基于高压染色技术的装饰单板染色工艺研究*

何 盛 卢晓相 胡够英 丁永欢 陈玉和

（1.国家林业和草原局竹子研究开发中心，国家林业和草原局竹家居工程技术研究中心，浙江 杭州310012；2. 茂友木材股份有限公司，浙江 嘉兴 314201；3. 江山市检验检测研究院，浙江 江山 324110）

近年来，天然大径级优质家具用材供应日益减少，而消费者对于木材天然纹理具有独特偏好，因此，利用天然木材旋切或刨切加工的装饰单板贴面成为高档木质家具、地板中常用的装饰方法[1-3]。为了赋予装饰单板更为丰富的色彩，使其色泽更均匀，纹理更加美观，木材染色技术在装饰单板加工领域得到广泛应用[4-6]。

木材染色是指染料通过木材内部孔隙结构，附着或与木材形成化学结合，使木材具有坚牢色泽的过程。染色处理对于降低木材表面色差，改善木材装饰性能，提升木制品的附加值具有重要意义[7-10]。在装饰单板染色技术研究领域，目前常用的单板厚度在1 mm左右，先将单板漂白，然后再进行常压染色。这种方法的加工周期较长，对于厚度相对较大、渗透性较差的单板，短时间内较难实现均匀染色。提高装饰单板染色效率和染色均匀性是当前装饰单板染色过程中亟待解决的问题[11-12]。

为提升装饰单板染色效率，改善染色质量，本研究利用加压染色方式[13]，对3个树种、不同厚度的装饰单板进行漂白和染色处理，并通过性能评价，优选处理工艺。通过与常压染色工艺对比，综合分析高压染色工艺在装饰单板染色加工领域的效益及推广应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料

装饰单板：橡木（Fraxinus chinensisL.）、黑胡桃（Juglansspp.）、榆木（Ulmus rubra）的刨切装饰单板，进口材，尺寸为500 mm×200 mm（长×宽），厚度分为0.45、1.2 mm和1.8 mm三种，单板初含水率为8%~12%。

漂白处理液：双氧水（H2O2），工业级，质量分数35%左右，浙江平湖石化有限责任公司。漂白处理过程中，配制浓度5~6 g/L双氧水溶液，并添加工业级NaOH和Na2CO3作为漂白助剂（1~2 g/L）。

染液：工业级，金华双宏化工有限公司。染液浓度为0.1~0.8 g/L，以一定比例添加相关染色助剂。

1.2 设备

单板漂白处理装置：定制，通过蒸汽管加热方式控制漂白液温度，利用液体循环系统实现漂白液在装置内的循环流动；高压染色设备：定制，利用电加热棒对染液进行加热和温度自动控制，液压压力为0~2.5 MPa，可调；色度仪，设备型号CR-10，柯尼卡美能达（Konica Minolta）公司生产，用于测试染色处理前后装饰单板色度值（L*、a*、b*值）。

1.3 试验方法

树种、厚度及漂白处理条件分别取3个水平（表1）。染色处理前，对单板进行不同程度的漂白预处理。漂白温度为70 ℃左右，浴比1∶(15~20)。染色过程中，染液温度为95 ℃左右，浴比1∶(15~20)。高压染色具体工艺流程包括前真空处理（-0.08 MPa， 15 min）、加压染色（液压压力1.5 MPa）和后真空处理（-0.08 MPa，15 min）。以常压染色样品作为对照样，以单板染透作为染色终点时间，记录不同工艺条件下单板完全染透所需处理时间，分析高压染色工艺对单板染色效率的提升效果，优选装饰单板高压染色工艺。在此基础上，采用美能达CR10色差仪对单板颜色进行测试，以明度值L*、红绿指数a*和黄蓝指数b*为单板染色质量评价指标，每个样品随机选取6个点进行测试，评价单板高压染色工艺下的染色效果。

表1 试验因素水平表Tab.1 Experiment factors and levels

2 结果与分析

2.1 单板染色时间分析

表2～4为不同漂白处理条件下，不同厚度装饰单板在常压及高压染色条件下染透所需时间的对照表。从数据可以看出，漂白处理有助于提高单板的染色效率[14-16]。如厚度0.45 mm的单板，在常压染色条件下，未漂白处理的样品需10 h左右染透，而漂白处理（半漂白与全漂白）后，仅7 h左右可完全染透。木材漂白是利用漂白处理剂的氧化还原作用，破坏木材内部的发色基团，或封闭其助色基团，使木材产生脱色或增白的效果。漂白过程中，通过溶胀无定形区内低聚合度的纤维素和半纤维素，溶解抽提出木材中致变色物质，可有效提高木材渗透性[17-18]。同时，漂白处理会对木材组织产生损伤，且随着漂白剂浓度和处理时间延长，对木材损伤越大[8,15]。漂白处理后，木材组织结构受损，染液更容易渗透至木材内部，使单板上染速率提升，进而提升染色效率。但对于部分液体渗透性较差或厚度较大的木材单板，漂白剂难以渗透至木材内部，影响漂白处理效果，导致后期染色过程中，染色效率提升有限[15,17,19]。此外，漂白处理还能使单板的色度更加均匀。研究表明，漂白处理后，木材抽提物中类黄酮物质含量降低，木质素苯环上1 464 cm-1和1 509 cm-1处的吸收峰消失，1 429 cm-1处的吸收峰减弱[17,20]。漂白处理液中NaOH等漂白助剂的添加，可进一步加快木质素和抽提物中芳香环类物质降解[15]。木质素和抽提物中的芳香环物质及其单体侧链的羰基(—C==O)、羧基(—COOH) 中，均含有碳-氧( C==O)、碳-碳( C==C) 共轭双键结构的发色基团[21]。木质素和抽提物的降解或溶出，使单板心边材色差减小，单板色度均匀[22-24]，后期染色处理后单板上色因此变得均匀，从而提高染色效果。

表2 未漂白装饰单板染色效果Tab.2 Dyeing results of non-bleaching decorative veneers

单板厚度和木材的液体渗透性是影响染色时间的重要因素。单板厚度增加，染液在木材内部完全渗透所需时间增加。对于液体渗透性差的木材，染液在木材内部渗透速度慢。特别是对于胡桃木和橡木心材，其导管内部内含物丰富，堵塞了单板内部液体的渗透通道，影响单板染色效率[8,12]。因此，在未漂白处理单板中，1.20 mm和1.80 mm厚单板的染透时间随单板厚度增加而延长，橡木和黑胡桃因液体渗透性较榆木差，因此相同厚度条件下染透所需时间更长。漂白处理后，单板液体渗透性改善[15]，树种间渗透性差异减小，不同树种单板染透时间趋于一致。

表3 半漂白装饰单板染色效果Tab.3 Dyeing results of decorative veneers after semi-bleaching

表4 全漂白装饰单板染色效果Tab.4 Dyeing results of decorative veneers after full bleaching

在加压条件下，单板内外液体渗透压增大，染液渗透速度加快，染透所需时间缩短[13]。从表2～4可以看出，对比常压染色处理效果，在单板厚度为0.45 mm的条件下，未经漂白处理单板，在4 h左右可实现透染，较常压染色条件缩短6 h左右。而对于漂白处理样品，可在2~3 h内染透，染色效率较常压染色工艺提升2~3倍。随着单板厚度增加（1.20 mm和1.80 mm），未漂白样品中，榆木在10~11 h加压条件下实现透染，而黑胡桃及橡木单板需加压15~18 h染透，说明加压染色处理同样受到木材渗透性差异影响。漂白处理具有增强单板液体渗透性的作用，特别是随着漂白处理时间延长，不同树种单板渗透性差异减小，在常压及加压染色条件下，不同树种和不同厚度单板染透时间趋于一致。因此，对于全漂白单板，常压染色和高压染色所需染透时间基本相同。

综合上述分析，利用高压染色工艺，可有效提高装饰单板染色效率。同时，考虑漂白处理过程中会造成单板尺寸收缩，且漂白处理作为单板染色的预处理方式，漂白时间长短同样会影响单板染色处理效率。因此，结合不同树种、不同厚度装饰单板的染色时间分析结果，优选高压染色方法提高单板染色效率。高压染色过程对应的工艺参数如表5所示。

表5 不同厚度装饰单板高压染色工艺Tab.5 Dyeing technology of decorative veneers with diあerent thickness

2.2 单板染色效果分析

根据表5 所述的高压染色工艺，对不同树种及厚度的装饰单板进行高压染色试验，表6 为装饰单板染色后的色度及色差分析结果。

表6 染色装饰单板色度测试结果Tab.6 Chromatic test results of dyed decorative veneers

色度检测结果显示，不同树种装饰单板在相同染色工艺条件下，其色度存在一定差异，这主要是因为不同树种的木材其液体渗透性存在差异，导致染色过程中上染速率不同[8,12]。此外，由于漂白处理具有使木材脱色或增白的效果，经漂白预处理后，装饰单板本身的色度发生变化，且经不同程度漂白（不漂白、半漂白和全漂白）处理的单板其色度差异明显。特别是对于浅色染料的染色处理，染料色彩不足以对单板底色形成良好的遮盖效果，造成染色装饰单板存在较大的色度差异。

2.3 装饰单板高压染色性能及效益分析

装饰单板染色试验结果显示，利用高压染色方法可实现装饰单板的快速匀染。其中，0.45 mm厚装饰单板在不漂白处理、压力1.5 MPa、染液温度95 ℃、加压时间4 h左右条件下实现了均匀染色，染色时间较常压染色工艺缩短6 h，生产效率显著提高。同时，根据实际生产经验，在染色装饰单板生产过程中，单板漂白处理造成的尺寸收缩率为10%~12%，因装饰单板开裂等漂白缺陷造成的材料损耗约1%。因此，装饰单板在不漂白条件下实现匀染，不仅简化了生产工艺，同时可减少废水排放，降低生产成本[25]；避免因漂白处理造成的装饰单板尺寸收缩，提高装饰单板出材率。由此可见，将高压染色方法在装饰单板染色领域推广应用后，预期其出材率可提升13%左右，企业的综合生产效益预计可提升15%以上。

对于1.2 mm厚的装饰单板，采用半漂白处理工艺，在压力1.5 MPa、染液温度95 ℃，染色时间6 h左右可实现均匀染色。而1.8 mm厚装饰单板采用全漂白处理工艺，在压力1.5 MPa、染液温度95 ℃、染色时间11~12 h条件下可实现均匀染色。其染色效率较目前工业化生产中常用的常压染色工艺可提升2~3 倍。

综合上述分析，装饰单板的高压染色效率较常压染色方式可大幅提升，同时可提高染色装饰单板的出材率，有利于降低产品生产成本，提高企业综合效益，该技术在装饰单板染色工业化生产中具有良好的应用前景。

3 结论

本研究对比了高压染色工艺对不同树种、不同厚度单板的染色效果，并与常压染色工艺比较，得出以下主要结论：

1） 结合装饰单板染色时间结果，在液压压力1.5 MPa、染液温度95 ℃条件下，优选高压染色工艺为：0.45 mm厚装饰单板，不漂白处理，加压时间4 h；1.2 mm厚装饰单板，半漂白处理，加压时间6 h；1.8 mm厚装饰单板，全漂白处理，加压时间11~12 h。

2） 不同树种、厚度装饰单板采用相同染色工艺处理后，色度存在一定差异，主要与木材渗透性差异有关。建议在对单板进行浅色染色处理时，通过前期漂白处理使单板材色更加均匀，避免染色单板出现透底、色度差异过大等缺陷。

3） 高压染色工艺可提高装饰单板染色效率，有利于降低生产成本，同时可有效提升染色装饰单板的出材率。该工艺在染色装饰单板工业化生产中推广应用，可增加企业生产效益，具有良好的应用前景。