熱處理溫度對(duì)不同樹種木材材色影響的研究*

張倩 呂蕾 楊亮慶** 王宏棣 叢德寶

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081；2.開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司，遼寧 開原 112300）

熱處理溫度對(duì)不同樹種木材材色影響的研究*

張倩1呂蕾1楊亮慶1**王宏棣1叢德寶2

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081；2.開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司，遼寧 開原 112300）

以熱處理木材生產(chǎn)企業(yè)常用3種樹種為研究對(duì)象，通過研究熱處理溫度對(duì)宏觀材色、基本材色指數(shù)和色差的影響，分析樹種對(duì)熱處理溫度反應(yīng)存在的差異以及內(nèi)在相關(guān)性。結(jié)果表明：相同處理?xiàng)l件下，不同樹種材色變化存在顯著差異，明度受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對(duì)熱處理溫度最為敏感的材色參數(shù)，對(duì)色差的影響系數(shù)較高。關(guān)鍵詞：熱處理溫度；色差；木材材色；明度

木材材色是影響消費(fèi)者對(duì)木制品印象最直觀的要素，同時(shí)還是人工林培育、木材改性與利用等的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)木材加工利用具有重要意義[1]。熱處理是改良木材效果顯著、環(huán)保性能最好的一種物理方法，能夠顯著改變木材顏色，使木材顏色變深，通常變?yōu)闇\褐色或深褐色，總體明度降低，顏色均勻柔和，視覺舒適，顏色穩(wěn)定，能給人一種典雅、深沉和高貴的精神感受[2-3]。因此該處理方法得到了相關(guān)學(xué)者、生產(chǎn)企業(yè)和公益組織的關(guān)注，大量科研和實(shí)踐工作由此開展，內(nèi)容涉及到處理工藝參數(shù)[4-5]、對(duì)木材各項(xiàng)性能影響[6-9]以及影響機(jī)理[10-12]等方面，研究成果顯著，豐富了木材熱處理研究領(lǐng)域，推動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)快速發(fā)展。盡管如此，由于該項(xiàng)領(lǐng)域研究起步較晚，各項(xiàng)研究還有待進(jìn)一步完善，尤其在熱處理木材材色視覺特性評(píng)價(jià)方面還有待進(jìn)一步完善。本文選用熱處理木材生產(chǎn)企業(yè)常用的3種樹種為研究對(duì)象，從熱處理溫度對(duì)材色變化影響差異入手，研究了熱處理對(duì)材色美學(xué)特性的影響，通過基本材色指數(shù)和色差對(duì)熱處理溫度及材色影響進(jìn)行分析，并就明度和色差對(duì)材色影響以及其相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試材樹種為興安落葉松（Larix gmelinii）、紅胡桃（JUGLANS NIGRA）和紅橡（QUERCUS RUBRA）刨光材，規(guī)格分別為120 mm×20 mm×2 000 mm、250 mm×20 mm×1500 mm和200 mm×20 mm× 1 500 mm，平均含水率為10.3%。

設(shè)備為開原圣意達(dá)木材干燥設(shè)備有限公司生產(chǎn)的熱處理窯；材色測量設(shè)備為NF-333型便攜式分光光度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測色區(qū)域選擇

試件的測試區(qū)域要求無節(jié)子、無裂紋，材質(zhì)優(yōu)良，表面清潔，紋理通直且材色較為均勻一致；為保證測試精度，要求測試區(qū)域需要避開墊條位置，每塊試件選取5個(gè)測試點(diǎn)，每窯每樹種取5塊試件用于材色測試；另取15塊試件做配板。

1.2.2 熱處理工藝設(shè)定

考慮到試驗(yàn)?zāi)康闹皇菍?duì)比分析不同樹種在相同熱處理?xiàng)l件下的材色變化差異，故此對(duì)3種樹種同窯進(jìn)行處理，處理溫度設(shè)定為140、160、180、200℃，處理時(shí)間均為6 h。

1.2.3 測試測量

對(duì)測試區(qū)域分別進(jìn)行標(biāo)記（圖1A），裝窯前和處理完成后分別對(duì)標(biāo)記區(qū)域材色指數(shù)按順序進(jìn)行測量，采用CIE(1976)L*a*b*均勻色空間系統(tǒng)來衡量木材顏色的變化。

圖1 測試區(qū)域及處理溫度對(duì)宏觀材色的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對(duì)宏觀材色的影響

通過熱處理賦予木材最優(yōu)的表面視覺特征是提高木材價(jià)值的重要途徑，因此有必要對(duì)不同處理溫度下材色變化進(jìn)行對(duì)照分析。圖1中“B、C、D”分別為紅胡桃、興安落葉松和紅橡3樹種處理前后材色變化情況，每圖中自左至右分別為對(duì)照材及140、160、180及200℃處理材。

就本文涉及到的3種樹種而言，給人的視覺特性差別較為明顯，其中，興安落葉松材色較淺，紅胡桃材色偏暗紅，紅橡材色介于兩者之間偏向于深色。熱處理后材色均向深色發(fā)展，且處理溫度越高材色變化越明顯；其中，紅胡桃和紅橡在140℃和160℃時(shí)變化程度較小，低于落葉松，而在180℃和200℃時(shí)同興安落葉松變化程度較為一致，材色均明顯變暗，說明處理溫度對(duì)木材的影響程度因樹種而異，不同樹種對(duì)熱處理?xiàng)l件的反映也不盡相同。從視覺效果來看，對(duì)比各溫度處理試件，160℃處理的興安落葉松呈油黃色，色澤最為美觀；紅橡和紅胡桃由于本身材色較深，熱處理對(duì)顯著提升材色美觀性而言意義不大。由此看來，通過熱處理方式改良木材材色價(jià)值需因樹種而異，也說明材色指標(biāo)可作為評(píng)價(jià)熱處理效果指標(biāo)的意義。

2.2 處理溫度對(duì)材色基本參數(shù)的影響

為研究溫度條件對(duì)熱處理木材材色基本參數(shù)的影響差異，本研究將每組試驗(yàn)中處理后與處理前材色基本參數(shù)的比值做為評(píng)價(jià)依據(jù)（表1），該值反映了不同溫度條件下木材材色3個(gè)基本參數(shù)的變化情況。其中，明度（L）受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對(duì)熱處理溫度最敏感的材色參數(shù)[14]，隨熱處理溫度升高呈下降趨勢，兩者間具有顯著的線性相關(guān)性。針對(duì)落葉松、紅橡和紅胡桃3個(gè)樹種測得的明度和處理溫度間線性相關(guān)性決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.992 5、0.994 6和0.927 4，相比明度指標(biāo)，b*值與熱處理溫度間的相關(guān)性則受樹種影響較為明顯。如落葉松和紅橡木處理后與處理前b*的比值與熱處理溫度間仍存在顯著線性相關(guān)性，同明度（L）的比值受處理溫度影響趨勢相一致，決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.960 6和0.857 1；但140℃和160℃時(shí)，b*值均高于對(duì)照材，落葉松材更為明顯，從圖1的宏觀材色的變化中也反映了這一點(diǎn)；在180℃和200℃時(shí)b*值均低于對(duì)照材，說明隨著溫度升高，材色首先偏向黃色發(fā)展。而紅胡桃的b*值與熱處理溫度間則不存在線性關(guān)系，b*值隨著熱處理溫度的升高先增大，到200℃時(shí)下降，且b*值始終低于對(duì)照材。從本研究中涉及到的三種樹種來看，處理后落葉松a*值均明顯高于對(duì)照材，說明處理落葉松材色向紅色發(fā)展；紅橡除140℃處理時(shí)的a*值低于對(duì)照材外，其余條件時(shí)的a*值也均高于對(duì)照材；而紅胡桃則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，處理后a*值均明顯低于對(duì)照材。此外a*值與熱處理溫度間不存在相關(guān)性，且3種樹種呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，是3個(gè)材色基本指標(biāo)中最難以反映處理溫度影響的指標(biāo)。

表1 處理前后材色基本參數(shù)比%

正確認(rèn)識(shí)熱處理參數(shù)與材色基本指標(biāo)間相關(guān)性及其影響機(jī)制，對(duì)于木材無損狀態(tài)下的工藝制定及預(yù)測評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于熱處理與基本材色指標(biāo)間相關(guān)性的問題，相關(guān)學(xué)者在不同樹種、不同溫度范圍和處理時(shí)間等方面都進(jìn)行了大量研究，涉及到俄羅斯樟子松、人工林杉木等多個(gè)樹種，溫度范圍從140℃到230℃，研究結(jié)果表明，明度指標(biāo)與處理溫度相關(guān)性的結(jié)論與本研究具有一致性，但對(duì)a*、b*值與處理溫度間相關(guān)性問題的結(jié)論并不盡一致。程大莉在熱處理杉木時(shí)得出的結(jié)論是：a*、b*值的變化趨勢相同；而鄧邵平等則在人工林杉木研究中指出，a*、b*值變化趨勢并不相同，均未表現(xiàn)出規(guī)律性[13-14]。

2.3 處理溫度對(duì)色差的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度的升高，3種樹種色差均呈現(xiàn)出增大趨勢（表2）。根據(jù)色差程度鑒定標(biāo)準(zhǔn)，140℃時(shí)落葉松和紅橡材色變化為“很大”，紅胡桃僅為“明顯”；自160℃開始，落葉松和紅橡材色變化均為“截然不同”等級(jí)，而紅胡桃僅在200℃時(shí)材色變化等級(jí)為“截然不同”?？梢姡瑯浞N不同，其材色對(duì)處理溫度反應(yīng)狀況也不相同，色差變化受樹種影響非常明顯。如200℃時(shí)紅橡色差最大，落葉松次之（色差值僅為紅橡的74%），紅胡桃最?。ㄉ钪祪H為紅橡的48%）。在熱處理各個(gè)溫度條件下，3種樹種材色對(duì)溫度的反應(yīng)也不盡一致，如落葉松在整個(gè)溫度升高過程中色差呈勻速增大趨勢，而紅橡和紅胡桃的色差變化呈階段性趨勢：在140～180℃時(shí)呈較為均勻增大趨勢，180～200℃時(shí)呈現(xiàn)出急劇增大趨勢，這一現(xiàn)象可能與闊葉樹材自身特性有關(guān)。

表2 不同熱處理溫度時(shí)3種樹種色差

對(duì)熱處理溫度和色差進(jìn)行線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，兩者間存在良好的線性相關(guān)性，落葉松、紅橡和紅胡桃3樹種的R2值分別達(dá)到0.992 9、0.992 3和0.938 2，表明盡管不同樹種對(duì)熱處理?xiàng)l件的反映存在一定差異，但并不影響色差與熱處理溫度間的線性相關(guān)性，這就為特定的色差變化以及一定材色變化基礎(chǔ)上的溫度推導(dǎo)等問題的模擬計(jì)算奠定了基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)踐中理想材色控制與預(yù)判具有重要的指導(dǎo)意義。與熱處理溫度和色差間的相關(guān)性一致，處理溫度與明度間也存在著良好的線性相關(guān)性，是因?yàn)樵谏钣?jì)算中明度占比較大（表3），3個(gè)樹種在各個(gè)溫度條件下的明度值對(duì)色差的影響系數(shù)都達(dá)到了一個(gè)較高值。關(guān)于這一結(jié)論，孫龍祥等[15]在熱處理樟子松引起材色變化的研究中指出，木材處理后色差增大主要是由木材明度變化導(dǎo)致；Bekhta等[16]在水曲柳試材的研究中也曾得出相同的結(jié)論，研究指出，水曲柳材色變化的主要因素是明度值的變化，可以通過明度的變化來表現(xiàn)整體材色的變化趨勢，從而分析判斷木材處理效果。González-Pena等[17]則將明度與色差用于與處理材的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，結(jié)論是色差與各物理力學(xué)性能指標(biāo)之間的決定系數(shù)高于明度的決定系數(shù)。

表3 明度對(duì)色差影響系數(shù)

3 結(jié)論

3.1 不同樹種材色變化對(duì)熱處理溫度的反應(yīng)程度存在著差異，其中紅橡對(duì)處理溫度反應(yīng)最為明顯；從視覺特性來看，興安落葉松在160℃處理的材色最為美觀，而熱處理對(duì)紅橡和紅胡桃材色美學(xué)特性的影響并不顯著。

3.2 明度（L）受處理溫度影響規(guī)律性最為明顯，是對(duì)熱處理溫度最為敏感的材色參數(shù)，兩者具有顯著的線性相關(guān)性；色差分析表明，隨著處理溫度升高，紅胡桃色差值明顯低于落葉松和紅橡，進(jìn)一步反映了色差變化受樹種影響非常明顯的現(xiàn)象；明度對(duì)色差較高的影響系數(shù)表明，色差值主要取決于明度的變化，因此可以通過明度的變化來表征整體材色的變化趨勢。

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第1作者簡介：張倩（1988-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：木材干燥。

The Effect of Heat Treatment Temperature on Wood Color of Different Species

ZHANGQian
（Heilongjiang Institute of Wood Science,Harbin150081）

Understanding different species reflect the situation on treatment temperature is important for precise quality control process.By studying the effect of heat treatment temperature on wood color,basic material and color rendering index of three species of timber,the effect of heat treatment temperature on wood color and the intrinsic correlation were analyzed.The results showed that under the same process conditions,color change of different tree species was significant differences；Regularity between brightness and processing temperature is the most obvious,which is the most sensitive to the heat treatment temperature and has a high impact on color change.

Heat treatment Temperature;Color Value;Wood color;Lightness

S781.7

A

1001-9499（2017）02-0047-04

楊亮慶（1981-），男，博士，副研究員，研究方向：木材干燥及改性。

2017-01-04

（責(zé)任編輯：潘啟英）

*黑龍江省林業(yè)科學(xué)院青年基金項(xiàng)目“高溫?zé)崽幚韺?duì)木材材色可控性的研究”(2015Q02)