微波輔助染色對竹片染色效果的影響

孫德林，劉文金，郝景新，姚文亮

微波輔助染色對竹片染色效果的影響

孫德林，劉文金，郝景新，姚文亮

(中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

采用微波加熱的方法對慈竹片進行染色，探討了微波功率、染色時間等因素對慈竹片染色效果的影響，并采用正交實驗對染色工藝進行了分析與優(yōu)化。結(jié)果表明：使用微波輔助染色能夠提高染色效果；當(dāng)微波功率250 W、染色時間9 min、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%、染液pH值5.5時，染色后色慈竹片的色差值可達到71.12 NBS，比采用常規(guī)加熱染色的方法提高了18.46 NBS。

竹片染色；微波加熱；工藝優(yōu)化

竹子作為亞洲獨有的資源，主要生長在我國南方和臺灣，具有明顯的東方民族特征和豐富的文化內(nèi)涵，其特殊的材質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然風(fēng)韻使人倍感溫馨。隨著生活水平的提高和對天然材料的需求量增加，竹材及其制品越來越受到消費者的青睞。將竹材染色后用于制造各種飾品與家具，具有其它天然材料難以相比的特點，有著巨大的市場潛力。

有關(guān)竹材染色的技術(shù)有較多的報道[1-2]，但采用傳統(tǒng)加熱的方法居多，不僅效率低，而且染色質(zhì)量也難以得到很好的控制。微波處理在木材干燥方面已有廣泛應(yīng)用[3-4]，但在竹材染色方面的應(yīng)用報道還不多見。微波能夠使水分產(chǎn)生振動并迅速汽化，增大的蒸汽壓強能瞬間沖破木材結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位[5]，這樣能夠給染料分子提供更多的通道，進而提高上染率。本研究以慈竹片為原料，以染色前后的色差值為考察指標(biāo)，就微波處理的功率、染色時間以及染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對色差值的影響進行探討，并采用正交實驗對染色工藝進行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

慈竹Sinocalmus affinis，采自湖南益陽南縣，4年生，去除竹青與竹黃，加工成2 mm厚的竹篾。染料：酸性大紅GR、酸性黑ATT和滲透劑。

設(shè)備主要有：全自動測色色差計(WSC-S，上海)、微波爐(格蘭仕G80W23CSP)、數(shù)顯恒溫水浴鍋(HHS-2，上海)。

1.2 染色工藝

將竹片干燥至含水率為10%。在探索性實驗的基礎(chǔ)上，將染料配制成不同濃度的染液，添加適量的滲透劑，并用稀鹽酸調(diào)節(jié)成不同的pH值。在不同的微波功率和染色時間等條件下進行染色實驗。將染色后的竹片在室溫下用冷水沖洗，在60 ℃的恒溫箱中干燥至含水率為12%，然后用色差計測試并計算竹片染色前后的色差值，并與采用常規(guī)加熱的實驗結(jié)果進行對比。

1.3 染色效果的評定

采用國際照明委員會(CIE)的L*a*b*色彩評價系統(tǒng)對竹片染色前后顏色進行測量與比較[6]，并采用CIE推薦使用的色差公式[7]計算：

式(1)中：△E*ab為色差，單位為NBS；L、a、b為色度坐標(biāo)。

染色效果越好，△E*ab值就越大。

2 結(jié)果與分析

在探索性試驗的基礎(chǔ)上，將微波功率、微波染色時間、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及染液的pH值作為實驗因素，對竹片染色前后的色差值(△E*ab)進行考察，分析其對染色前后色差變化趨勢的影響。

2.1 單因素試驗

2.1.1 染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)微波功率為250 W、染色時間為9 min、染液pH值為5.0時，不同染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對竹片色差值的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，△E*ab值增加迅速，但當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.7%后，△E*ab值的增幅不明顯。這是因為染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，染料分子也就越多，與竹片接觸的染料分子也就越多，有利于竹片對染料的吸附，因此，隨著染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，△E*ab值也增加。但在一定的染色條件下，竹片對染料的吸附是有限度的，當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到一定時，竹片對染料的吸附達到飽和，所以當(dāng)染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，△E*ab值增加緩慢。

圖1 染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對色差值的影響Fig. 1 Effect of dye liquor mass fraction on color difference value of bamboo chip

2.1.2 微波染色時間的影響

當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%、微波處理功率為250 W、pH值為5.0時，不同微波染色時間下竹片色差值的變化如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)微波染色時間從3 min增加到9 min時，△E*ab值增幅較大，隨后減緩，超過12 min后降低。這是因為：一方面，竹片對染料的吸附有一定的限度，隨著染色時間的增加，竹片對染料的吸附趨于飽和，因此延長染色時間，△E*ab值增幅不大；另一方面，可能是染料分子長時間在微波的作用下高速運動而增加了與空氣中氧的接觸，與此同時，長時間微波處理所產(chǎn)生較高的熱效應(yīng)也會導(dǎo)致染料的氧化速度加快，從而使△E*ab值增幅減緩，甚至下降。

圖2 微波染色時間對竹片色差值的影響Fig. 2 Effect of microwave-assisted dyeing time on color difference value of bamboo chip

2.1.3 微波功率的影響

當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%、pH值為5.0、微波染色時間9 min時，不同微波染色功率作用下慈竹片色差的變化如圖3所示。由圖3可知，采用微波處理輔助染色的效果明顯高于無微波處理的，且色差值隨著微波處理功率的增加而增加，在250 W附近達到最大值，為68.80 NBS，隨后有所降低。這是因為竹片染色的過程是染料分子滲透、被吸著與聚集的過程。在染液中，染料分子或離子會形成聚集體，以膠束狀態(tài)存在，阻礙了竹纖維對染料的吸附[8]。微波除了有快速升溫的作用外，還能使水分子、染料分子產(chǎn)生振動，促進染料的溶解和擴散[9]。功率越大，其擺動速度也就越快，但當(dāng)微波處理功率和頻率更大時，染料分子所獲得的動能也更大，這也意味著吸附在木材纖維表面的染料分子的逃逸動能也在增加，同時，大功率的微波處理還能夠使染液的溫度迅速增加而導(dǎo)致染料的氧化與分解速度加快，因此，較高的功率會導(dǎo)致△E*ab值的降低。

圖3 微波染色功率對竹片色差值的影響Fig. 3 Effect of microwave power on color difference value of bamboo chip

2.1.4 pH值的影響

圖4 染液pH值對色差值的影響Fig. 4 Effect of pH value of dye liquor on color difference value of bamboo chip

當(dāng)微波功率為250 W、染色時間為9 min、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時，染料不同pH值對竹片色差的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著染液pH值的增加，△E*ab值增加迅速，但當(dāng)pH值超過5.0后，△E*ab值的增幅明顯減緩，甚至有下降的趨勢。說明染料在適當(dāng)酸性條件下能發(fā)揮出最佳的浸漬效果，這可能與竹材本身呈弱酸性有關(guān)，但是酸性太強也會對竹材內(nèi)部的輸導(dǎo)組織產(chǎn)生破壞而影響染液的滲透[10]，因此染液適中的pH值對竹材滲透性是有促進作用的，進而可以提高△E*ab值。

2.2 正交實驗分析

2.2.1 正交試驗

為了使染色工藝更加科學(xué)與合理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以微波輔助染色功率、染色時間、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值等為影響因素，按照L9(34)正交實驗表的規(guī)定進行實驗設(shè)計(見表1)，正交試驗結(jié)果見表2。

表1 L9(34)正交實驗設(shè)計Table 1 L9(34)orthogonal experiment design

2.2.2 結(jié)果分析與驗證

正交實驗的極差分析結(jié)果見表3。結(jié)果顯示：影響竹片色差值的因素順序為A＞C＞B＞D，工藝的最佳組合為：A2C2B2D3，即：染液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為0.7%，微波功率為250 W，微波染色時間為9 min，染液的pH值為5.5。按上述最優(yōu)條件再進行3次實驗，△E*ab的平均值為71.12 NBS。

表2 竹片微波染色的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of microwave-assisted dyeing

表3 因素和水平的極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results of factors and levels

在無微波輔助染色的條件下，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%、pH值為5.5的染液，采用常規(guī)加熱沸騰9 min進行試驗，△E*ab的平均值為52.76 NBS，顯然遠低于使用微波輔助染色試驗的優(yōu)化結(jié)果。這可能是因為在微波高頻電磁場的作用下，染液分子產(chǎn)生擺動與振動，這不僅能使聚集體解聚，而且還加快了染料粒子的滲透與擴散作用，從而提高染色效果。

3 結(jié) 論

采用微波輔助慈竹竹片染色，可以較大程度地改善竹片的染色效果，染色竹片的色差值與染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微波功率、時間以及染液的pH值等因素有關(guān)。在本實驗條件下的最佳工藝為：染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，微波處理功率為250 W，染色時間為9 min，染液的pH值為5.5，染色后色慈竹片的色差值可達到71.12%。

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Effect of microwave-assisted dyeing on bamboo chip

SUN De-lin, LIU Wen-jin , HAO Jing-xin , YAO Wen-liang
(School of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Sinocalamus affinis chips were dyed by assisting with microwave heating in order to study the effects of microwave power,dyeing time, mass fraction of dye liquor and pH value on the color difference values. An orthogonal experiment method was employed to analyze and optimize the dyeing process. The results show that microwave-assisted dyeing could improve the dyeing effect. The color difference value was 71.12 NBS under the following conditions: microwave power 250 W, dyeing time 9 min, mass fraction of dye liquor 0.7% and pH value 5.0. The color difference value with microwave-assisted dyeing increased by 18.46 NBS more than that with conventional heating-dyeing method.

bamboo chip dyeing; microwave heating; process optimization

S785；TQ351

A

1673-923X(2012)01-0075-04

2011-11-18

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004005)；湖南省科技重大專項(2011FJ1006)；湖南省教育廳高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(11cy027)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點學(xué)科資助項目

孫德林(1966—)，男，湖南常德人，高級工程師，博士，主要從事木制品的設(shè)計、制造以及木質(zhì)復(fù)合材料的研究；

E-mail:sdlszy@163.com

劉文金(1966—)，男，湖南常德人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事木制品的設(shè)計與制造技術(shù)的研究

[本文編校：謝榮秀]