装饰单板漂白染色的色差调控

2023-02-09何盛吴再兴丁永欢卢晓相陈玉和

林业工程学报 2023年1期

何盛，吴再兴，丁永欢，卢晓相，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，浙江省竹子高效加工重点实验室，杭州 310012； 2.浙江茂友木材股份有限公司，嘉兴 314201)

随着天然大径级优质家具用材供应的日益减少，装饰单板贴面(薄木贴面)逐渐成为高档木质家具、地板中常用的装饰方法[1-2]，而家具、地板等木制品对装饰单板表面色彩要求越来越高。对色差明显的装饰单板，生产企业通常需人工挑选后进行分级利用，影响装饰单板利用率和综合利用价值；因此，合理控制单板色差不仅关系到木制品的品质，同时有助于提高贴面材料利用率和企业效益。

装饰单板色差主要源于木材心边材木质素和抽提物(树脂、树胶、类黄酮等)含量不同[3-6]。木质素和抽提物中的酚类物质如类黄酮、芪类化合物、香豆素及其衍生物中含有丰富的发色基团，使木材心材颜色加深[7]，与边材形成明显色差。为减小心边材之间色差，常用的处理方法包括化学处理、物理覆盖和物理化学结合三类。其中，化学处理主要通过化学药剂浸提，溶出或降解木材心材中的显色物质，使心材颜色变浅，心边材颜色差异减小，如木材漂白处理。而物理覆盖指通过色漆涂刷、腻子修补等方式，使木材心边材颜色趋于均匀。木材染色是物理化学结合的处理方式。通过染料与木材的化学结合或物理吸附，使木材具有特定坚牢色泽的同时，降低木材表面色差[8-10]。

针对装饰单板因色差导致降等，产品附加值降低问题，本研究采用漂白染色处理方法，重点分析不同处理条件下单板色度和色差变化情况，解析漂白染色处理降低单板色差机理，实现在不遮盖单板纹理条件下，使单板色彩均一化，减小装饰单板色差，同时赋予单板丰富的色彩，为低等级装饰单板的高值化利用提供技术和理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设备

装饰单板：选取白蜡木(Fraxinuschinensis)、黑胡桃(Juglansnigra)、黄苹婆(Sterculiaoblonga)、黄杨(Euonymusjaponicus)4个树种木材的装饰单板(带心边材)作为试验材料，单板幅面500 mm×200 mm×1.0 mm(长×宽×厚)，含水率8%～12%。

图1 4个树种木材刨切装饰单板Fig.1 Images of decorative veneers of four species

漂白处理液：质量分数35%的双氧水溶液，工业级，购于浙江平湖石化有限责任公司。配制浓度5～6 g/L双氧水溶液作为漂白液，添加工业级NaOH及Na2CO3作为漂白助剂(1～2 g/L)。

染液：配制染液所用染料，购于金华双宏化工有限公司，工业级。浅色染色处理时，染液浓度0.05 g/L，深色染色处理时，染液浓度0.80 g/L。添加与染料质量比为10%的缓染剂、0.5%的匀染剂、1.0%的渗透剂，并调节pH至4.0～6.0。

试验设备：1)定制漂白染色装置。通过电加热方式自动控制漂白液和染液温度，利用液体循环系统实现漂白液与染液在装置内的循环流动。2)美能达CR-10色度仪，用于测试色差调控处理前后装饰单板色度值(L*、a*、b*值)。

1.2 试验方法

单板漂白处理：取4个树种装饰单板各9张，浸泡于漂白处理液中。浴比1∶20～25，处理液温度70～75 ℃，处理时间6～8 h。漂白处理后将单板在清水中漂洗，去除残余漂白液，在网带式干燥机中(60 ℃)干燥至含水率8%～12%。

单板染色处理：选择浅灰色和深褐色两个目标色，配制浓度分别为0.05和0.80 g/L两种染液；取4个树种漂白处理后装饰单板各3张，将单板置于温度90～95 ℃染液中处理8～10 h，浴比1∶20～25。染色处理后在清水中漂洗，去除单板浮色，在网带式干燥机中(60 ℃)干燥至含水率8%～12%。

利用色度仪测试处理前后单板的色度值(L*、a*、b*值)，每张单板在心边材区域各选3个点进行测试。利用公式(1)计算漂白或染色处理前后板面心边材区域的色差值(ΔE)：

(1)

2 结果与分析

2.1 不同处理条件下色差调控效果分析

4种木材装饰单板在漂白、浅色和深色染料处理后的色差调控效果分别如图2～4所示。从图中可以看出，3种处理方式对木材本身纹理均无遮盖效果，不影响其装饰性。漂白处理对白蜡木和黑胡桃单板的色差改善明显，而黄苹婆和黄杨装饰单板仍可见较为明显的色差。相比漂白处理，染色处理特别是深色染料染色处理对4个树种木材的色差调控效果均较好，且可赋予单板更丰富的色彩。同时，染色处理后单板色彩均匀，且纹理更清晰，相较漂白处理样品，满足家居装饰对不同色彩装饰效果的需求。

图2 单板漂白处理效果Fig.2 Images of decorative veneers after bleaching

图3 单板浅色染料色差调控处理效果Fig.3 Images of decorative veneers after light color dyeing

图4 单板深色染料色差调控处理效果Fig.4 Images of decorative veneers after dark color dyeing

在地板、家具等产品质量检测过程中，产品外观质量要求中虽然对色差值未有明确规定，但要求目测条件下无明显色差。结合色差仪与人眼目视结果，一般认为色差ΔE在4.0以上时，属于有明显色差，在大部分应用中不可接受；在色差范围2.0～4.0内，可满足特定产品应用要求[11]。根据色差调控结果，经漂白染色处理后，4个树种单板色差均小于4.0(表1)，可实现色差过大单板在装饰贴面过程中的利用，有效提升装饰单板利用率。

2.2 色差调控效果统计分析

装饰单板色差调控处理前后板面心边材色差统计分析结果(表1)显示，漂白处理对白蜡木色差调控效果最优，黑胡桃次之，而对黄苹婆和黄杨木材的色差调控效果不佳。这与漂白处理后单板色差目测结果一致，说明漂白处理对单板色差调控效果与树种有关。而漂白染色处理对4种木材的色差调控效果较仅进行漂白处理好，且深色染料染色后色差调控效果最优。这主要是因为深色染料浓度更大，染料在单板表面均匀着色，使单板心材和边材区域的色彩一致，实现良好的色差调控效果。从色差变化趋势(图5)同样可体现不同处理条件下色差调控效果差异。

表1 装饰单板色差调控处理前后心边材色度及色差统计结果Table 1 Statistic analysis of chromatic aberration for decorative veneers before and after treatment

表1(续)

图5 不同处理条件下色差变化趋势Fig.5 Variations of ΔE under different treatments

通过单板色差的方差分析，进一步分析树种和处理条件对色差调控效果的影响。方差分析结果显示(表2)，树种对单板色差调控结果影响不显著(P>0.1)，处理条件对色差调控结果影响极显著(P<0.05)，但树种与处理条件的交互作用对色差调控结果影响极显著(P<0.05)。

表2 方差分析结果Table 2 ANOVA of chromatic aberration for decorative veneers

通过多重比较进一步分析不同处理条件下单板色差调控差异。结果显示，对照样与漂白、浅色与深色染料处理样色差差异明显，深色染色处理样与漂白处理样色差差异明显，而浅色染料处理样色差与漂白处理样、深色染色处理样色差差异不明显。不同树种单板色差调控效果的多重比较结果显示，白蜡木与黄苹婆、黄杨的色差调控结果差异明显。由此说明，虽然树种对单板色差调控结果影响不显著(表2)，但不同树种装饰单板处理效果仍然存在差异。这可能与不同树种内部抽提物成分和含量不同有关。因此，结合不同树种单板色差调控结果，针对漂白处理后色差调控效果不佳的装饰单板，可通过染色处理方式对单板色差进行进一步调控，以使其达到理想的色差调控效果。同时，通过染色处理，可赋予单板更丰富的色彩，改善木材视觉特性，提高其装饰效果[8-9]。

2.3 色差调控机理分析

研究表明，木材经过漂白处理后，单板内部木质素苯环上1 464，1 509 cm-1吸收峰消失，1 429 cm-1处吸收峰减弱，说明漂白处理将使木质素产生降解，含量降低[13-14]。漂白处理液中NaOH及Na2CO3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，芳香环类物质在1 595 cm-1处特征吸收峰明显减弱[15]。同时，通过溶胀无定形区内低聚合度的纤维素和半纤维素，可有效提高木材渗透性，溶解抽提出木材中致变色物质[16]。漂白处理前后色度测试结果显示，漂白处理后，单板明度提升，红绿指数和黄蓝指数下降，这主要与处理材中木质素和抽提物的含量降低有关。从心边材色度差异看，白蜡木、黑胡桃和黄苹婆单板心边材明度差异减小，这对于单板色差调控具有积极作用。而黄杨单板在漂白处理后，心边材明度差异并未减小(图6)，这可能与黄杨木材结构特征有关。黄杨木结构细、管孔小，液体渗透性能不佳[17]，影响处理效果。

图6 不同处理条件下单板明度变化趋势Fig.6 The variations of lightness factors under different treatments

红绿指数变化趋势图(图7)显示，白蜡木和黄苹婆单板在漂白处理后红绿指数下降最为明显，且心边材差异小。从木材结构特征看，白蜡木属环孔材，管孔多且孔径大[18]，利于处理液在单板内部渗透，心材内含物在漂白处理过程中去除效果好，心边材色度差异减小。而黄苹婆木材心边材区别并不明显，且密度略小(0.35～0.56 g/cm3)，结构略粗[19]，木材液体渗透性较好，处理后色度均匀。黑胡桃和黄杨木材处理后红绿指数下降相对较小，且心边材差异相对较大。这主要与木材心边材液体渗透性差异有关。在黄蓝指数变化方面，漂白处理后单板黄蓝指数均呈现明显下降趋势，除黄苹婆单板外，其他木材单板心边材黄蓝指数差异均显著降低。研究表明，木材抽提物中类黄酮物质含量降低使木材黄蓝指数降低[3]。而漂白处理使木材内含物含量降低，这是处理后单板黄蓝指数下降的主要原因。心材内含物含量降低，使心边材色度差异相应减小。黄苹婆木材心、边材区别不明显。边材呈浅黄色至灰白色，心材呈桃褐色至浅褐色。在处理过程中，心边材材色从浅黄色或浅褐色向白灰色转变，其黄蓝指数下降。但其丰富的射线和轴向薄壁组织，使木材切面呈现虎斑花纹[19]，其组织结构的不均匀导致木材存在色度差异。

图7 不同处理条件下红绿指数变化趋势Fig.7 The variations of the redness factors under different treatments

图8 不同处理条件下黄蓝指数变化趋势Fig.8 The variations of yellowness factors under different treatments

单板经漂白处理后色差明显下降，且通过后期的染色处理可进一步减小色差。本研究所采用的酸性染料含有大量的羧基、羟基和磺酸基，能通过物理吸附或化学结合方式使木材着色[8,20]。其中，漂白处理后的单板整体色度均匀，色彩偏淡。通过染色处理过程中的均匀着色，对单板底色形成良好的覆盖，特别是采用深色染料处理，可在不遮盖木材纹理的同时，赋予木材单板特定的色彩，改善其装饰效果。从色差调控效果看(图5)，对于心边材差异明显的装饰单板，通过漂白染色处理，均可使其色差调控至理想范围，从而有利于实现低质装饰单板的高值化利用。