微波預處理對楊木活性染料染色效果的影響

胡嘉裕，劉 元，喻勝飛，李賢軍，蘇 耿，鐘 楊

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

微波預處理對楊木活性染料染色效果的影響

胡嘉裕，劉 元，喻勝飛，李賢軍，蘇 耿，鐘 楊

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

以楊木為研究對象，采用單一因素法研究了楊木初含水率，微波輻射時間及微波輻射功率對楊木活性染料染色效果的影響規(guī)律，獲得較優(yōu)的楊木微波預處理工藝。結果表明：（1）微波預處理可以破壞木材內部微觀結構，改善木材滲透性；（2）隨著楊木初含水率的升高，上染率逐漸下降。當初含水率為25%時，其上染率和固色率分別為39.44%和38.31%；（3）隨著微波輻射時間的延長，上染率和固色率均呈上升趨勢，當輻射時間為90 s時，與未處理木材相比上染率可提高21.15%，固色率可提高21.44%；（4）隨著微波輻射功率的增大，染色效果也更佳；當輻射功率為18 kW時，與未處理木材相比上染率可提高21.38%，固色率可提高21.59%。

楊木；活性染料；微波預處理；上染率

隨著優(yōu)質天然林資源的日益減少,以及天然林保護工程的實施，天然林資源供需矛盾進一步加劇,對速生林資源進行改性以提高其使用價值具有重要的現(xiàn)實意義。楊木是我國非常重要的人工林樹種，具有生長周期短、適應性強、種植面積大等優(yōu)勢，但由于其密度較低、材質較差、變異性大以及材色單調等缺點使得楊木的可使用價值大大降低。染色是一種實用的木材改性方法，染色后的木材不僅擁有天然木材的優(yōu)點，還可以模仿名貴木材的紋理和顏色，但由于楊木的天然結構使得其滲透性較差、染色效果不佳，因此，在染色前需要對其進行一些改性預處理，改變木材的滲透性及其內部構造，從而使染色效果更佳。

微波輻射是目前較為常用預處理方法。近年來，國內外已經有許多學者開展了關于微波預處理的研究。澳大利亞學者Vinden等[1-2]研究發(fā)現(xiàn)微波預處理可以大大提高輻射松和黃杉屬(松科)等木材的心材滲透性和浸注性。李賢軍等[3]發(fā)現(xiàn)通過微波預處理可以顯著提高桉木滲透性。江濤等[4]研究表明，通過微波處理能夠使落葉松木材細胞壁上某些紋孔膜和細胞壁等薄弱環(huán)節(jié)產生破壞，形成新的流體通道，從而改善落葉松木材的滲透性?，F(xiàn)有研究大都是從對木材滲透性的影響來開展的，關于對木材染色效果的影響研究并不多，且常佳等研究微波預處理對木材試件的增質率和染色上染率的影響[5]，也是以酸性染料染色為研究對象，關于微波預處理對木材活性染料染色效果的影響還比較少?；钚匀玖峡梢院湍静闹械睦w維素等反應形成穩(wěn)定的化學鍵結合[6]，相較于只能與木質素著色的酸性染料，有著更好的染色效果，再加上它價格低廉，穩(wěn)定性好，它在木材染色中具有明顯的優(yōu)勢，開展關于微波預處理對木材活性染料染色效果的影響研究是十分有意義的。

本研究將對微波預處理對楊木活性染料染色效果的影響展開研究，以期獲得較優(yōu)的微波預處理工藝，為后續(xù)的活性染料染色研究提供參考和借鑒。

l 材料與方法

1.1 材 料

楊木鋸材產于湖南省益陽市。

染料：活性紅M-BS。

化學試劑：助染劑Na2SO4，固色劑Na2CO3和活性染料專用皂洗劑D-8600。

1.2 實驗儀器

高強微波預處理設備（MDF-N40型），723型紫外分光光度計（上海光譜儀器有限公司），掃描電子顯微鏡。

1.3 實驗方法

微波預處理：從新鮮楊木鋸材上依次截取試件及含水率試驗片，試件尺寸為310 mm×110 mm×30 mm，含水率試驗片厚度為10 mm。微波預處理前，將木材含水率調節(jié)至指定值，用雙組分防水耐高溫環(huán)氧樹脂及鋁箔紙封閉試件端面，放入自封袋中固化24 h后進行微波預處理。

染色實驗：將微波預處理材加工成50 mm×20 mm×5 mm的四面光試件，用于活性染料染色。染色前將木材烘至絕干，染液濃度0.5%，浴比1∶20（木材與染液質量比），加入40 g/L助染劑Na2SO4。在染缸置于恒溫水浴鍋中加熱至80℃，將染液及試件一起放入染缸中滲透3 h，再稱取20 g/L的固色劑Na2CO3固色0.5 h，對染后試件水洗后取出。另外，取1 g/L的皂洗劑于染缸中，將瀝干后的染色試件加入皂洗液中震蕩處理30 min，取出試件并收集殘液。

圖1 活性染料染色工藝Fig.1 Deing technical of reactive dyes

1.4 染色效果評定

上染率是指上染到木材的染料量占染色前染液中染料總量的百分比，是評價染色性能的一個重要指標[7]。固色率是指去除浮色后，固著在木材上的染料量占染色前染液中染料總量的百分比。本試驗采用分光光度法來測定木材活性染料染色上染率。將染液稀釋100倍后，用紫外分光光度計在染液的最大吸收波長處分別測出染色前染液、染后殘液及皂洗殘液的吸光光度值，上染率和固色率分別用以下公式計算得出：

式（1）、式（2）中：A0為染色前染液吸光度，A1為然后殘液吸光度，A2為皂洗殘液吸光度。

2 結果與分析

2.1 微波輻射對楊木微觀結構的影響

微波輻射會產生頻繁交變的電磁場，帶動木材中的水分子迅速旋轉、相互摩擦、產生熱量，使得水分迅速蒸發(fā)[8]。短時間內產生大量的水蒸氣無法及時排出，對木材內部形成沖擊，使得細胞壁、紋孔膜等薄弱部位遭到破壞，形成新的通道以供染液滲透[9-12]。通過掃描電子顯微鏡（圖2所示）觀測未處理材與處理材，經過微波預處理后，木材紋孔膜大量破裂，且部分紋孔撕裂，形成較大的新通道，與上述理論一致。

圖2 未處理材(a)與處理材(b)微觀結構Fig.2 Microstructure of untreated sample(a) and treated sample(b)

2.2 初含水率對上染率的影響

實驗中，微波輻射時間為60 s，輻射功率為12 kW，比較初含水率分別為25%、45%、65%、85%、100%時的染色效果，結果如表1所示。

表1 初含水率對上染率和固色率的影響Table 1 Effects of different initial moisture contents on dye uptake rate and fixation rate

從表1可知，木材初含水率由25%上升至100%時，其活性染料上染率由39.44%降低到29.58%，固色率由38.31%降至28.03%。這是因為當木材含水率較低時，水分全部蒸發(fā)所需的熱量較少，能在很短時間內形成大量水蒸氣，對木材內部產生有效的沖擊。而當木材含水率較高時，在微波處理過程中水分汽化所吸收的熱量較多，可能僅有部分水分汽化形成蒸汽，不能對木材薄弱部位產生有效的沖擊。由于當木材初含水率過低時，微波輻射處理會對儀器造成損壞，所以未在實驗中加入含水率更低的試件，但從理論上分析，當木材中含水率過低時，水分完全蒸發(fā)時所產生的水蒸氣也較少，不能很好的改善木材的滲透性。因此在木材含水率接近纖維飽和點時，微波處理對其滲透性的改善效果最佳，其活性染料染色效果也較優(yōu)。

2.3 微波輻射時間對上染率的影響

木材中水分汽化所需能量是由微波輻射所提供，隨著玩微薄輻射時間的延長，木材所能獲得的能量越多，汽化越充分。實驗中，木材初含水率為65%，輻射功率為12 kW，比較輻射時間分別為30、45、60、75、90 s時的染色效果，結果如圖3所示。

圖3 輻射時間對上染率和固色率的影響Fig.3 Effects of microwave radiation time on dye uptake rate and fi xation rate

從圖3中可以看出，微波輻射可以明顯改善楊木活性染料染色效果，與未處理木材相比，其上染率和固色率最大可提高21.25%和21.44%。隨著輻射時間的增長，上染率和固色率均逐漸增大，當輻射時間由30 s增長至90 s時，上染率可提高12.54%，固色率可提高12.3%。這是因為，微波輻射時間越長，單位體積的楊木所能獲得的微波能量越多，木材中水分汽化的也就越充分，形成的蒸汽壓越大，對木材微觀結構的破壞就越多，可供染液滲透的通道也就更充足，從而使得楊木活性染料上染率得到提升。

2.4 微波輻射功率對上染率的影響

微波輻射功率的大小，決定了單位時間所能提供熱量的多少，也就決定了木材中水分汽化的速度。實驗中，木材初含水率為65%，輻射時間為60 s，比較輻射功率分別為6、9、12、15、18 kW時的染色效果，結果如圖4所示。

圖4 輻射功率對上染率和固色率的影響Fig.4 Effects of microwave intensity on dye uptake rate and fi xation rate

從圖4中可以看出，隨著微波輻射功率的增大，楊木活性染料上染率及固色率也增大。當微波輻射功率由6 kW增加到18 kW時，楊木活性染料上染率由28.09%提高至39.02%，固色率由26.93%提高至37.21%。這是由于微波輻射功率越大，木材中水分汽化速度越快，單位時間內產生的蒸汽越多，形成的蒸汽壓越大，對木材中的細胞壁、管孔、紋孔等的作用越顯著，產生更多的微觀孔隙，染液的滲透量也就隨之增大，從而提高木材活性染料上染率。但當輻射功率為18 kW時，木材已經產生翹曲，表面出現(xiàn)裂縫，因此，輻射功率也不宜過大。

3 結 論

微波預處理可以顯著改善楊木的結構和活性染料染色效果，經過微波預處理后其上染率最和固色率均明顯增大，提高幅度最大可達21.59%。木材初含水率、微波輻射時間、微波輻射功率均對木材活性染料染色效果具有顯著影響，楊木較優(yōu)的微波預處理工藝為：楊木初含水率為25%左右，微波輻射時間為90 s左右，微波輻射功率為18 kW左右。經過微波預處理后的木材，在活性染料染色后視覺特性更佳，可以應用于家具及木地板等的制作。

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Effects of microwave pretreatment on poplar veneer dyeing with reactive dyes

HU Jia-yu, LIU Yuan, YU Sheng-fei, LI Xian-jun, SU Geng, ZHONG Yang
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of microwave intensity, heating time and wood initial moisture content on the dyeing with reactive dyes of poplar wood were investigated by taking Poplar wood as the tested objects, and with single factor method. The results show that (1) The microwave pretreatment could change the internal microstructure and increase the permeability of poplar veneer; (2) With the increasing of the wood initial moisture content, the dye uptake gradually decreased; when the wood initial moisture content was 25%, the dye uptake and color fi xing rate were 39.44% and 38.31% respectively; (3) With the prolonging of the heating time, both the dye uptake and the color fi xing rate increased; when the heating time was 90 seconds, compared with untreated wood, the dye uptake increased 21.15%，the fi xation rate increased 21.44% ; (4) With the increasing of the microwave radiant power, the dye uptake and the fi xation rate both increased, but the dye uptake was better; Compared with untreated wood，when the microwave intensity was 18 kW, the dye uptake increased 21.38%, the fi xation rate increased 21.59% ,.

poplar; reactive dyes; microwave pretreatment; dye uptake

S792.11；S781.43 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X(2015)12-0123-04

2015-04-07

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資助項目（201304509）

胡嘉裕，碩士研究生

劉 元，教授，博士，博士生導師；E-mail：liuyuan601220@163.com

胡嘉裕,劉 元,喻勝飛,等. 微波預處理對楊木活性染料染色效果的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報,2015,35(12):123-126.

[本文編校：文鳳鳴]