2倍。这可能是因为构成竹材的维管束全部纵向排列，没有木射线等横向组织，导致竹材纵向的渗透深度远大于横向。

表4 染料溶液渗透方向与渗透性能的关系Table 4 Relation between penetration direction and permeability of dye solution

2.1.5 染料种类对染料溶液渗透性能的影响 分别将毛竹竹片置于浓度为1%的碱性大红、碱性品蓝、酸性大红的染料水溶液中，进行常温常压渗透试验，试验结果见表5。

从表5可知，当试材渗透24 h后，经碱性大红、碱性品蓝染料溶液渗透试材的增重率，分别为经酸性大红染料溶液渗透试材的93.3%、92.7%；经碱性大红、碱性品蓝染料溶渗透试材的渗透深度，分别是经酸性大红染料溶液渗透试材的53.8%、81.2%。可见，染料种类对毛竹竹片的染料溶液渗透性能有一定的影响，试材在酸性大红染料溶液进行渗透后的增重率和渗透深度均高于在碱性大红、碱性品蓝染料溶液渗透后的试材，但其数值相差并不大。这可能是由于毛竹竹片呈弱酸性，因而碱性染料可能与竹材内酸性物质发生化学反应，从而降低了染料溶液的渗透量，使其渗透性能降低，导致用酸性大红染料溶液对毛竹竹片渗透的浸透性能大于碱性大红和碱性品蓝。

2.1.6 染料溶液浓度对渗透性能的影响 将毛竹竹片分别置于浓度为1%、3%、5%的酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透试验，试验结果见表6。

从表6可知，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着酸性大红染料溶液浓度的增大而降低，例如当试材渗透24h后，经浓度为1%的酸性大红染料溶液渗透试材的增重率，分别是浓度为3%、5%的115.6%、140.0%，渗透深度分别是浓度为3%、5%的125.6%、185.7%。可见，染料溶液的浓度对竹片的渗透性能有较大影响。因为随着染料溶液浓度梯度的增大，染料分子会集聚，造成竹材细胞壁纹孔阻塞[11]，致使毛竹竹片的渗透性能降低。

表5 染料种类与染料溶液渗透性能的关系Table 5 Relation between dye types and permeability of dye solution

2.1.7 染色温度对染料溶液渗透性能的影响 将毛竹竹片分别置于水浴温度为60、75、90℃的1%酸性大红染料水溶液中，进行常压渗透试验，试验结果见表7。

表6 染料溶液浓度与渗透性能的关系Table 6 Relation between dye concentration and permeability of dye solution

从表7可知，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着染色温度的增加而增大。当试材渗透24 h后，染色温度为60℃试材的增重率和渗透深度，分别是染色温度为90℃的70.4%和45.7%。由于染色温度越高，分子运动的速度越快，染料的聚集程度越低，染液的流动性也越好，从而大大提高了染液的渗透能力，增加了染料的渗透量。但过高的温度有可能导致竹材水解，会降低竹片的力学强度，并增大能耗。

2.1.8 染料溶液pH值对渗透性能的影响 将毛竹竹片分别置于pH值为3.0、4.5、6.0的1%酸性大红染料水溶液中，进行常温常压渗透试验，试验结果见表8。

从表8可知，当染料溶液的pH值从3.0升高到4.5，毛竹竹片的增重率和渗透深度随着pH值的增大而逐渐增大；当染料溶液的pH值从4.5升高到6.0，毛竹竹片的增重率和渗透深度随着pH值的增大而逐渐减小；毛竹竹片的染料溶液渗透性能，在pH值为4.5时最好。当渗透时间为24 h时，经pH值为4.5的酸性大红染料溶液处理试材的渗透深度是pH值为3的133.8%、pH为6的159.3%。可见，染料溶液的pH值对毛竹竹片的渗透性能有较大影响，这可能与竹材本身呈弱酸性有关。因此，适宜的酸度有利于提高毛竹竹片染料溶液的渗透性能。2.1.9 染料溶液渗透时间对渗透性能的影响 从表1至表8可知，无论在何种渗透试验条件下，随着毛竹竹片在染料溶液中渗透时间的延长，毛竹竹片的增重率均快速增大，毛竹竹片质量增加率约占24 h处理时的20%左右，但仍以1 h处理时间增长最快。

表7 染色温度与染料溶液渗透性能的关系Table 7 Relation between the dyeing temperature and permeability of dye solution

试验还表明，延长染液的渗透时间可大大提高毛竹竹片的染料溶液渗透性能，但渗透时间越长，生产效率越低。因此，进行竹片染色时，应在保证染色效果的前提下，尽量减少染料溶液的浸注时间。

表8 染料溶液pH值与渗透性能的关系Table 8 Relation between the pH value and permeability of dye solution

2.2 真空加压渗透试验结果与分析

采用浓度为1%的酸性大红染料水溶液，对毛竹竹片进行真空加压浸注，真空加压渗透时间分别为30、60、90和120 min，试验结果如表9所示。

由表9可知，随着试材在染料溶液中真空加压下浸注时间的增加，试材的增重率和渗透深度均快速增大。究其原因，主要是因为试材通过真空加压可以排出内部部分空气，增大内部空隙率，减少染料溶液向竹材内部扩散的阻力，相应提高了染料溶液的渗透性能。

采用浓度为1%的酸性大红染料水溶液，对毛竹竹片进行常压浸注60 min后，试材的增重率为7.8%，渗透深度为9.74 mm；真空加压浸注60 min后，试材的质量增加率为46.1%，渗透深度为25.33 mm。与真空加压下浸注60 min后对比，常压浸注的试材增重率仅为真空加压注的16.9%，渗透深度仅为真空加压浸注的38.5%。因此，真空加压浸注能显著提高毛竹竹片染料溶液的渗透性能。

表9 真空加压浸注对染料溶液渗透性能的影响Table 9 The influence of permeability of dye solution in vacuum process

3 结论

（1）毛竹竹片的含水率对其染料溶液渗透性能有显著影响，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着含水率的增大而快速降低。

（2）毛竹竹片的长度对染料溶液的渗透性能有较大影响，随着竹片长度的增加毛竹竹片的增重率和渗透深度均降低。

（3）竹节对染料溶液的渗透性能有影响，含竹节毛竹竹片的渗透性能比不含竹节的差。

（4）染料溶液的不同方向对其渗透性能有较大影响，纵向渗透性能远大于径向和弦向，其渗透性能的大小顺序为：径向＜弦向＜纵向。

（5）染液种类对毛竹竹片的染料溶液渗透性能有一定的影响，在酸性染料溶液的渗透性能好于碱性染料；染液浓度对竹片的渗透性能有较大影响，毛竹竹片的增重率和渗透深度均随着染液浓度的增大而降低；染液的pH值对毛竹竹片的渗透性能有较大影响，当pH值为4.5时，毛竹竹片的染料溶液渗透性能最好；染液温度对竹片的渗透性能有较大影响，随着染液温度的增加毛竹竹片的增重率和渗透深度均增大；染液的渗透时间对毛竹竹片的染料溶液渗透性能有显著影响，随着毛竹竹片在染料溶液中渗透时间的延长，其增重率增大。

（6）染料溶液的真空加压浸注时间对毛竹竹片的染料溶液渗透性能有显著影响，随着试材在染料溶液中真空加压下浸注时间的增加，其增重率和渗透深度均快速增大；与常压浸注相比，真空加压浸注能显著提高毛竹竹片染料溶液的渗透性能。

参考文献：

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文献标识码：中国分类号：S795A

文章编号：1001-3776（2010）05-0009-05

收稿日期：2010-05-11；修回日期：2010-08-20

基金项目：浙江省“151人才工程”第二层次培养人员资助计划（2251200014）；浙江省新苗人才计划（2007R40G2100024）；浙江农林大学科研发展基金（2351000895）

作者简介：杜春贵（1967－），男，副教授，博士，从事竹木材加工与人造板工艺、生物质复合材料等研究。

Study on Permeability Characteristics of Dye Solution in Bamboo Strip and Its Influence Factors

DU Chun-gui1，SHU Tian-tian1，YE Bin-bin1，WANG Lin2
（1. School of Engineering, Zhejiang A&F University, Lin’an 311300, China; 2. Leshan Jixiang Timber Products Company Limited, Leshan 614000, China）

Abstract:Bamboo(Phyllostachys heterocyclacv.pubescens) strips were selected for testing permeability of dye solution using vacuum process and non-pressure treatment under different conditions. The results showed that at same treatment duration, quantity increase of strips and permeable depth of dye solution in strips decreased quickly with the increase of moisture content of strip, and when treated duration was 24 hours, permeable depth of dye solution in strips with moisture content of 50% had only 20.7% of that in strips with moisture content of 12%. The test showed that longer strips had worse permeability, and when treated duration was 24 hours, permeable depth of dye solution in strips of 200mm had only 66.3% of that in strips of 100mm. Permeability of strips without node had better result than that with node. Permeability of dye solution was much better in strips longitudinal than radial and chord direction. Permeable depth of dye solution in strips had orders as follows: ridial

Key words:Phyllostachys heterocyclacv.pubescens; bamboo strip; dye solution; permeability; influence factor