不同染色工艺对杉木边材染色渗透性的影响

王玉梅，吴华平，Nayebare Kakwara Prosper，孙芳利

(浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300)

不同染色工艺对杉木边材染色渗透性的影响

王玉梅，吴华平，Nayebare Kakwara Prosper，孙芳利

(浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300)

酸性染料由于颜色丰富，价格低廉而成为现阶段木材工业常用的染料。木材的染色效果通常与染料的渗透深度和分布均匀性密切相关。为了提高染料的染色效果，同时充分利用丰富的国产速生材，以杉木边材为试材，研究恒温浸渍法、冷热交替法和真空浸注法3种工艺对染料纵向和横向渗透性的影响。结果表明：①恒温浸渍法中，横向渗透性随着染液温度升高而增加，纵向渗透性则相反。横向渗透在染液温度为90 ℃时最大，为0.66～0.94 mm，而纵向渗透在染液温度为28 ℃时最大，为3.2～4.67 mm。在恒温浸渍中，染料的渗透深度随染色时间的延长呈现出无规则变化；②冷热交替法中，染料渗透性介于真空注入与恒温浸渍之间，温度差对横向渗透性的影响远大于对纵向渗透性的影响；相同时间内，交替次数的增加能显著提高染料在横向的渗透性，而纵向渗透性远低于横向渗透性；③真空注入中，染料在纵向和横向渗透性均最大，比恒温90 ℃浸渍2 h提高2.0～3.0倍。

染色工艺；杉木；染料渗透性

木材染色是一种简单易行的材色处理方法，不仅可以消除天然木材生长过程中产生的心边材色差，而且可以利用速生材模拟珍贵木材颜色，满足人们对珍贵木材材色的需求[1]。木材的染色效果与染料、木材种类及染色工艺密切相关。染料具有选择吸着性，影响其在木材中的渗透性，进而影响染色的深度和均匀性[2]。为了提高染料在木材中的渗透性，国内外专家学者对木材的渗透性进行了大量研究，认为对木材进行各种预处理，如机械处理、微波处理、水热处理、化学药剂处理、酶和微生物等处理，能够显著提高木材的渗透性[3-6]，也有采用不同处理工艺，如真空加压、冷热交替、高温恒温浸渍等方式提高药剂对木材的渗透性。

杉木是我国长江流域、秦岭以南地区栽培广、生长快、经济价值高的用材树种。由于其纹理通直，结构均匀，不容易翘曲和开裂，具香味，抗虫耐腐，被广泛用于建筑、家具、器具、造船等领域[7]。但是，杉木材色单一，难以满足人们对木材材色多样化的需求。此外，杉木由于内含物较多，渗透性较差，染色等改性处理较难。为了提高杉木材的染色效果，本文以杉木速生材为研究对象，比较恒温浸渍法、真空浸注法、冷热交替法3种不同的染色工艺对染料渗透性的影响，考察染料在纵向和横向均匀渗透深度的不同，从而探讨杉木材的最佳染色工艺，为杉木均匀高效染色奠定一定的基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验采用树龄20 a，直径30 cm的杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)边材为试块，试块加工成标准的径切板，尺寸为50 mm (顺纹理方向)×50 mm×20 mm(垂直于纹理方向)，用于染色的酸性红GR、酸性嫩黄G和酸性黑ATT(图1)购自青岛川林染料工业有限公司，直接使用。

图1 实验所选染料的结构图

1.2 方法

1.2.1 染液调配 酸性红GR、酸性嫩黄G、酸性黑ATT单独染色时不需要调配。混合染料是将酸性红GR、酸性嫩黄G和酸性黑ATT按照质量比为5∶5∶2进行调配，模拟海南黄花梨的颜色值。调配依据是根据测色色差仪测试海南黄花梨的颜色值，探索不同染料所占比例后调制得到。

1.2.2 染色工艺 取8块质量相近的杉木边材试块，干燥到含水率15%左右。用于横向渗透性测试的试块，用环氧树脂封住其横断面(图2a)，测试径向和弦向的综合渗透性；用于纵向渗透性测试的试块用环氧树脂封住其所有纵切面(图2b)，仅测试2个端面的渗透性，即沿着纵向的渗透性。按照不同工艺进行染色处理，染色结束后，按照图2标记分别从几何中心a和b处锯开，用游标卡尺观测染料在纵向(即顺纹理方向)和横向(即垂直于纹理方向)的均匀渗透深度。每种处理选用4个重复(试块)。染色结束后对试件风干24 h，然后干燥到含水率15%左右，得到染色处理材。染色处理采取如下方法。

图2 杉木边材试块纵横向渗透性测试样品

1)恒温浸渍法。根据前期实验经验，选择质量分数为0.5%的染料溶液(下同)。染色影响因素选取染料种类、温度、时间和浓度。染色时间固定为2 h的条件下，测试温度(28、70、90 ℃)对纵向和横向渗透性的影响；染液温度固定在28 ℃条件下，测试染色时间(2、4、6、8、10 h)对纵向和横向渗透性的影响。

2)真空浸注法。将试块放入500 mL的烧杯中，上压玻璃片，以免在浸注染液时试块浮起。将放有试块的烧杯在低于0.08 MPa的真空下处理30 min，吸入染料染液，静置2 h。取出，用水冲洗表面浮色，测试染液纵向和横向渗透深度，风干24 h，然后干燥到含水率15%左右。

3)冷热交替法。冷热交替处理以质量分数为0.5%的酸性红GR为研究对象，分2方面研究，一是固定交替次数为1次，研究温度差对染料渗透性的影响，设置90 ℃/90 ℃(即无温度差，恒温)、90 ℃/70 ℃、90 ℃/28 ℃、90 ℃/0 ℃ 4个温度差处理，试块在热剂和冷剂中分别染色1 h，总时间为2 h；二是固定交替温度差为90 ℃/28 ℃，染色总时间仍为2 h，研究交替次数为1次、2次、3次下染料的渗透性。该实验中如果交替1次，则试块在热剂和冷剂中分别放置60 min；交替2次，则在热剂和冷剂中分别为30 min；交替3次，则在热剂和冷剂中分别为20 min。染色结束后，测试染料渗透深度，并将染色材干燥到含水率15%左右。

2 结果与分析

2.1 恒温浸渍法对染料渗透性的影响

恒温浸渍法由于操作简单而成为目前常用的染色方法。该方法对木材的染色效果受到染液浓度、温度、染色时间、染料种类等因素影响。本文主要考察染液温度和染色时间对染料渗透性的影响。恒温浸渍法染色时温度和时间对染料均匀渗透深度的影响见图3，3种染料质量分数均为0.5%，染色时间为2 h条件下。由图3可以看出，染料在木材中的渗透性均为纵向远大于横向。横向渗透性随着染液温度升高而增加；纵向渗透性则相反，随着染液温度的升高而减小。一般而言，温度升高，染液粘度降低，对木材的渗透性提高。但是，纵向渗透性随着温度升高而降低，主要原因可能与木材解剖构造、抽提物含量、分布和染料的特性有关。当温度为90 ℃时，染料在杉木中横向均匀渗透深度为0.66～0.94 mm，纵向均匀渗透深度为2.16～2.26 mm。纵向渗透在28 ℃时达最大，为3.2～4.67 mm。当染液温度为90 ℃时，不同染料在横向的渗透性大小为酸性红GR(Red)>酸性嫩黄G(Yellow)>酸性黑ATT(Black)，而在纵向渗透深度相当。由恒温浸渍法染色中时间对染料渗透的影响(图4)，可以看出，染料的渗透深度随染色时间的延长呈现出无规则变化。

图3 恒温浸渍染色下温度对染料均匀渗透深度的影响图4 恒温(28℃)浸渍染色下时间对染料均匀渗透深度的影响

2.2 真空浸注法对染料渗透性的影响

真空浸注法是利用木材的多孔性，在木材内形成一定的真空度，使染料在真空状态下吸入木材中。由常温真空浸注和恒温90 ℃处理2 h的渗透效果(图5)可以看出，不论是纵向还是横向，染料在真空状态下的渗透性均大于恒温90 ℃状态下的渗透性。在真空状态下，酸性红GR、酸性嫩黄G和酸性黑ATT的纵向渗透深度分别为6.18、4.22、2.78 mm，混合染料纵向渗透深度为3.24 mm，比恒温浸渍法提高2.2～3.0倍；3种染料的横向渗透深度在真空浸渍下达1.66 mm以上，比恒温90 ℃提高2.3～2.8倍。真空处理能够显著提高染料在杉木边材中的均匀渗透深度。

图5 真空浸注和恒温(90 ℃)处理对染色深度的影响

2.3 冷热交替法对染料渗透性的影响

图6 温度差对冷热交替法染色深度的影响

冷热交替法通过在木材中形成暂时的真空将染料溶液吸入木材中，其效果一般介于恒温浸渍和真空浸渍之间，但无需真空处理设备。一般情况下，热剂和冷剂的温度差越大，处理效果越好，浸渍时间越长，浸渍效果越好。本文主要考察冷剂和热剂的温度、交替次数2个因素对处理效果的影响。由图6可知，温度差对纵向渗透性的影响远小于对横向渗透性的影响；冷热交替处理能够大幅度提高染料的横向渗透性，且温差越大，渗透性越大。酸性红GR、酸性嫩黄G、酸性黑ATT、混合染料在90 ℃/0 ℃交替温度下横向渗透性比恒温90 ℃下分别提高2.0、1.6、3.7、1.7倍；混合染料横向渗透性也与温度差大小呈正相关。纵向渗透中，酸性嫩黄G和酸性黑ATT在90 ℃/0 ℃交替时最大，其余温度差下渗透性与恒温90 ℃处理相同时间的效果相当；混合染料纵向渗透性明显低于单个染料渗透性，且随冷热交替温度的增加变化无规律。

图7 交替次数对酸性染料冷热交替染色效果的影响

为了进一步探索冷热交替对染料渗透性的影响，选择便于调控的90 ℃/28 ℃固定温度差，增加冷热交替次数，测试酸性红GR在纵向和横向的渗透性，结果见图7。由图7可以看出，相同染色时间下，交替次数的增加能显著提高染料在纵向和横向的渗透性。对于纵向渗透，相同处理时间下交替处理与90 ℃恒温处理比较，交替处理的渗透性低于恒温处理的效果。对于横向渗透，交替次数的增加明显提高了染料的渗透性，均高于相同浸染时间下的90 ℃恒温处理。90 ℃恒温处理横向渗透平均深度0.97 mm，相同时间下90 ℃/28 ℃冷热交替处理3次平均为1.46 mm，高出0.46 mm。

从木材构造方面分析，纵向渗透性主要依靠占其总体积90%以上的管胞及其它轴向组织，热剂处理后染料进入这些组织和细胞中，排出部分空气并在冷剂中形成一定的真空度进一步吸液。由于纵向渗透主要靠大毛细管系统，空间大，形成的真空度也有限，在冷剂中的吸液量会受到限制，因而染液的渗透性可能低于90 ℃恒温处理的效果。此外，据报道，针叶材的管胞两端无穿孔，流体从一个管胞到另一个管胞必须经过纹孔。因此，冷热交替对纵向渗透性的改善具有局限性[4]。横向渗透路径主要是细胞壁上的纹孔和微孔，渗透路径小，障碍多，尤其是具缘纹孔的通透性对渗透性影响较大。杉木具缘纹孔有纹孔塞，在一定条件下纹孔塞堵住纹孔口[8-9]。而木材在冷热交替的染料中处理，可能会使纹孔膜偏移，纹孔塞偏离纹孔口，也有可能如何盛[5]所报道的微波处理使纹孔塞缘部位的小孔孔径增大，从而增加染液的渗透性。另外，有报道认为酸性染料都堆积在木材纹孔中，而木材的导管壁上几乎没有[10]。因而纹孔通透性的变化对横向渗透性的影响大于对纵向渗透性的影响，这也是冷热交替对横向渗透性的影响大于纵向渗透性的可能原因。

3 结论

本文以杉木边材为试材，通过封闭横断面或者纵切面，研究杉木边材在恒温浸渍法、冷热交替法和真空浸渍法3种工艺下的纵向、横向渗透深度性能，以期为杉木边材的均匀染色奠定一定的基础，研究结果如下。

1)恒温浸渍法染色中染料在杉木边材中的渗透性均为纵向远大于横向。但是在所选温度范围内，温度对纵向、横向渗透性具有不同的影响。提高染液温度，横向渗透性明显增加，但纵向渗透性随着染液温度的升高反而有所下降。染色时间对染料的渗透深度呈现出无规则变化，染料渗透性均未随着染色时间的增加而增加。

2)真空处理能够显著提高染料在纵向和横向的渗透深度，杉木边材在常温真空处理下，染料在横向渗透深度比恒温90 ℃下提高2.3～2.8倍，纵向可提高2.2～3.0倍。

3)冷热交替法对杉木边材的染色效果介于恒温浸渍法和真空浸渍法之间。热剂与冷剂的温度差对纵向渗透性的影响远小于对横向渗透性的影响。90 ℃/0 ℃冷热交替1次横向渗透比恒温90 ℃提高1.7～2.0倍。此外，交替次数的增加能提高染料在纵向和横向的渗透性，但对横向渗透性的影响远大于纵向渗透性。相同时间下，增加冷热交替次数能够显著提高杉木边材和横向渗透性。

[1]孙芳利，段新芳，冯德君.木材染色的研究概况及发展趋势[J].西北林学院学报，2003，18(3)：96-98.

[2]段新芳.木材颜色调控技术[M].北京：中国建材工业出版社，2003.

[3]Harvey D Erickson.Permeability of southern pine wood-A review[J].Wood Science，1970，2(3)：149-158.

[4]Bailey I W.The preservative treatment of wood.Part Ⅰ validity of certain theories concerning the penetration of gases and preservative into seasoned wood[J].Forestry Quart，1913，11(1)：5-11.

[5]何盛.微波处理改善木材浸注性及其机理研究[D].北京：中国林业科学研究院，2014.

[6]王晓倩，于志明，张扬.预处理对杨木单板染色和阻燃性能的影响[J].福建农林大学学报：自然科学版，2016，45(3)：332-335.

[7]孙新民.木材工业大全：木材卷[M].北京：中国林业出版社，2003.

[8]鲍甫成，吕建雄.中国重要树种木材流体渗透性的研究[J].林业科学，1992，3(28)：238-245.

[9]佟永萍，赵广杰.杉木管胞具缘纹孔膜超微构造[J].林业科学，2007，8(43)：152-153.

[10]于洪亮.电子显微观察下木材染色机理的对比性研究[J].林业实用技术，2014(1)：62-63.

Penetration of Dyes into Chinese fir Timber Under Different Dyeing Processes

WANG Yumei，WU Huaping，Nayebare Kakwara Prosper，SUN Fangli

(SchoolofEngineering，ZhejiangAgriculture&ForestryUniversity，Lin′an311300，Zhejiang，China)

Acid dyes are by now the widely applied dyes in wood industry for their rich color and low cost.The dyeing effect is normally closely related to the depth and uniformity of dyes distributed in wood.In order to improve the effect of dyeing，as well as make good use of the abundant domestic fast-grown wood，sapwood of Chinese fir was taken as test material and three kinds of treatments were tested，including constant temperature impregatation，alternated temperature impregnation and vacuum impregnation.The results showed as follows：① Under constant temperature impregnation，the transverse penetration increased with an increased temperature while longitudinal one was the contrary.The deepest penetration in transverse direction was found to be at 90 ℃，0.66～0.94 mm deep，while in longitudinal direction，at，28 ℃，up to 3.2～4.67 mm deep.Reaction time showed irregular influences on the penetration of dyes，neither in transverse direction nor in longitudinal direction.②Under alternated hot and cold treatment，the penetration of dyes was between that of the vacuum impregnation and constant temperature treatment.However，the temperature difference had much greater influence on the transverse penetration than on the longitudinal penetration，during the same time，the increase in alternation times could help improving the transverse penetration of dyes，but reducing the longitudinal penetration.③As regard to vacuum impregnation，both the traverse and longitudinal penetration were among the highest，2.0～3.0 times for example than 90 ℃ boiling for 2 h.

dyeing process；Chinese fir timber；penetration of dyes

2016-10-08；

2016-11-24

国家自然科学基金(31470587)；浙江省自然科学基金重点项目(Z14C160009)

王玉梅(1989—)，女，山东枣庄人，浙江农林大学硕士研究生，从事木材改性方面研究。E-mail：1192191881@qq.com。

孙芳利，浙江农林大学工程学院教授，博导，从事木材保护与功能化改性。E-mail：sun-fangli@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.02.004

TS652

A

1002-7351(2017)02-0019-05