超高溫熱壓處理對杉木表面顏色及光澤度的影響

蔣秋芳，馬靈飛，聶玉靜，盛 浩，黃賽賽

超高溫熱壓處理對杉木表面顏色及光澤度的影響

蔣秋芳，馬靈飛，聶玉靜，盛 浩，黃賽賽

（浙江農(nóng)林大學 工程學院，浙江 杭州 311300）

以杉木邊材為試樣在280340℃分別熱壓處理5 s和10 s，研究溫度和時間對杉木顏色及光澤度的影響。結果表明：杉木經(jīng)熱壓處理后弦切面的明度最低值為45.21，下降了37.9%，徑切面的明度最低值為41.91，下降了38.8%，弦切面和徑切面色差最大值分別為27.8和27.29。隨著熱處理溫度的升高或時間的延長，明度值下降幅度逐漸增大，杉木表面光澤度上升。弦切面的明度變化率和總體色差隨處理條件變化趨勢與徑切面相似，2項指標之間呈強相關性；平行/垂直于木材紋理的光澤度的最高上升率分別是42.86%和35.42%，變化趨勢基本相似，熱壓時間對光澤度的影響大于熱壓溫度。

杉木；超高溫；熱壓處理；顏色；光澤度

材色作為一個重要的視覺物理量，決定了消費者的第一印象，不僅賦予木制工藝品鮮活的生命力，也越發(fā)成為材料銷售競爭力的重要因素和材料是否具有商業(yè)價值的重要指標。因此，為解決材色問題，該領域研究工作者致力開發(fā)顏色調(diào)控技術，如木材漂白[1]、著色[2]和熱處理等。熱處理作為一種綠色環(huán)保且能改良木制品顏色的純物理改性方法，近年來在歐洲國家已建立較健全的產(chǎn)業(yè)體系。木材熱處理方法主要有4種：一是水蒸氣、惰性氣體及生物質(zhì)燃氣等氣相介質(zhì)[3-5]，二是油作為傳熱介質(zhì)[6]，三是熏煙、電磁波等熱處理[7-8]，四是真空熱處理[9]。但采用氣相介質(zhì)熱處理對溫度精度控制要求極高；以油為傳熱介質(zhì)處理后的木材一般殘留油味；此外熏煙、電磁波、真空熱處理等方法各有其特點，適合處理特定需求和附加值較高的木材，普遍存在生產(chǎn)成本高和安全操作隱患等問題。有研究采用高溫熱壓處理毛竹竹材的方法，用簡單的工藝技術和設備，較短的生產(chǎn)周期和低成本實現(xiàn)對竹材快捷高效的顏色調(diào)控[10]。目前，市場上此類接觸式的熱壓處理方式使用較少，在木材領域未見相關報道。本文采用超高溫熱壓方式處理杉木，探討超高溫熱壓條件對杉木木材顏色和光澤度變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

杉木邊材，含水率8%10%，氣干密度0.30.5 g·cm-3，購自浙江杭州臨安建材市場。挑選無開裂、腐朽、變色等缺陷的試件，加工成規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm（徑長×寬×弦高）的試件。

1.2 試驗設備

XLB-35UX350熱壓力成型機；DC-P3型全自動測色色差計；DR60A型光澤度儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 超高溫熱壓處理 先將試樣置于溫度為（20±2）℃，相對濕度為（65±5）%的調(diào)溫調(diào)濕箱直至質(zhì)量恒定，將初步處理完的試件分別進行編號，設置處理溫度為280，300，320和340℃，處理時間分別為5 s和10 s，熱壓壓力為1 MPa左右。熱壓后取出樣件，自然冷卻至室溫后再進行調(diào)溫調(diào)濕至平衡穩(wěn)定狀態(tài)，每種處理條件試樣6個，以同一尺寸未經(jīng)熱壓處理的試樣（進行相同調(diào)溫調(diào)濕處理）作為對照，重復3次。

1.3.2 顏色表征 選試件表面中心位置且顏色光澤感均一處作為測量點，弦切和徑切兩面各選定3個點，根據(jù)國際照明委員會CIELab顏色標準系統(tǒng)，分別在熱處理前后用色差儀測量選定點的平均值記作各項顏色參數(shù)，以此作為熱處理材顏色變化的基準，用明度值*，紅綠色品指數(shù)*，黃藍色品指數(shù)*，總體色差△*；為分析熱處理時間和溫度對各項顏色參數(shù)的影響，從基準上再引入各項變化率（試樣熱處理前后明度變化率△* R%、紅度變化率△* R%以及黃度變化率△* R%）作為評價指標。

1.3.3 光澤度的測定 采用數(shù)字式光澤度儀測量，投身角度為60°，光源入射方向為平行于木材紋理和垂直于木材紋理方向，所用DR60A型光澤度儀是遵照ISO－2813，GB9754，GB9966，GB/T13891國家標準。每個試件測3個點，每個點測2次，取平均值作為測定值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文圖表數(shù)據(jù)處理軟件為Origin 2019和SPSS，采用單因素方差分析和多重比較檢驗法對明度差△*與△*相關性，△* R%及△*隨熱處理條件變化趨勢相關性進行分析，用值表示。

2 結果與分析

2.1 高溫熱處理對試材表面顏色的影響

圖1為杉木材表面經(jīng)不同高溫熱壓工藝處理后的顏色變化對比。由圖1可見，隨著處理溫度的升高，熱處理時間的延長，杉木材明度*逐漸降低，顏色均勻地從淺黃偏白色向黑褐色轉(zhuǎn)變，實驗結果與其他學者相似[11-12]，相較其他熱處理工藝，此法有效提高了明度變化的效率。

由圖2可知，在相同條件下，杉木經(jīng)熱壓處理后明度值*均變小，杉木處理前后徑切面的明度值均低于弦切面。未處理時兩個切面的*值相差3 ~ 4個單位，280 ~ 300℃處理后兩個切面的*值相差5個單位，320℃和340℃時分別相差7 ~ 8個單位和10個單位，隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，試件的兩個切面△*絕對值逐漸擴大。紅綠色品指數(shù)*和黃藍色品指數(shù)*隨處理溫度和時間條件變化不明顯。杉木表面明度發(fā)生變化，主要因大含量木質(zhì)素及一些有機內(nèi)含物（如黃酮類、酚類）等木材成分中具有一些發(fā)色、助色基團，如羰基、C=C雙鍵、和羥基等[13]。木材的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等自身分子結構無類似基團，但在超高溫熱壓處理過程中會發(fā)生劇烈分解，其熱分解產(chǎn)物含有發(fā)色基團，如糠醛。當基團在某種化合物中以一定的形式結合，其吸收光譜會從紫外光區(qū)延伸到整個可見光區(qū)，使顏色加深[14]。

圖1 高溫熱壓處理后杉木材顏色

Figure 1 Color ofwood before and after treatment by different temperature and duration

圖2 杉木表面熱處理前后的a*，b*，L*值（A弦切面；B徑切面；下同）

Figure 2 Luminance andchrominance of in tangential and radial section ofwood before and after treatment by different temperature and duration

由圖3可見，在相同條件下，隨著熱處理時間的延長和熱處理溫度的升高，明度差△*和色差△*增加，兩者呈顯著正相關（＜0.01）；徑切面的△*隨之增大，且不同熱處理條件下的數(shù)值差異性較大；弦切面的△*也隨之增大，但不同熱處理溫度和時間下的數(shù)值差異性較小。前人對人工林杉木熱處理材顏色的研究發(fā)現(xiàn)，200℃/3 h的條件下的△*分別為24.17（處理過程中不控制氧氣濃度）[15]和26.51（飽和水蒸氣控制氧氣濃度2%）[16]。本研究在處理溫度320℃、處理時間5 s和10 s后，弦切面色差△*分別為22.90和24.67，徑切面色差△*分別為25.90和27.29；340℃條件下處理5 s，即已達到別組210℃熱處理2 h產(chǎn)生的色差水平[17]。說明熱壓處理有效提高了增大表面色差的效率。

由圖4可知，溫度為280340℃時分別熱壓5 s和10 s后，試件弦切面的△* Ｒ%同比下降了16.76%和10.58%，即處理溫度分別為280，300，320和340℃時，處理時間5 s和10s的△* Ｒ%分別減小8.09%，6.14%，1.2%，1.91%；徑切面△* R%同比下降14.71%和8.32%。試件徑切面的明度變化率與弦切面的變化趨勢相似，2項指標呈現(xiàn)強相關性。弦切面與徑切面的顏色差異可能是由杉木具有極細的木射線，其徑切面上的孔隙數(shù)量大于弦切面，和兩者的木質(zhì)素組成和抽提物含量不等造成[18]。相同處理條件下徑切面的△* R%絕對值均大于弦切面，因此，熱壓處理條件對杉木徑切面明度變化影響較弦切面更為明顯。存在的差異性可能是在熱處理過程中，徑切面中的抽提物和化學組成（半纖維素和/或木質(zhì)素）參與顏色變化反應更劇烈[19]。在280℃，△* R%隨熱壓處理時間變化的差異最顯著，差值6%8%。

圖3 不同熱壓處理溫度和時間對杉木表面△E*, △L*, △a*, △b*的影響

Figure 3 Effect of various temperature and duration on difference of luminance andchrominance ofwood

圖4 不同熱處理溫度和時間下的△L* R%, △a* R%, △b* R%

Figure 4 Change of luminance andchrominance ofwood treated by various heat temperature and duration

2.2 高溫熱壓處理對試材表面光澤度的影響

光澤度是在一組幾何規(guī)定條件下對材料表面反射光的能力進行評價的視覺物理量。良好的感覺特性能提升材料銷售競爭力和商業(yè)價值。由圖5可見，經(jīng)熱壓處理后試件（平行于木材紋理的光澤度）值均大于（垂直于木材紋理的光澤度）值，參照對比組的（4.6%5.1%）和（4.3%4.8%），原因是垂直于纖維方向入射條件下所測量得到的曲線相對平行入射時更平緩[20]。高溫熱壓處理后，在4.7 ~ 7.0之間變化，在4.5 ~ 6.5之間變化，兩個切面的光澤度均提升，且隨處理溫度的升高、時間的延長，上升幅度增大。筆者認為，試件經(jīng)高溫熱壓處理后，木射線薄壁細胞和細胞腔的內(nèi)含物（油、樹脂）溢出在表面形成包漿[21]，使相較處理前的表面更致密且有光澤感。

圖5 杉木表面熱壓處理前后的光澤度值

Figure 5 Gloss of in tangential and radial section ofwood before and after hot pressure treatment

處理溫度280℃分別熱壓5 s和10 s后，試件值較處理前上升了2.17%和26.09%，值則上升了4.65%和18.18%，表明在280℃時，時間影響顯著。300~ 340℃分別熱處理5 s和10 s后，試件的和分別較處理前上升了19.15%42.86%%和23.25%35.42%?？梢?，的變化趨勢與基本相似，僅在變化幅度上整體略高于，且熱壓時間對試件表面光澤度的影響大于熱壓溫度。

3 結論

隨著熱壓處理溫度的升高和時間的延長，經(jīng)處理后的杉木弦切面和徑切面明度*均變小，紅綠色品指數(shù)*和黃藍色品值*變化不規(guī)律；杉木弦切面明度變化率及色差隨熱處理條件變化趨勢與徑切面均相同，2項指標呈現(xiàn)強相關性（＜0.05），比較弦、徑切面在熱壓處理前后之間的色差，在低處理條件下兩者均可達到人肉眼可分辨（△*＞15）的程度。熱壓處理條件對杉木徑切面明度變化率相較弦切面高出3.5%。色差隨時間延長而增大的幅度相對減小。

隨著熱處理溫度的升高和熱處理時間的延長，杉木表面光澤度上升。最高上升率42.86%，最高上升率35.42%值均大于值。的變化趨勢與基本相似，僅在變化幅度上整體略高于。熱壓時間對試件表面光澤度的影響大于熱壓溫度，280℃是試驗組中時間受影響最顯著的處理溫度。

[1] 牛帥紅，王書強，沈道海，等. 杉木集成薄木漂白工藝研究[J]. 浙江林業(yè)科技，2015，35（3）：68－70.

[2] 陳玉和，陸仁書，方桂珍. 木材水溶性染料的染色技術[J]. 木材工業(yè)，1999（2）：77－81.

[3] MICHEL V. Heat treatment of wood in France-State of the art[R].Centre Technique du Bois et de l’Ameublement，Paris，F(xiàn)rance，2001.

[4] Andreja K，F(xiàn)rederick A，Kamke E. Compression of wood under saturated steam, superheated steam, and transient conditions at 150℃, 160℃, and 170℃[J].Wood Sci Technol，2012，46：73－88.

[5] Xie Y J，Liu Y X，Sun Y X. Heat-treated wood and its development in Europe[J]. 林業(yè)研究：英文版，2002，13（3）：224－230.

[6] ANDREAS O，Sailer M. Oil heat treatment of wood in Germany-State of the art, Review on heat treatments of wood[C]. Proceedings of Special Seminar held in Antibes，F(xiàn)rance. Hamburg BFH，2001.

[7] Futoshi I，Noritaka M，Shinso Y，. Changes in the physical and chemical properties of six Japanese softwoods caused by lengthy smoke-heating treatment[J]. J Wood Sci，2005，51：161－166.

[8] 井上雅文，山本泰司. 高頻、微波加熱在木材工業(yè)中的應用[J]. 電子情報通信學會技術研究報告（日），2003（16）：35－40.

[9] 陽財喜，閻昊鵬，劉君良，等. 桉樹真空熱處理材表面性能分析[J]. 林業(yè)科學，2010，46（10）：130－134.

[10] 莫玨，馬靈飛，王誠，等. 3種溫熱壓處理溫度和時間對毛竹材表面顏色的影響[J]. 竹子學報，2017，36（4）：21－28.

[11] KA?íKOVá D，KA?íK F，?ABALOVá I，. Effects of thermal treatment on chemical, mechanical and colour traits in Norway spruce wood[J]. Bioresour Technol，2013，144：669－674.

[12] AYDIN I，COLAKOGLU G. Effects of surface inactivation, high temperature drying and preservative treatment on surface roughness and Colour of alder and beech wood[J]. App Surf Sci，2005，252（2）：430－440.

[13] 呂文華，江澤慧，吳玉章，等. 木、竹、藤材的變色防治[J]. 世界林業(yè)研究，2006，19（4）：38－44.

[14] 鄭志鋒. 木材的顏色是如何產(chǎn)生的[J]. 云南林業(yè)，2005，26（2）：32.

[15] 曹永建. 蒸汽介質(zhì)熱處理木材性質(zhì)及其強度損失控制原理[D]. 北京：中國林業(yè)科學研究院，2008.

[16] 鄧邵平，陳寒嫻，林金春，等. 高溫熱處理人工林杉木木材的材色和涂飾性能[J]. 福建農(nóng)林大學學報，2010，39（5）：484－489.

[17] 唐榮強，鮑濱福，李延軍. 熱處理條件對杉木顏色變化的影響[J]. 浙江農(nóng)林大學學報，2011，28（3）：455－459.

[18] GONZALEZ-PENA M M，HALE M D C. Colour in thermally modified wood of beech, Norway spruce and Scots pine. Part 1: Colour evolution and colour changes[J]. Holzforschung，2009，63（4）：385－393.

[19] BOURGOIS J，JANIN G，GUYONNET R. The color measurement: a fast method to study and to optimize the chemical transformations undergone in the thermically treated wood[J]. Holzforschung，1991，45（5）：377－382.

[20] 劉一星，于海鵬，趙榮軍. 木質(zhì)環(huán)境學[M]. 北京：科學出版社，2007：21－23.

[21] 何拓，羅建舉. 20種紅木類木材顏色和光澤度研究[J].林業(yè)工程學報，2016，1（2）：44－48.

Effect of Super High Temperature Pressure Treatment on Surface Color and Gloss ofWood

JIANG Qiu-fang，MA Ling-fei，NIE Yu-jing，SHENG Hao，HUANG Sai-sai

( School of Engineering, Zhejiang A＆F University, Hangzhou 311300, China）

Sapwood ofwas purchased from market in Hangzhou, Zhejiang province, and was cut into specimen with 20 mm×20 mm×20 mm. They were treated at 280℃, 300℃, 320℃and 340℃ for 5 s and 10 s respectively for determination of various indicators of color and gloss. The results showed that the minimum luminance in tangential section of specimen treated by high temperature pressure was 45.21, 37.9% off of the control (no treatment), and that in radial section was 41.91, 38.8% off. The maximum chrominance in tangential section of specimen treated by high temperature pressure was 27.8 and 27.29 respectively. The luminance of treated specimen had negative relation with temperature and duration, but positive one with gloss. Change rate of luminance and chrominance of in tangential section of specimen was similar with that in radial section. The surface gloss () of specimen treated increased by 42.86% and that of35.42%. The experiment demonstrated that treated duration of pressure had more effect in gloss than temperature.

; high temperature; hot pressure treatment; color; gloss

S784

A

1001-3776（2019）06-0001-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2019.06.001

2019-04-19；

2019-09-26

國家自然科學基金項目（31270592）；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201204702）

蔣秋芳，碩士研究生，從事木材改性方面研究；E-mail:1406733412@qq.com。

馬靈飛，教授，從事材料改性研究；E-mail:malingfei@zafu.edu.cn。